Le paludisme est responsable de la mort de près d'un million de personnes chaque année. Cette maladie est causée par le Plasmodium, parasite protozoaire appartenant à la famille des Apicomplexes. Dans cette thèse, nous avons développé des approches de biologie de systèmes pour l'étude du métabolisme des phospholipides (PL) métabolisme et de sa régulation chez Plasmodium. Ces voies métaboliques sont d'une importance primordiale pour la survie du parasite. À l'étape intra-érythrocytaire du développement, les espèces de Plasmodium exploitent un nombre important de voies de synthèse phospholipidique, qui sont rarement trouvées ensemble dans un seul organisme : (i) la voie dépendante ancestrale CDP-diacylglycerol des procaryotes ( ii) les voies eucaryotes de novo CDP- choline et CDP-éthanolamine (Kennedy) ( iii ) de plus P.falciparum et P. knowlesi emploient des réactions supplémentaires qui relient une à l'autre certaines de ces routes. Une voie de synthèse caractéristique aux plantes, qui utilise la sérine en tant que source supplémentaire de phosphatidyl-choline (PC) et de phosphatidyl-éthanolamine (PE), est nommée la voie méthyltransférase décarboxylase - phosphoéthanolamine sérine (SDPM). Pour comprendre la dynamique d'acquisition et le métabolisme des phospholipides chez Plasmodium, nous avons construit un modèle cinétique quantitatif basé sur des données fluxomiques. La dynamique in vitro d'incorporation de phospholipides révèle plusieurs voies de synthèse. Nous avons construit un réseau métabolique détaillé et nous avons identifié les valeurs de ses paramètres cinétiques (taux maximaux et constantes Michaelis). Afin d'obtenir une recherche globale dans l'espace de paramètres, nous avons conçu une méthode d'optimisation hybride, discrète et continue. Des paramètres discrets ont été utilisés pour échantillonner le cône des flux admissibles, alors que les constantes des Michaelis et les taux maximaux ont été obtenus par la minimisation locale d'une fonction objective. Cette méthode nous a également permis de prédire la répartition des flux au sein du réseau pour différents précurseurs métaboliques. Cette analyse quantitative a également été utilisée pour comprendre les liens éventuels entre les différentes voies. La principale source de PC est la voie Kennedy CDP-choline. Des expériences de knock-out in silico ont montré l'importance comparable des voies phosphoéthanolamine-N-méthyltransférase (PMT) et de la phosphatidyléthanolamine-N-méthyltransférase (PEMT) pour la synthèse de PC. Les valeurs des flux indiquent que plus grande partie de la PE dérivée de la sérine est formée par décarboxylation, alors que la synthèse de PS est majoritairement effectuée par des réactions d'échange de base. L'analyse de sensitivité de la voie CDP- choline montre que l'entrée de choline dans le parasite et la réaction cytidylyltransferase de la phosphocholine ont les plus grands co-efficients de contrôle sur cette voie, mais ne permet pas de distinguer une réaction comme l'unique étape limitante. Ayant comme objectif la compréhension de la régulation de l'expression génique chez Plasmodium falciparum et son influence sur le fonctionnement métabolique, nous avons effectué une étude bioinformatique intégrative des données du transcriptome et du métabolome pour les principales enzymes impliquées dans le métabolisme PL. L'étude de la dépendance temporelle des variables métaboliques et transcriptomiques au cours du cycle intra-érythrocytaire, a mis en évidence deux modes d'activation des voies PL. Les voies Kennedy sont activées pendant la phase schizogonique et au début de la phase anneau, alors que les voies SDPM et d'échange de bases sont activées lors de la fin de la phase anneau cycle et lors de la phase tropozoïte. / Malaria is responsible of the death of up to one million people each year. This disease is caused by Plasmodium, a protozoan parasite. In this thesis we have developed systems biology approaches to the study of phospholipid (PL) metabolism and its regulation in Plasmodium. These pathways are of primary importance for the survival of the parasite. At the blood stage, Plasmodium species display a bewildering number of PL synthetic pathways that are rarely found together in a single organism (i) the ancestral prokaryotic CDPdiacylglycerol dependent pathway (ii) the eukaryotic type de novo CDP-choline and CDPethanolamine (Kennedy) pathways (iii) P. falciparum and P. knowlesi exhibits additional reactions that bridge some of these routes. A plant-like pathway that relies on serine to provide additional PC and PE, is named the serine decarboxylase-phosphoethanolamine methyltransferase (SDPM) pathway. To understand the dynamics of PL acquisition and metabolism in Plasmodium we have used fluxomic data to build a quantitative kinetic model. In vitro incorporation dynamics of phospholipids unravels multiple synthetic pathways. A detailed metabolic network with values of the kinetic parameters (maximum rates and Michaelis constants) has been built. In order to obtain a global search in the parameter space, we have designed a hybrid, discrete and continuous, optimisation method. Discrete parameters were used to sample the cone of admissible fluxes, whereas the continuous Michaelis and maximum rates constants were obtained by local minimization of an objective function.The model was used to predict the distribution of fluxes within the network of various metabolic precursors. The quantitative analysis was used to understand eventual links between different pathways. The major source of phosphatidylcholine (PC) is the CDP-choline Kennedy pathway. In silico knock-out experiments showed comparable importance of phosphoethanolamine-N-methyltransferase (PMT) and phosphatidylethanolamine-N-methyltransferase (PEMT) for PC synthesis. The flux values indicate that, major part of serine derived phosphatidylethanolamine (PE) is formed via serine decarboxylation, whereas the phosphatidylserine (PS) is mainly predominated by base-exchange reactions. Metabolic control analysis of CDP-choline pathway shows that the carrier-mediated choline entry into the parasite and the phosphocholine cytidylyltransferase reaction have the largest control coefficients in this pathway, but does not distinguish a reaction as an unique rate-limiting step.With a vision to understand regulation of gene expression in Plasmodium falciparum and its influence on the metabolite expression, we have performed an integrative bioinformatic studies. The study integrates transcriptome and metabolome data for the main enzymes involved in PL metabolism. The study of the correlated time dependence of metabolic and transcriptomic variables during the intraerythrocytic cycle showed that there are two modes of activation of PL pathways. Kennedy pathways are activated during schizogony and early ring stages, whereas SDPM and base exchange pathways are activated during late ring and tropozoite stages.

Les picocyanobactéries marines Synechococcus sont les seconds organismes photosynthétiques les plus abondants sur Terre. Elles présentent une grande diversité pigmentaire du fait de différences dans la composition de leur antenne collectrice de lumière (phycobilisome), ce qui leur permet d'utiliser efficacement une grande partie du spectre lumineux. Cependant, l'évolution, l'écologie et les bases moléculaires de cette diversité restent mal comprises. La comparaison d'une région génomique impliquée dans la synthèse des phycobilisomes de 54 souches et de populations naturelles m'a permis de proposer un scénario pour l'évolution des différents types pigmentaires et de montrer que cette diversité pigmentaire précède la diversification des Synechococcus marins. J'ai ensuite développé une procédure bioinformatique pour quantifier l'abondance relative de tous les types pigmentaires connus à partir de métagénomes. Appliquée aux données de Tara Oceans, cela m'a permis de décrire leur répartition à l'échelle mondiale, révélant que l'acclimatation chromatique de type IV, qui permet aux cellules de modifier leur spectre d'absorption en fonction de la couleur de la lumière, domine les populations naturelles de Synechococcus, et que des mutants naturels de l'acclimatation chromatique prévalent dans les étendues oligotrophes de l'océan Pacifique sud. Enfin, la caractérisation génétique de deux membres d'une famille d'enzymes liant les pigments à la phycoérythrine II, constituant majeur des phycobilisomes, a apporté de nouvelles perspectives sur les bases moléculaires de l'acclimatation chromatique et révélé l'importance des variations alléliques dans la diversité des types pigmentaires. / Marine Synechococcus are the second most abundant photosynthetic organisms on the planet. These picocyanobacteria present very diverse pigmentations due to differences in the composition of their light-harvesting antenna (phycobilisome), allowing them to efficiently exploit a wide range of spectral niches. Yet, the evolution, ecology and molecular bases of the different Synechococcus pigment types are not well understood. By comparing the genomic regions involved in the synthesis of phycobilisome rods from 54 sequenced isolates spanning all cultured pigment types and from natural Synechococcus populations, I proposed a scenario for the evolution of the different pigment types and showed that the pigment diversity of marine Synechococcus predates the diversification of this genus. Then, I developed a bioinformatic pipeline for reliably quantifying all known Synechococcus pigment types from metagenomes. Applying it to the Tara Oceans dataset allowed me to describe for the first time their distribution in the global ocean and revealed that type IV chromatic acclimation, a process by which cells can match their absorption properties to the ambient light colour, is widespread and constitutes the dominant pigmentation in Synechococcus populations. It also showed that natural chromatic acclimation mutants prevail in wide oligotrophic areas of the southern Pacific Ocean. Finally, I genetically characterized two members of an enzyme family binding chromophores to phycoerythrin-II, a major component of phycobilisomes. This provided new insights into the molecular bases of chromatic acclimation and revealed the importance of allelic variation for the diversity of pigment types.

L’importance historique du saumon atlantique et son exploitation contemporaine en font une espèce prioritaire en conservation. Cette thèse propose l’atteinte de plusieurs objectifs liés aux différents enjeux de gestion et de conservation touchant l’espèce. De plus, en privilégiant une approche génomique, la mise en évidence des bases génétiques de la divergence adaptative était au cœur de la présente thèse. D’abord, nous avons cherché à évaluer les changements temporels dans la composition génétique d’une population sauvage de saumon atlantique suivant l’introgression de saumon d’élevage. Bien que les résultats n’aient pas montré de changement temporel en termes de richesse allélique ou de diversité génétique, nous avons démontré que cette introgression se traduit par une altération de l’intégrité génétique de la population indigène, incluant une perte possible d’adaptation. Ensuite, nous avons participé au développement et à l’essai d’une biopuce à SNP en réalisant l’étude de génétique des populations la plus détaillée jamais réalisée sur le saumon atlantique. Nos résultats ont révélé trois groupes génétiques régionaux en Europe et des zones de contact secondaire entre ces groupes. Ces zones seraient potentiellement associées à des barrières exogènes et endogènes, ce qui rend l’interprétation équivoque quant à l’influence de l’environnement sur la divergence adaptative. Dans ce contexte, l’objectif suivant de la thèse était d’améliorer notre compréhension des liens entre l’environnement et la divergence génétique des populations. Nos résultats amènent de nouvelles perspectives sur les liens entre la variation environnementale et la divergence génétique neutre et adaptative. Spécifiquement, nous avons montré que le climat et la géologie des rivières étaient significativement associés à la divergence potentiellement adaptative et neutre des populations. Finalement, nous avons cherché à explorer les déterminismes génomiques de la mortalité en mer des saumons atlantiques. Par une méthode novatrice multilocus, nous avons observé un patron de mortalité sélective en mer temporellement répété. Ces résultats supportent l’hypothèse voulant que la sélection cause principalement de petits changements de fréquences alléliques à plusieurs loci covariants plutôt qu’un petit nombre de changements à effet majeur. En somme, cette thèse contribue significativement à l’avancement des connaissances dans plusieurs contextes cruciaux liés à la gestion et la conservation de l’espèce. / The historical significance of Atlantic salmon and its contemporary exploitation have made this species a central focus in conservation biology. This thesis addresses a number of questions linked to important challenges for this species’ conservation and management. Moreover, by emphasizing a genomic approach, we aimed to systematically disentangle neutral and adaptive genetic divergence. First, we documented temporal changes in the genetic make up of a wild Atlantic salmon population following introgression from farmed escapees. Although our results did not show any significant temporal changes in allelic richness and gene diversity, introgression has resulted in significant alterations of the genetic integrity of the native population, including a possible loss of adaptation to wild conditions. Then, we participated in the development and testing of a SNP-array and conducted the most extensive population genetic study on Atlantic salmon to date. We found three major regional genetic groups in Europe and secondary contact zones between those groups. These zones were associated with putative endogenous and exogenous barriers, rendering the interpretation of environmental influence on potentially adaptive divergence equivocal. In this context, the next objective was to improve our understanding of links between the environment and genetic divergence of Atlantic salmon populations. Our results provide valuable insight into the links between environmental variation and both neutral and potentially adaptive genetic divergence. In particular, we have shown that climate and geological characteristics were significantly associated with both potentially adaptive and neutral genetic divergence. Finally, we explored the genomic bases for sea mortality of Atlantic salmon. Using a novel multilocus approach, we observed a pattern of genetically-based selective mortality at sea, which was repeated over time. These results support the hypothesis that selection mainly causes small changes in allele frequencies among many co-varying loci rather than a small number of changes in loci with large effects. Overall, this thesis has significantly improved our knowledge of many critical aspects of Atlantic salmon population genetics, which are tightly linked to conservation and management.

Leptosphaeria maculans est un Dothideomycète phytopathogène capable d’alterner des modes de vie saprophyte, hemibiotrophe endophyte et nécrotrophe durant son cycle infectieux sur le colza. Afin de comprendre cette plasticité infectieuse, une mutagenèse aléatoire à grande échelle par ATMT a permis de générer une collection de 5000 transformants. L’objectif principal de cette thèse était d’exploiter cette collection en prenant avantage de la disponibilité d’outils de génomique, pour, d’une part, comprendre les mécanismes d’intégration de l’ADN-T dans le génome, et d’autre part, identifier des déterminants du pouvoir pathogène ciblés par l’ADN-T dans des mutants affectés dans leur capacité infectieuse. Une analyse systématique de 318 pieds d’insertion a été réalisée dans le but de d’évaluer les caractéristiques de l’insertion de l’ADN-T. Ce dernier est fréquemment inséré dans les régions actives riches en gènes, et favorise des gènes impliqués dans des processus biologiques indicatifs d’une conidie germante. Un biais marqué des insertions en faveur des régions régulatrices est observé ainsi qu’une corrélation entre la densité des insertions et le skew CG près du site d’initiation de la transcription. Ces observations sont cohérentes avec le modèle de ciblage intranucléaire de l’ADN-T. Enfin, l’existence de micro-homologies entre le site de pré-insertion et la bordure gauche de l’ADN-T indique une intégration par voie de recombinaison homologue (HR) et/ou microhomologue (MMEJ). Une approche multicritère a été utilisée pour caractériser cette collection. Un test d’inoculation a permis d’identifier 166 mutants altérés dans leur pouvoir pathogène. La validation génétique de la co-ségrégation entre le phénotype altéré et la présence de l’ADN-T indique que 44% des mutants montrant un déterminisme monogénique de l’altération sont effectivement étiquetés. Parmi les mutants altérés, 35 ont été analysé pour : (i) le phénotype de croissance en conditions usuelles de culture et en réponse aux stress oxydatif, UV et nutritif, (ii) le lien entre altération de la germination et pouvoir pathogène. Les gènes affectés par l’intégration de l’ADN-T, ont été identifié et analysé dans la souche sauvage à l’aide de données de transcriptomique. Ces cribles ont permis de décomposer le phénotype d’altération in planta en plusieurs phénotypes in vitro. Le plus fréquemment, les mutants ne sont pas altérés dans leur in vitro croissance, mais la plupart sont sensibles aux ROS. Les analyses d’expression au cours de l’infection indiquent que les gènes codant pour des effecteurs et ceux impliqués dans la détoxification des ROS, ont des dynamiques d’expression inverses et bi-phasiques, en lien avec le style de vie hemibiotrophe de L. maculans. Les 42 gènes ciblés par l’ADN-T dans ces mutants ont été identifiés et leur fonction putative disséquée par bioinformatique et transcriptomique. Au final, nous avons identifié six mutants d’intérêt pour une caractérisation fonctionnelle. Deux de ceux-ci deux ont atteint un niveau de caractérisation suffisant pour l’émission d’une hypothèse de travail. Dans le mutant µ1165, l’ADN-T cible un gène codant pour une protéine ribosomale S17 (LmRPS17), dont la régulation dépendrait de la voie de signalisation du complex TORC1. Nos résultats préliminaires suggèrent, d’une part, que TORC1 est une cible potentielle de LmRPS17 et, d’autre part, que la phase biotrophe de l’infection chez L. maculans est probablement régulée par TORC1 via l’enzyme de détoxication des ROS SOD2. Dans le mutant µ444, l’ADN-T cible un gène codant pour un élément rétroviral putatif LmHYP1, largement conservé parmi les ascomycètes. Nos résultats suggèrent que LmHYP1 interviendrait dans la régulation de gènes impliqués dans le pouvoir pathogène, via la production de petits ARN interférents issus hypothétiquement du clivage de son ARN messager par la machinerie de défense anti-rétrovirale. La validation de ces deux hypothèses est en cours au laboratoire. / The Dothideomycete phytopathogen Leptosphaeria maculans is capable to alternate saprophytic, hemibiotrophic, endophytic and necrotrophic life styles during a single infectious cycle on its host plant, Brassica napus. However, little is known about the determinants of such plasticity. As part of a large-scale insertional mutagenesis project aiming at the discovery of pathogenicity factors a collection 5000 transformants has been generated by ATMT. The main objective of my PhD was to take advantage of “omics” to extract biological value from L. maculans mutants collection for a better understanding of T-DNA integration features and further identification of pathogenesis determinants in this fungus. A systematic analysis of 318 T-DNA tags was performed in a large collection of transformants in order to evaluate the features of T-DNA integration in its particular TE-rich compartmentalized genome. The T-DNA integration was mainly targeted to gene-rich, transcriptionally active regions, and favored biological processes that are consistent with the physiological status of a germinating conidia. In addition, T-DNA integration was strongly biased towards regulatory regions, and mainly promoters. Consistently with the T-DNA intranuclear targeting model, the density of T-DNA insertion correlated with CG skew near the transcription initiation site. The existence of microhomologies between promoter sequences and the T-DNA LB flanking sequence was also consistent with T-DNA integration to host DNA mediated by homologous recombination and/or the microhomology-mediated end joining pathways. Based on this data, a multi-criteria approach was used to draw the more possible information from this collection by identifying all 166 mutants reliably affected in pathogenicity, and expanding the genetic analysis. Considering single-gene segregation of the pathogenicity phenotype, our data indicate a 44% ratio of actual tagging. In parallel, for a subset of 35 isolates of the collection, we (i) described growth patterns in regular culture conditions or in response to oxidative, UV or starvation stresses, (ii) evaluated the link between altered germination and pathogenicity, (iii) identified and annotated the genes putatively affected by the T-DNA integration, and (iv) analyzed kinetics of expression of these genes in the WT isolate using available microarrays. Our results showed that pathogenicity alteration phenotype could be broken down into a pattern of phenotypes in vitro including growth, germination defect and susceptibilities to oxidative burst, starvation and UV stresses. Our results showed that most of these mutants were not altered in axenic growth but showed enhanced sensitivity to reactive oxygen species (ROS). Furthermore, our results showed that effectors and ROS scavengers have inverted dynamics during plant infection, consistently with the biphasic hemibiotrophic growth of L. maculans. Also, 42 genes targeted by the T-DNA in these mutants were recovered and dissected. This catalogue allowed us to identify a series of promising mutants for further functional studies. Based on this screening, six mutants were subjected to further analyses but only two reached sufficient advance for hypothesis building. In mutant µ1165, the T-DNA targeted a ribosomal protein S17 (LmRPS17), a downstream component of target of rapamycin complex 1 (TORC1) pathway. Our preliminary results suggested that TORC1 is a potential a target of LmRPS17. Also, biotrophic growth is probably tuned by TORC1 via Super oxide dismutase 2 (SOD2). In mutant µ444, the T-DNA targeted a retroviral-like element LmHyp1 widely conserved among ascomycetes. Our results suggest that LmHyp1 probably acts as a regulatory element during plant infection as its cleavage by the antiretroviral defences is hypothesized to generate siRNAs that silences distant genes. Work on these mutants is in progress.

Le but de cette thèse est de préciser les mécanismes moléculaires agissant en aval du facteur de transcription CROWN ROOT LESS 1 (CRL1) qui régule la formation des racines coronaires (RC). Nous avons pu identifier dans un premier temps une nouvelle séquence d’ADN reconnue par CRL1 nommé CRL1-box différente de la LBD-box qui était le seul motif cis-régulateur précédemment décrit pour la famille des facteurs de transcription (FT) de type LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN (LBD). Nous avons ensuite identifié un groupe de gènes régulés par CRL1, et avons montré l’implication de deux d’entre eux, OsROP et OsbHLH044, dans le développement des RC. OsbHLH044 est un facteur de transcription répresseur et semble être aussi impliqué dans la sénescence cellulaire ainsi que la réponse aux stress. Enfin, nous avons mis en évidence une cascade de régulation liant positivement CRL1 avec QUIESCENT-CENTER-SPECIFIC HOMEOBOX (QHB) un gène impliqué dans la différenciation et le maintien du centre quiescent via le facteur de transcription OsHOX14. En addition nous avons mis en évidence une boucle de rétroaction négative de QHB sur ses activateurs CRL1 et OsHOX14, qui pourrait être impliquée dans la structuration du primordia de racine coronaire. / The aim of this thesis is to specify the molecular mechanisms acting downstream of the CROWN ROOT LESS 1 transcription factor (CRL1) that regulates coronary root (CR) formation. We were able to identify at first a new CRL1 recognized DNA sequence named CRL1-box different from the LBD-box which was the only cis-regulatory motif previously described for the LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN (LBD) transcription factor (TF) family. We then identified a group of genes regulated by CRL1, and showed the involvement of two of them, OsROP and OsbHLH044, in the development of CR. OsbHLH044 is a repressive transcription factor and appears to be also involved in cell senescence as well as stress response. Finally, we demonstrated a regulatory cascade linking CRL1 with QUIESCENT-CENTER-SPECIFICHOMEOBOX (QHB), a gene involved in the differentiation and maintenance of the quiescent center, via the OsHOX14 transcription factor. In addition we have demonstrated a negative feedback loop of QHB on its activators CRL1 and OsHOX14, which could be involved in structuring the coronary root primordia

Ce projet de maîtrise vise à décrire les phénotypes cliniques des patientes diagnostiquées pour un cancer de l'ovaire de type épithélial afin de soutenir la génomique fonctionnelle. Pour réaliser ce projet de recherche, quatre objectifs ont été réalisés : 1) proposer un modèle conceptuel décrivant les phénotypes cliniques des patientes à partir de données médicales enregistrées dans un entrepôt de données cliniques ; 2) à partir du modèle conceptuel, créer deux outils informatiques, dont l'un, le Master Specimen File (MSF) qui extrait des variables du modèle conceptuel issues des rapports de chirurgie et de pathologie des patientes (p. ex. histologie, stade, grade, etc.) afin de confirmer leurs diagnostics et de décrire leurs tissus de recherche selon des caractéristiques tissulaires, cellulaires et moléculaires. L'autre, le Clinical Response Database (CRD) , permet de visualiser d'autres variables (p. ex. traitements, résultats d'imagerie médicale et marqueurs tumoraux) pour déterminer l'ordre des traitements, les réponses aux traitements ainsi que les survies des patientes; 3) utiliser les deux outils informatiques au Centre hospitalier universitaire de Sherbrooke (CHUS) pour décrire les phénotypes cliniques de patientes recrutées pour le Laboratoire de génomique fonctionnelle de l'Université de Sherbrooke (LGFUS) ; et 4) réanalyser les résultats d'une étude publiée en 2009 par le LGFUS en effectuant un nouveau regroupement des patientes selon leurs phénotypes cliniques. L'utilisation des outils informatiques au CHUS a permis de décrire les phénotypes cliniques de 106 patientes diagnostiquées pour un cancer de l'ovaire de type épithélial. Ces outils ont permis de sélectionner les patientes dont les phénotypes cliniques correspondent à des critères de sélection établis par le LGFUS. Cette sélection a permis d'effectuer la réanalyse des résultats d'une étude génomique et de constater que les patientes ayant des phénotypes cliniques hétérogènes ont des moyennes de ratio d'événements d'épissage alternatif de gènes statistiquement différentes. De plus, cette reanalyse a permis d'obtenir de nouveaux résultats statistiquement significatifs et d'apporter de nouvelles hypothèses concernant le gène CDCA1 dans le cadre du cancer de l'ovaire de type épithélial.

Lactococcus lactis est une espèce appartenant au groupe des bactéries lactiques, largement utilisées dans l’industrie pour leur capacité à produire de l’acide lactique au cours de la fabrication des produits laitiers fermentés. L’étude de la diversité globale de L. lactis ssp. lactis a été entreprise par l’intégration de données biologiques obtenues à partir d’analyses génétiques, génomiques, physiologiques, transcriptomiques et métaboliques. L’accès à la phylogénie de l’espèce par l’étude de la variabilité génétique du génome cœur par MLST (MultiLocus Sequence Typing) a permis de décrire deux groupes de souches : les souches environnementales, génétiquement très diverses, isolées de laits crus, de plantes ou d’animaux et les souches domestiquées, génétiquement très proches, isolées des levains utilisés dans l’industrie laitière. Malgré la perte de diversité génétique observée dans les souches domestiquées probablement associée à un processus de spécialisation à un environnement technologique, l’approche intégrative a permis de montrer que ce groupe présente une diversité génomique et fonctionnelle aussi importante que les souches environnementales. L’investigation des génomes de la sous-espèce lactis par la mesure de la taille des chromosomes et la caractérisation en nombre et en taille du contenu plasmidique, a révélé une variabilité de plus de 300 kb en capacité de codage génétique des souches domestiquées et environnementales. D’autre part, les souches domestiquées appartenant au biovar Diacetylactis ont montré des physiologies et des régulations métaboliques différentes, résultant en une production d’arômes de type diacetyl ou acétoïne variable selon la souche. Enfin, le séquençage du génome de la souche environnementale A12 isolée d’un levain de panification, et sa comparaison avec les 4 génomes actuellement séquencés de L. lactis a révélé un pangénome (ensemble des gènes de l’espèce) étendu, montrant que cette espèce offre un grand réservoir de diversité. Environ 20 % des gènes spécifiques de souches ont été mis en évidence témoignant des grandes capacités adaptatives de la sous-espèce. L’étude approfondie de la souche A12 par une analyse transcriptomique a permis de rendre compte des mécanismes impliqués dans l’adaptation d’une souche à un écosystème complexe / The Lactococcus lactis species belong to lactic acid bacteria group widely used for their ability to produce lactic acid in fermented dairy products. The study of the global diversity of L. lactis ssp. lactis was carry out by the integration of biological data obtained from genetic, genomic, physiological, transcriptomic and metabolic analyses. The genetic variability investigated by MLST (MultiLocus Sequence Typing) describe two strains groups according to their phylogeny : the “environmental” strains, displaying high genetic diversity and isolated from different natural environments such as raw milks, plants and animals and the “domesticated” strains, genetically closely related, isolated from starters in dairy industries. Despite the lost of genetic diversity in domesticated strains, probably associated to a specialisation process, the integrative approach showed a genomic and functional diversity as huge as in environmental strains. The characterization of chromosome size and plasmidic content of the lactis subspecies revealed a variation higher than 300 kb in genetic coding capacity for domesticated and environmental strains. Moreover, the domesticated strains belonging to the biovar Diacetylactis showed different physiologies and metabolic regulations resulting in variable amount of aroma produced according to the strains. Finally, the genome sequencing of the A12 strain isolated from sourdough bread and its comparison with 4 other L. lactis genomes already sequenced revealed a spread pangenome (all the genes of a species). Approximately 20 % of each genome correspond to strain specific genes, showing large adaptive capacities of the subspecies. The in-depth study of the A12 strain by transcriptomic analysis allows to highlight mechanisms involved in the adaptation of a strain to a complex ecosystem

Dans l'écosystème naturel, les insectes phytophages suceurs spécialistes tels que les pucerons sont exposés à une diversité de stress environnementaux, qui sont soit des facteurs biotiques impliquant les ressources alimentaires (stress indirect exercé via la plante hôte) ou des antagonistes naturels (parasites, pathogènes), soit des facteurs abiotiques tels l'exposition au rayonnement solaire intense, ou à des variations importantes de la température. Dans le cadre de mon projet, j'ai examiné les réponses du puceron de la pomme de terre Macrosiphum euphorbiae (Thomas) aux stress causés par (i) la réaction de sa plante hôte à l'herbivorie simultanée impliquant un défoliateur (doryphore, Leptinotarsa decemlineata) ou au stress hydrique sévère, (ii) le parasitisme par des endoparasitoïdes spécialiste et non-spécialiste (Aphidius spp.), et (iii) le rayonnement solaire intense causant un stress de température élevée ainsi qu'une exposition au rayonnement ultraviolet de type B (UV-B). Dans l'ensemble, mes résultats démontrent que peu importe le traitement de stress, la performance des pucerons est affectée d'une manière ou d'une autre, avec un impact sur divers indices de fitness. Mes résultats ont confirmé que M. euphorbiae était très affecté (croissance, reproduction, survie) par le stress hydrique de sa plante hôte. Cependant, il est intéressant d'observer qu'aucune baisse de performance n'a été détectée même lorsque sa plante hôte était substantiellement défoliée par le doryphore, ce qui suggère qu'il s'adapte facilement à ce type de stress. Quant aux stress consécutifs à l'attaque par des endoparasitoïdes, mes résultats ont confirmé que M. euphorbiae était très résistant à Aphidius ervi (généralement associé à des pucerons sur légumineuses); par contre, il était très susceptible à A. nigripes (spécialiste des pucerons associés à la pomme de terre). En ce qui concerne la troisième étude, l'effet d'un stress thermique fluctuant journalièrement affecte aussi fortement le comportement, la croissance, le développement et la fécondité de M. euphorbiae, à l'inverse des rayonnements UV-B, auxquels cet insecte réagit moins. L'étude du protéome du puceron soumis à ces stress divers a permis l'analyse quantitative simultanée d'un grand nombre de protéines et ce sans a priori quant au choix de protéines modèles particulières. Les patrons d'expression et de répression observés différaient en fonction du stress exercé sur le puceron. Certains groupes de protéines modulées sous des stress particuliers révèlent des stratégies de réponse spécifiques aux différents stress. À l'inverse, d'autres groupes montraient une réponse plus générale face aux différents stress. De plus, plusieurs protéines modulées sont probablement des protéines de bactéries symbiotiques qui semblent jouer un rôle important dans la réponse métabolique du puceron suite aux stress. Cette étude est l'une des premières à aborder les effets du stress environnemental sur les insectes phytophages par une approche protéomique. Elle illustre clairement aussi le potentiel des outils de la protéomique pour contribuer à identifier les gènes codant pour ces protéines chez les pucerons, un groupe important dont le génome n'a pas encore été complètement séquence.

La symbiose entre Anthyllis vulneraria et Mesorhizobium metallidurans, mise en évidence dans l'ancienne mine Zn/Pb des Avinières à St Laurent-le-Minier (Gard) permet une entrée d'azote dans les sols grâce à la fixation biologique qui favorise l'installation d'une végétation pérenne d'intérêt pour limiter la pollution métallique via l'érosion éolienne et hydrique. M. metallidurans ayant la particularité de résister à de fortes concentrations en Zn et Cd, la recherche des gènes d'adaptation aux métaux lourds a été mise en œuvre pour mieux connaitre cette bactérie impliquée dans des opérations de phytostabilisation, par des approches de génétique moléculaire et de transcriptomie (RNAseq). Les gènes codant pour des systèmes de séquestration, d'exclusion, de réduction et d'efflux des métaux lourds, dont cadA1, codant pour une PIB-ATPase exportant Cd/Zn ont été identifiés chez deux souches métallicoles associées à Anthyllis ; M. metallidurans STM 2683T (mine des Avinières) et Mesorhizobium sp. STM 4661 (mine d'Eylie). Une étude fonctionnelle de cadA1 a permis de caractériser son rôle dans la résistance aux métaux lourds chez M. metallidurans. Ce gène a ensuite été testé comme marqueur de résistance pour étudier la diversité et la répartition des symbiotes d'Anthyllis sur des sites miniers et non pollués. Pour cela ce travail a été complété par des analyses phénotypiques de tolérance au Zn et Cd et des analyses phylogénétiques basées sur des marqueurs taxonomiques et symbiotiques. La contrainte métallique exercée par les environnements miniers semble influencer la composition et la diversité bactérienne avec une plus forte proportion (i) de phénotype métallicole lié à la présence du gène cadA1 et (ii) de rhizobia appartenant à M. metallidurans ou à une espèce très proche. La plante hôte semble quant à elle influencer la diversité symbiotique des rhizobia, indépendamment de la contrainte métallique. / Efficient nitrogen-fixing symbiosis between Anthyllis vulneraria and Mesorhizobium metallidurans, identified in the highly Zn/Pb polluted mining site of Avinières (St Laurent-le-Minier, Gard county, France) has recently been described as a potential key bioremediation agent for stimulating the growth of a sustainable plant cover and thus limit heavy metal dispersion from contaminated sites. M. metallidurans strains were shown to be resistant to high Zn and Cd concentrations. The aim of our work was to identify and characterize genes involved in heavy metal adaptation in M. metallidurans by using genetic and transcriptomic approaches (RNAseq technology). Putative genes involved in heavy metal adaptation mechanisms such as exclusion, binding, reduction and efflux, like cadA1, encoding an efflux system PIB-type ATPase involved in Zn and Cd export, were identified in two Mesorhizobium strains associated with Anthyllis: M. metallidurans STM 2683T (Avinières mine) and Mesorhizobium sp. STM 4661 (Eylie mine). Functional studies allowed us to characterize the cadA1 efflux protein as involved in metal tolerance in M. metallidurans. Then, cadA1 was used as a metal-resistance marker to study the diversity and the distribution of Anthyllis symbionts from mine soils and unpolluted soils. This work was completed by Zn- and Cd-tolerance phenotype assays and phylogenetic analyses using taxonomical and symbiotic markers. Metals in mine environments seemed to influence the bacterial composition and the diversity with a high proportion of (i) metal-tolerant phenotypes consistent with the detection of the cadA1 gene and (ii) strains belonging to the M. metallidurans species or to a bacterial species close to it. The plant-hosts seemed to impact symbiotic diversity independently of the metal-tolerant property.

La métabonomique est une approche de choix pour l’identification de biomarqueurs d’intérêts pour le diagnostic de pathologies mais aussi pour l’amélioration de notre compréhension des processus physiopathologiques. La métabonomique offre de nouvelles perspectives en épidémiologie moléculaire, objet principale de cette thèse. Nous avons appliqué l’approche métabonomique par RMN à haut champ à l’analyse de sérums sanguins issus de la cohorte prospective EPIC (European Prospective Investigation into Cancer and nutrition) dans le but d’identifier des biomarqueurs de la survenue du cancer du foie et du cancer du pancréas. L’analyse statistique des profiles métaboliques des sérums obtenus par RMN à 800MHz a permis de mettre en évidence une signature métabolique associée à l’occurrence des hépatocarcinomes (HCC) à cinq ans avant diagnostic en moyenne. L’analyse stratifiée des données a révélé des biomarqueurs précoces mais aussi des biomarqueurs de l’étiologie des HCC. L’analyse métabonomique portée sur le cancer du pancréas n’a à l’inverse pas été concluante. Des méthodes pertinentes pour l’analyse des cohortes épidémiologiques par métabonomique ont été développées, telle qu’une méthode de correction d’effet batch rendant possible la comparaison de données RMN acquises au cours d’une longue période de temps. La méthode statistique PCPR2 développée permet de quantifier l’impact de différents facteurs sur les données métabonomique afin d’en révéler les sources de variations systématiques. D’autre part, l’approche métabonomique permet également l’investigation de questions biologiques plus fondamentales. Cette thèse offre une approche de génomique fonctionnelle à l’étude des cibles métaboliques du récepteur aux hormones thyroïdiennes TRβ dans le foie. L’analyse des données HR-MAS de tissus de foie intacts complémentée par l’analyse d’extraits hépatiques sur un modèle de souris a permis d’éclaircir le rôle de ce récepteur nucléaire. / Metabonomics is a recent approach that enables not only to identify relevant biomarkers for disease diagnosis but also to improve our understanding of biological processes by gaining insight into metabolism. This thesis is mainly dedicated to the application of metabonomics to molecular epidemiology. High-field NMR metabonomic approach was applied to the analysis of serum samples from the large prospective cohort EPIC (European Prospective Investigation into Cancer and nutrition) to identify biomarkers of liver cancer and pancreatic cancer occurrence. The statistical analysis of NMR serum metabolic profiles obtained at 800 MHz enabled to highlight a metabolic signature associated with the occurrence of hepatocellular carcinoma (HCC), in average five years before diagnosis. The stratified analysis revealed both early and etiologic biomarkers of HCC. The NMR metabonomic analysis of the pancreatic cancer did not reveal any metabolic signature of this cancer. Moreover, relevant methods to allow the NMR metabonomic analysis of epidemiological cohort were developed. This thesis proposes a method to correct data for batch effect, making possible the comparison of NMR data recorded in a long period of time. The statistical method PC-PR2 developed enables the quantification of the contribution of different factors onto metabonomic data to reveal systematic variation sources. In addition, the metabonomic approach is also suitable to address specific biological questions by providing a new read-out of the metabolism. Functional genomics by NMR metabonomics was used in this thesis to study the metabolic targets of the thyroid hormone nuclear receptor TRβ in the liver. The analysis of HR-MAS data obtained on intact liver tissue in addition to the analysis of NMR data of liver extracts from a mice model enabled to better understand the role of this nuclear receptor.