Chez les mammifères, les Eucaryotes représentent une composante importante des micro-organismes peuplant le tractus digestif. Au total, 16 champignons et 2 autres micro-eucaryotes ont été identifiés dans l’échantillon provenant de la personne saine. Par contre, peu d’espèces fongiques ont été identifiées via l’échantillon provenant du patient atteint de tuberculose.D'autre part, la diversité des eucaryotes qui peuplent les primates non humains tels que les grands singes demeure relativement inexploré .Pour ces raisons, nous avons entrepris une analyse moléculaire dans le but de détecter ces micro-organismes eucaryotes, dont certains demeurent pathogènes pour l’homme, en utilisant un seul échantillon fécal prélevé chez un gorille sauvage en provenance de l’ouest du Caméroun. Ces analyses ont été suivies d’une détection moléculaire spécifique du potentiel pathogène de ces eucaryotes du tractus gastro-intestinal des gorilles sauvages. En conséquence, ils ont permis d’identifier 87 espèces eucaryotes. Nous avons également signalé la présence de champignons pathogènes, et de parasites. Afin d’examiner d’une manière plus approfondie si ces gorilles abritaient d’autres parasites, nous avons analysé 91 échantillons fécaux à la recherche d’agents pathogènes comme la leishmaniose. Les résultats ont montré que 12 échantillons contenaient des parasites du genre Leishmania et 4 phlébotomes comme vecteurs. L’analyse moléculaire a été effectuée par enchaînement de 3 différentes réactions de polymérase en chaine (PCR) spécifiques aux agents de la leishmaniose. / Eukaryotes represent significant component of the mammalian intestinal tract. Their occurrence might have either beneficial or virulent parasitic effects on the host.A total of 16 fungal species and 2 other micro-eukaryotes were identified in healthy fecal sample. Contrary, a very few fungi were detected in the fecal sample from patient with resistant tuberculosis. On another hand , The diversity of eukaryotes inhabiting non-human primates such as great apes remains relatively unexplored .For these reasons we undertook an extensive molecular analysis for detecting eukaryotic microbiota including some human eukaryotic pathogens in a single fecal sample from a wild western lowland gorilla from Cameroon, and then followed by specific molecular detection of potential human eukaryotic pathogen in gastrointestinal tracts of wild population of gorillas. Our effort resulted in retrieving 87 eukaryotic species. We also reported the occurrence of pathogenic fungi, parasites. To further examine whether these gorillas harbor other sever parasites, we screened 91 of their fecal samples for the presence of blood borne pathogen such as Leishmania. The results showed that, 12 fecal samples contained Leishmania parasites, and 4 contained phlebotomine sand fly vectors. The molecular identity was determined by running 3 different polymerase chain reaction tests for detection of Leishmania major.

Les zoonoses constituent plus des deux tiers des pathologies virales qui concernent l’homme. Le développement et la démocratisation des outils de métagénomique en font de bons outils d’inventaire et de surveillance de virus potentiellement émergents.Dans un premier temps j’ai développé et validé un protocole expérimental de purification des viromes à ARN qui permettait le maintien de l’infectivité des particules virales. Ce protocole a ensuite été appliqué pour caractériser les communautés virales d’arthropodes hématophages et de prélèvements de faune sauvage. J’ai par la suite réalisé l’inventaire des communautés virales de viande de singe fumée illégalement importée en France et confisquée par les douanes, qui a révélé la présence de nombreux bactériophages, dont certains pourraient infecter des bactéries potentiellement pathogènes pour l’homme.Enfin j’ai caractérisé les communautés virales de culicoïdes collectés au Sénégal, ce qui a permis de mettre en évidence la présence de nombreux virus géants à ADN infectant les amibes. Le séquençage des viromes à ARN a quant à lui révélé la présence d'un certain nombre d'arbovirus qui pourraient constituer un risque d’émergence pour la santé humaine. Du fait de nombreux facteurs intrinsèques et extérieurs à l’agent infectieux, la prédiction des futures émergences de virus zoonotiques est très compliquée voire utopique, mais elle reste un challenge crucial et d’actualité. La stratégie de réalisation d’inventaires des communautés virales présentes dans les différents acteurs des cycles de transmission zoonotique est un premier pas indispensable dans la connaissance des risques potentiels d’émergence en population humaine. / Zoonoses are responsible of more than two thirds of human viral infections. The development of high-throughput sequencing tools and their application in metagenomics allow inventorying the viral communities of various reservoirs in order to detect the emergence of viruses before their infection to humans. In this context, I characterized the viral communities of simian bushmeat illegally imported into France and of Culicoides biting midges, recognized vectors of several viruses of human and veterinary medicine importance. I have first developed a protocol for the purification of RNA viromes which allowed maintaining the infectivity of viral particles. This protocol was subsequently applied to characterize viral communities of bloodsucking arthropods and wildlife samples. In a second part I realized the inventory of viral communities of smoked simian bushmeat illegally imported into France and confiscated by the French customs. This study revealed the presence of a wide diversity of bacteriophages, in which some of them could infect bacteria potentially pathogenic for humans.Finally I characterized the viral communities of Culicoides biting midges collected in Senegal, which revealed the presence of sequences related to several giant DNA viruses infecting amoeba. Sequencing of the RNA virome revealed the presence of several arboviruses that could constitute a risk of emergence of zoonoses for humans.The prediction of future emerging zoonotic viruses is very difficult, if not impossible. However the characterization of viral communities present in the different actors of zoonotic transmission cycle is a first step to evaluate potential risks of transmission to humans.

Au cours des dix dernières années, il a été observé une augmentation des maladies métaboliques (obésité, diabète de type 2…) avec des conséquences dramatiques en santé humaine. Un intérêt scientifique a émergé pour mieux comprendre comment les bactéries lactiques (BLs) régulent la l’équilibre énergétique de leur hôte. PPAR- (peroxisome proliferator activated receptor ), un récepteur nucléaire, et FIAF (fasting – induced adipose factor) une adipokine apparaissent comme deux régulateurs centraux dans l’homéostasie énergétique. Dans cette étude, nous avons examiné les mécanismes de régulation de Fiaf par les BLs. Nous avons identifié une souche L.rhamnosus CNCMI–4317 induisant l’expression de Fiaf dans la cellule épithéliale intestinale. Nous avons déterminé que cet effet était probablement du à une protéine de surface agissant de façon indépendante de PPAR-. Nous avons confirmé cet effet dans un model in vivo. De plus, nous avons réalisé une transcription du génome complet des cellules HT-29 en contact avec la bactérie confirmant une régulation de Fiaf et suggérant une régulation supplémentaire dans le métabolisme des lipides.Nous avons caractérisé un model HT-29 PPAR- rapporteur à la luciférase. Nous avons appliqué une approche de métagénomique fonctionnelle développée au sein de l’équipe pour cribler des banques génomiques de bactéries lactiques (BLs). Nous n’avons pas réussi à identifier des clones d’intérêt parmi les banques testées. Nous avons également développé une méthode de criblage des BLs sur le modèle HT-29 PPAR-mais après avoir caractériser l'effet bactérien, nous n’avons pas pu confirmer celui-ci par une approche classique de RT-qPCR. Nous avons donc émis l’hypothèse que l’effet observé était un effet direct sur le signal luciférase.Ce travail contribue à une meilleure compréhension des mécanismes de régulation du métabolisme de l’hôte par les bactéries. / Over the last decades, an increase of metabolic diseases (obesity, type-2 diabetes…) has been observed with dramatic consequences on human health. Scientific interest has extended for a better understanding of lactic acid bacteria (LAB) regulation of host energy balance. PPAR- (peroxisome proliferator activated receptor ), a nuclear receptor, and FIAF (fasting – induced adipose factor), a secreted adipokine, appear as two major regulators of energy homeostasis.In this study we examined the mechanisms of Fiaf regulation by LAB. We identified a lactobacillus rhamnosus (L.rhamnosus) CNCMI-4317 strain up-regulating Fiaf expression in intestinal epithelial cells (HT-29). We determined that the effect was probably due to a surface exposed protein acting in a PPAR- independent manner. We confirmed this regulation in an in vivo model. Furthermore, we performed a whole genome transcription (of HT-29 in contact with bacteria) confirming the Fiaf regulation and suggesting an additional lipids metabolism regulation. We characterized a HT-29 PPAR- luciferase reporter model. We applied functional metagenomic approach developed inside the team to screen bacteria genomic libraries. We failed to identify clones of interest among tested libraries. We also performed a screening of LABs on PPAR- luciferase reporter model but after characterization of bacterial effect we failed to confirm it using another approach based on RT-qPCR and speculated that it was a direct effect on luciferase activity. This work contributed to a better knowledge of host metabolism regulation by bacteria.

Les virus sont les entités biologiques les plus abondantes et diversifiées sur Terre et leur diversité est encore très peu connue. Récemment, la métagénomique virale a facilité l'exploration de cette diversité. Néanmoins, la plupart des viromes environnementaux générés à ce jour proviennent de régions tempérées et la plupart des viromes humains proviennent d’échantillons de selles, sang ou de prélèvements oro-naso-pharyngés. L'objectif de mon travail de thèse était d’apporter de nouvelles connaissances sur les communautés virales d’environnements et d’échantillons humains les moins étudiés en utilisant une approche de métagénomique virale.La première partie de cette thèse est une revue des principaux outils d'analyse des métagénomes viraux. La deuxième partie présente la première étude de métagénomique virale dans le désert du Sahara. Dans la troisième partie de ma thèse, je présente de viromes associés a l'Homme: i) le premier métagénome viral issu d'un coprolithe humain du Moyen Âge; ii) la première étude de métagénomique virale sur de liquides péricardiques provenant de patients atteints d’une péricardite infectieuse d'origine inconnue; iii) une analyse fonctionnelle de métagénomes viraux précédemment publiés associés aux expectorations de patients atteints de mucoviscidose qui décrit les gènes de résistance aux antibiotiques portés par les bactériophages dans ces patients.Ce travail présente ainsi des données inédites sur certaines communautés virales peu étudiées et confirme le potentiel de la métagénomique virale pour étudier la diversité virale, révéler la présence de virus inattendus ou inconnus et comprendre leur rôle dans leur écosystème d’origine. / Viruses are the most abundant and diverse organisms but little is known about their diversity. Recently, viral metagenomics has allowed performing broad unselective exploration of uncultivated viral communities, bypassing the limits of classical viral detection tools. However, most viral metagenomes are generated from temperate regions (for environmental studies) or from modern stool samples, sera/blood and naso-/oro- pharyngeal samples (for human-associated studies). Therefore, the purpose of my thesis is to study viral communities in the least investigated environments or human samples, using viral metagenomics.The first part of my thesis is a review of the main computational tools for the analysis of viral metagenomes. The second part of my thesis presents the first viromes generated from the Sahara desert. In the third part, I investigate human-associated viral communities: i) the first virome from a human coprolite; ii) the first viromes generated from human pericardial fluids, in idiopathic pericarditis cases; ii) a functional-level investigation of previously described viral metagenomes from cystic fibrosis patient sputa that focuses on antimicrobial resistance genes carried by bacteriophages to better understand the emergence of multidrug-resistance bacteria in the airways of cystic fibrosis patients.This thesis work provides original data on unexplored viral communities and shows the potential of viral metagenomics to give insights on viral diversity, reveal the presence of expected and unexpected viruses and decipher their role in the ecosystem.

Les progrès technologiques des vingt dernières années ont permis l’avènement d'une biologie à haut-débit reposant sur l'obtention de données à grande échelle de façon automatique. Les statisticiens ont un rôle important à jouer dans la modélisation et l'analyse de ces données nombreuses, bruitées, parfois hétérogènes et recueillies à différentes échelles. Ce rôle peut être de plusieurs natures. Le statisticien peut proposer de nouveaux concepts ou méthodes inspirées par les questions posées par cette biologie. Il peut proposer une modélisation fine des phénomènes observés à l'aide de ces technologies. Et lorsque des méthodes existent et nécessitent seulement une adaptation, le rôle du statisticien peut être celui d'un expert, qui connaît les méthodes, leurs limites et avantages. Le travail présenté dans cette thèse se situe à l'interface entre mathématiques appliquées et biologie, et relève plutôt des deuxième et troisième type de rôles mentionnés.Dans une première partie, j’introduis différentes méthodes développées pour l'analyse de données biologiques à haut débit, basées sur des modèles à variables latentes. Ces modèles permettent d'expliquer un phénomène observé à l'aide de variables cachées. Le modèle à variables latentes le plus simple est le modèle de mélange. Les deux premières méthodes présentées en sont des exemples: la première dans un contexte de tests multiples et la deuxième dans le cadre de la définition d'un seuil d'hybridation pour des données issues de puces à ADN. Je présente également un modèle de chaînes de Markov cachées couplées pour la détection de variations du nombre de copies en génomique prenant en compte de la dépendance entre les individus, due par exemple à une proximité génétique. Pour ce modèle, nous proposons une inférence approchée fondée sur une approximation variationnelle, l'inférence exacte ne pouvant pas être envisagée dès lors que le nombre d'individus augmente. Nous définissons également un modèle à blocs latents modélisant une structure sous-jacente par bloc de lignes et colonnes adaptées à des données de comptage issue de l'écologie microbienne. Les données issues de méta-codebarres ou de métagénomique correspondent à l'abondance de chaque unité d'intérêt (par exemple micro-organisme) d'une communauté microbienne au sein d'environnement (rhizosphère de plante, tube digestif humain, océan par exemple). Ces données ont la particularité de présenter une dispersion plus forte qu'attendue sous les modèles les plus classiques (on parle de sur-dispersion). La classification croisée est une façon d'étudier les interactions entre la structure des communautés microbiennes et les échantillons biologiques dont elles sont issues. Nous avons proposé de modéliser ce phénomène à l'aide d'une distribution Poisson-Gamma et développé une autre approximation variationnelle pour ce modèle particulier ainsi qu'un critère de sélection de modèle. La flexibilité et la performance du modèle sont illustrées sur trois jeux de données réelles.Une deuxième partie est consacrée à des travaux dédiés à l'analyse de données de transcriptomique issues des technologies de puce à ADN et de séquençage de l’ARN. La première section concerne la normalisation des données (détection et correction de biais techniques) et présente deux nouvelles méthodes que j’ai proposées avec mes co-auteurs et une comparaison de méthodes à laquelle j’ai contribuée. La deuxième section dédiée à la planification expérimentale présente une méthode pour analyser les dispositifs dit en dye-switch.Dans une dernière partie, je montre à travers deux exemples de collaboration, issues respectivement d'une analyse de gènes différentiellement exprimés à partir de données issues de puces à ADN, et d'une analyse du traductome chez l'oursin à partir de données de séquençage de l'ARN, la façon dont les compétences statistiques sont mobilisées et la plus-value apportée par les statistiques aux projets de génomique. / The technological progress of the last twenty years allowed the emergence of an high-throuput biology basing on large-scale data obtained in a automatic way. The statisticians have an important role to be played in the modelling and the analysis of these numerous, noisy, sometimes heterogeneous and collected at various scales. This role can be from several nature. The statistician can propose new concepts, or new methods inspired by questions asked by this biology. He can propose a fine modelling of the phenomena observed by means of these technologies. And when methods exist and require only an adaptation, the role of the statistician can be the one of an expert, who knows the methods, their limits and the advantages.In a first part, I introduce different methods developed with my co-authors for the analysis of high-throughput biological data, based on latent variables models. These models make it possible to explain a observed phenomenon using hidden or latent variables. The simplest latent variable model is the mixture model. The first two presented methods constitutes two examples: the first in a context of multiple tests and the second in the framework of the definition of a hybridization threshold for data derived from microarrays. I also present a model of coupled hidden Markov chains for the detection of variations in the number of copies in genomics taking into account the dependence between individuals, due for example to a genetic proximity. For this model we propose an approximate inference based on a variational approximation, the exact inference not being able to be considered as the number of individuals increases. We also define a latent-block model modeling an underlying structure per block of rows and columns adapted to count data from microbial ecology. Metabarcoding and metagenomic data correspond to the abundance of each microorganism in a microbial community within the environment (plant rhizosphere, human digestive tract, ocean, for example). These data have the particularity of presenting a dispersion stronger than expected under the most conventional models (we speak of over-dispersion). Biclustering is a way to study the interactions between the structure of microbial communities and the biological samples from which they are derived. We proposed to model this phenomenon using a Poisson-Gamma distribution and developed another variational approximation for this particular latent block model as well as a model selection criterion. The model's flexibility and performance are illustrated on three real datasets.A second part is devoted to work dedicated to the analysis of transcriptomic data derived from DNA microarrays and RNA sequencing. The first section is devoted to the normalization of data (detection and correction of technical biases) and presents two new methods that I proposed with my co-authors and a comparison of methods to which I contributed. The second section devoted to experimental design presents a method for analyzing so-called dye-switch design.In the last part, I present two examples of collaboration, derived respectively from an analysis of genes differentially expressed from microrrays data, and an analysis of translatome in sea urchins from RNA-sequencing data, how statistical skills are mobilized, and the added value that statistics bring to genomics projects.

La fermentation des fibres alimentaires est l’une des fonctions majeures du microbiote intestinal humain. Les bactéries fibrolytiques synthétisent un grand nombre d’enzymes, appelées Glycoside Hydrolases (GH), indispensables à la déconstruction de la grande variété structurelle des polysaccharides pariétaux que nous ingérons. Au cours de ce travail, nous avons exploré, grâce à une approche de métagénomique fonctionnelle, l’organisation et les propriétés des systèmes enzymatiques bactériens impliqués dans la dégradation des glycanes de parois végétales dans l’intestin humain.En premier lieu, nous avons cherché à déterminer si les bactéries de la muqueuse iléale étaient capables de dégrader les fibres pariétales dans un contexte sain. Cette fonction étant généralement décrite pour le microbiote colique par extrapolation de travaux menés à partir de selles humaines, nos connaissances de la dégradation des fibres dans la partie haute du tractus digestif sont donc très limitées. Un total de 20 000 clones issus du métagénome bactérien d’une partie saine de la muqueuse iléale d’un individu a été criblé pour des activités de dégradation de la carboxymethylcellulose et du xylane, deux substrats modèles des polysaccharides pariétaux. Douze clones métagénomiques positifs nous ont permis de mettre en évidence un arsenal de gènes bactériens codant pour des GH et d’autres protéines impliquées dans le métabolisme des fibres alimentaires dont certains organisés en PUL (Polysaccharide Utilization Loci), des clusters de gènes spécialisés dans la dégradation des polysaccharides complexes. Ces gènes proviennent de chromosomes bactériens assignés au genre Bacteroides ou à des espèces de Clostridiales, et codent pour des enzymes capables de dégrader également des β-glucanes à liaisons mixtes. L’étude de la prévalence de ces gènes dans les métagénomes de référence indique que plusieurs d’entre eux proviendraient de souches bactériennes plutôt spécifiques de la muqueuse iléale. De plus, certaines enzymes présentent des propriétés inédites potentiellement intéressantes dans le domaine biotechnologique. Nos recherches ont donc permis de revisiter la fonction fibrolytique du microbiote intestinal chez l’Homme et de proposer une localisation de cette fonction dès l’intestin grêle.Dans un second temps, en utilisant une approche méthodologique similaire, nous avons étudié la capacité du microbiote fécal d’un individu obèse à dégrader des polysaccharides pariétaux complexes, en général moins consommés par les individus obèses. Au total, nous avons identifié 50 clones appartenant à 14 espèces bactériennes des phyla suivants : Bacteroidetes, Firmicutes et Actinobacteria. Les inserts métagénomiques portent des gènes codant pour différentes familles de GH, impliquées dans la dégradation des polysaccharides d’intérêt. Les premières analyses de la prévalence de ces gènes chez plus d’une centaine d’individus (obèses ou non), par interrogations des catalogues de gènes microbiens de référence, suggèrent des associations avec le statut phénotypique « obèse ». / Among the crucial functions of the intestinal microbiota, extracting energy from food such as dietary fibres is of major importance. Facing the huge diversity of incoming complex carbohydrates, the fibrolytic bacteria synthesize a set of diversified Carbohydrate-Active Enzymes (CAZymes) including Glycoside Hydrolases (GH) that specifically disrupt complex polysaccharides. Here, using functional metagenomic approaches, we explored the organization and properties of bacterial enzymatic systems involved in the breakdown of plant cell wall (PCW) glycans in the intestinal tract.Firstly, we investigated the capacity of the microbiota associated to the human ileum mucosa to degrade complex non-starch polysaccharides in a healthy context. This function has never been investigated in this part of the intestine, but it has been rather associated to microorganisms inhabiting the colon, due to more accessible fecal samples. Using a fosmid library derived from a healthy part of the human ileal mucosa, we screened 20,000 metagenomic clones for their activities against carboxymethylcellulose and xylan chosen as models of the major PCW polysaccharides from dietary fibres. Twelve positive clones revealed a broad range of CAZyme encoding genes from Bacteroides to Clostridiales species, as well as Polysaccharide Utilization Loci (PUL). Functional GH genes were identified and break-down products examined from different polysaccharides including mixed-linkage β-glucans. Revealed CAZymes and PUL were also examined for their prevalence in human gut microbiomes. Part of them belongs to unidentified strains rather specifically established in the ileum. Others were enzymes unclassified in identified GH families or with original properties addressing novel candidates for biotechnological applications. Thus, we evidenced for the first time that the ileal mucosa associated-microbiota encompasses the enzymatic potential for PCW complex polysaccharide degradation that might start in the small intestine.In a second time, by using the same methodology, we harvested the enzymatic capacities of the fecal microbiota from an obese person to disrupt complex polysaccharides from dietary fibres usually consumed in lower quantity in obese people. This study aimed at examining the links between genes encoding enzymes specifically dedicated to PCW complex carbohydrates and the obese phenotypic status using reference microbial gene catalogs. We screened a fecal metagenomic library from an obese individual on representative PCW substrates and identified 50 clones belonging to 14 different species from the Bacteroidetes, Firmicutes and Actinobacteria phyla. The metagenomic inserts harbor genes encoding enzymes from GH families specific from complex carbohydrate degradation. First querying of the prevalence of these genes in hundreds individuals (obese and control), using catalogs of reference microbial genes, suggest associations with the "obese" phenotypic status.

Les tapis microbiens sont des communautés benthiques, calcifiées (i.e. microbialites) ou non, diverses à la fois phylogénétiquement et métaboliquement. Les tapis microbiens fossiles constituent les plus anciennes traces de vie sur Terre et leurs représentants modernes peuvent donc être utilisés pour comprendre le fonctionnement de ces écosystèmes anciens. J'ai étudié les communautés microbiennes (archées, bactéries et eucaryotes) de plusieurs microbialites (lac Alchichica, Mexique) et tapis microbiens (dans une mare du salar de Llamara, Chili) afin de caractériser finement leur structure phylogénétique et d'améliorer notre compréhension de leur fonctionnement. J'ai pour cela utilisé une approche combinant des outils moléculaires (métabarcoding, métagénomique) à des données environnementales (paramètres physico-chimiques de la colonne d'eau ou composition minérale des microbialites). Mon travail de thèse a permis d'affiner le modèle de formation des microbialites d'Alchichica, en montrant notamment que, en plus de la photosynthèse oxygénique cyanobactérienne, le potentiel à précipiter des carbonates de la photosynthèse eucaryote et, surtout, de la photosynthèse anoxygénique est important. Les communautés des tapis de Llamara étaient quant à elles caractérisées par la présence de nombreuses lignées d'archées et de bactéries très divergentes, dont certaines ont été identifiées pour la première fois dans ce travail. Nos analyses ont aussi souligné la diversité des organismes impliqués dans les cycles du soufre et de l'azote au sein de ces systèmes et permis d'identifier de potentielles interactions biotiques entre des lignées procaryotes dont l'écologie est peu connue. Enfin, nous avons mis en évidence que les paramètres environnementaux influencent fortement la composition des communautés associées à ces microbialites et à ces tapis microbiens. L'ensemble de ces résultats permet de mieux comprendre le fonctionnement de ces systèmes ainsi que les facteurs qui influencent leur structure phylogénétique et fonctionnelle. / Microbial mats are phylogenetically and functionally diverse benthic microbial communities, which can be sometimes calcified (i.e. microbialites). Fossil microbial mats constitute the oldest traces of life on Earth and their modern representatives are thus used as analogues of those primordial ecosystems to gain insights into their functioning. I have studied the microbial communities (archaea, bacteria and eukaryotes) of several microbialites (lake Alchichica, Mexico) and microbial mats (in a small pond in the salar de Llamara, Chile). The main objectives of my PhD were to finely characterize their phylogenetic structure and to improve our understanding of the functioning of these complex ecosystems. To do so, I have applied a multi-disciplinary approach combining molecular approaches (metabarcoding, metagenomics) to environmental data (physico-chemical parameters of the water column or mineral composition of the microbialites).The results presented in this thesis allowed refining our model of microbialite formation in Lake Alchichica. We showed that, in addition to cyanobacterial photosynthesis, both eukaryotic and, particularly, anoxygenic photosyntheses were potentially important to promote carbonate precipitation. Llamara mat communities were characterised by the presence of numerous novel archaeal and bacterial lineages, some of which were identified for the first time in this work. Our analyses have also highlighted the diversity of organisms involved in both sulphur and nitrogen cycles in these mats and identified potential biotic interactions between poorly known prokaryotic lineages. Finally, we showed that the composition of the microbial communities associated to these microbialites and microbial mats was strongly influenced by environmental parameters. Overall, these results represent a substantial contribution to our understanding of the ecology of these systems as well as of the factors that influence their phylogenetic and functional structures.

Les picocyanobactéries marines Prochlorococcus et Synechococcus sont les organismes photosynthétiques les plus abondants sur la planète et sont présentes dans presque tous les océans. Au cours de cette thèse, j'ai cherché à mieux comprendre les liens entre diversité génétique et adaptation à la niche écologique chez ces deux genres. Tout d'abord, l'étude de la répartition des populations de picocyanobactéries à l'échelle mondiale à l'aide d'un marqueur taxonomique très résolutif m'a permis de définir des unités taxonomiques écologiquement significatives, et d'identifier les principaux facteurs abiotiques influençant leur répartition. La deuxième partie de ce travail a visé à identifier les bases génétiques de l'adaptation des picocyanobactéries marines à des niches écologiques distinctes. L'étude comparative de 81 génomes non-redondants de ces organismes a révélé le rôle combiné des gains et pertes de gènes et des substitutions d'acides aminés dans la diversification des deux genres, et l'analyse de la répartition des gènes de picocyanobactéries marines dans l'océan mondial m'a permis de montrer que chaque communauté, adaptée à un environnement donné, possède un répertoire de gènes distinct. Enfin, le dernier volet de cette thèse a consisté en la caractérisation physiologique et transcriptomique de cinq souches de Synechococcus soumises à des stress lumineux et thermique afin d'analyser la variabilité écotypique de la réponse au stress. Les résultats obtenus au cours de cette thèse ont donc permis d'améliorer notre connaissance des niches écologiques occupées par les picocyanobactéries marines, et de mieux comprendre les mécanismes leur ayant permis de s'y adapter. / The marine picocyanobacteria Synechococcus and Prochlorococcus are the two most abundant photosynthetic organisms on earth and are present in almost all oceans. During this PhD thesis, I explored the links between genetic diversity and niche adaptation in these two genera. First, the analysis of the distribution of picocyanobacterial populations at the global scale using a high-resolution taxonomic marker allowed me to define ecologically significant taxonomic units, to improve the delineation of their ecological niches and to identify the main abiotic factors influencing their in situ distribution. The second part of this work aimed at identifying the genetic bases of adaptation of marine picocyanobacteria to distinct niches. The comparative analysis of 81 non-redundant genomes of these organisms revealed the combined role of gene gains and losses and of substitutions in protein sequences in the diversification of both genera, and the analysis of the distribution of all known picocyanobacterial genes in the global ocean allowed me to show that each community, adapted to specific environmental conditions, possesses a distinct gene repertoire. Finally, the last part of this work has consisted in the physiological and transcriptomic characterization of five Synechococcus strains, which were submitted to light and thermal stresses in order to better understand the ecotypic variability of the stress response in this genus. Altogether, results obtained during this PhD provided many new insights into the ecological niches occupied by marine picocyanobacteria and the mechanisms allowing them to adapt to these various niches.

Grâce aux avancées de la technologie et nouvelles stratégies OMICS, de nombreuses études se sont intéressées au microbiote vaginal ces dernières années. Elles ont révélé l'impact de ce dernier sur la santé de la femme. En effet, un déséquilibre de la flore vaginale la rend vulnérable, la prédisposant à la vaginose bactérienne ainsi qu’à des complications gynéco-obstétricales sévères. La pathogénèse de la vaginose reste encore méconnue et le traitement classique par antibiothérapie échoue dans plus de 50% des cas. En analysant 50 prélèvements vaginaux provenant de patientes atteintes de vaginose et de femmes saines vivant en France et au Sénégal, nous avons constaté une plus grande diversité bactérienne chez les patientes par rapport aux témoins avec l'augmentation d'espèces telles que Gardnerella vaginalis, Atopobium vaginae ainsi que les procaryotes sensibles à l'oxygène, y compris les Cocci anaérobies à Gram-positif et les Prevotella. Les femmes saines renfermaient plus d’espèces de Lactobacillaceae et de Proteobacteria dans leurs flores. La combinaison de la métagénomique et la culturomique a permis d’identifier un complexe de 11 espèces/genres bactériens associés à la vaginose. L’utilisation de la culturomique a permis d’accroître le répertoire des bactéries humaines avec l’isolement de 27 nouvelles espèces. Le faible taux de recouvrement entre les données de métagénomique et celles de culturomique montre la nécessité de persévérer dans l’isolement des bactéries par culturomique. L’obtention d'isolats permettra d'explorer in vitro les compétitions entre les bactéries et pourrait servir également de matière première pour développer un traitement par bactériothérapie / Over the last decades, thanks to the technologic progresses including advanced molecular techniques and new OMICS strategies, many studies have focused on the vaginal microbiota. Thus, revealing the impact of the vaginal flora on women health. Indeed, the disruption of the vaginal bacterial community makes it prone to bacterial vaginosis and severe obstetrical and gynecological disorders. The pathogenesis of bacterial vaginosis is still unknown, and relapses are very frequent. Conventional treatment with antibiotic therapy fails in more than 50% of cases. The analysis of 50 vaginal samples from bacterial vaginosis patients and healthy women living in France and Senegal, showed a higher bacterial diversity in patients compared to controls with the increase of species such as Gardnerella vaginalis, Atopobium vaginae as well as oxygen-sensitive prokaryotes including Gram-positive anaerobic cocci, and Prevotella spp. Healthy women harbored more Lactobacillaceae species and Proteobacteria in their microbiota. The combination of metagenomics and culturomics has allowed the identification of a complex of 11 bacterial species/genera associated with bacterial vaginosis. The use of the culturomics approach has extended the repertoire of human-associated bacteria, with the isolation of 27 new bacterial species. The low range overlap between metagenomic and culturomics data indicates the need to continue the isolation of bacteria by culturomics. Obtaining isolates will make it possible to explore in vitro the competitions between the bacteria but can also be used as primary material for the development new treatments by bacteriotherapy

Le compostage est un procédé anthropique basé sur le processus naturel de décomposition de la biomasse qui exploite l'activité enzymatique des microorganismes sous le contrôle de plusieurs facteurs environnementaux. Les résidus lignocellulosiques de par leur composition et leur faible pourcentage d'humidité sont particulièrement adaptés au compostage dans lequel ils jouent le rôle d’élément structurant. Bien que majoritairement d’origine végétale, la matière organique dirigée vers les sites de compostages est très diversifiée, tout comme les types de contaminants qu’elle peut incidemment contenir et dont l’impact sur les processus de biodégradation, et de surcroit leur rémanence dans l’environnement, reste largement à investiguer. L’objectif de cette thèse vise ainsi à faire état de l’effet de la composition de la biomasse lignocellulosique et de la présence d’un contaminant fréquent tel que le glyphosate sur le compostage. Pour ce faire, le suivi de la transformation de la matière organique végétale et de la dégradation du glyphosate, l’évolution des paramètres physicochimiques et la dynamique de recrutement des populations bactériennes ont été effectués tout au long du processus. Deux expériences menées sur le terrain visaient dans un premier temps à mesurer l’effet de l’âge d’une plante ligneuse, dans ce cas-ci le saule arbustif (Salix), et d’une période d’entreposage hivernal sur la transformation de la biomasse, et dans un deuxième temps à étudier les dynamiques de succession bactériennes impliquées dans le cycle du carbone et de l’azote lors du compostage de résidus végétaux. Les résultats obtenus ont révélé une différence dans la composition de la biomasse des tiges âgées de 2 ans et de 3 ans. Alors que les premiers contenaient plus de composés extractibles, les seconds étaient plus riches en sucres structuraux. Ces différences expliquent une hausse des températures plus forte et plus rapide dans le tas de copeaux de tiges plus jeunes. La diminution des composés extractibles, la conservation des sucres structuraux et l’augmentation de la proportion de lignine démontrent l’importance de la source de carbone soluble pour l’initiation de la décomposition du bois et la récalcitrance des éléments lignocellulosiques durant l’entreposage hivernal. La seconde expérience a mis en évidence une très grande diversité de bactéries responsables de la décomposition de la cellulose, des hémicelluloses et de la lignine durant la phase thermophile du compostage. Cette phase qui était le théâtre d’une activité intense comptait moins d’espèces, mais ces dernières étaient très abondantes, une tendance qui s’est inversée avec la maturation de la matière organique. La dynamique observée traduit une redondance fonctionnelle des communautés qui semblent évoluer selon la température, le taux d’oxygène et la nature du substrat disponible. Une troisième expérience menée en milieu contrôlé a ensuite démontré l’impact négligeable du glyphosate sur l’activité microbienne et l’évolution des paramètres physicochimiques lors du compostage. Le glyphosate était presque ou entièrement dégradé à l’issue du compostage et la présence du principal produit de dégradation, l’acide aminométhylphosphonique (AMPA) n’a d’ailleurs même pas pu être quantifiée durant l’expérience. L’impact du glyphosate sur les communautés bactériennes était également négligeable. Seules quelques bactéries étaient différentiellement abondantes entre les deux traitements, la grande majorité étant moins abondante dans le traitement contenant du glyphosate. La richesse en espèces aux différents temps d’échantillonnage était la même entre le traitement témoin et le traitement contenant du glyphosate « pur » et l’analyse de la bêta-diversité n’a relevé aucune différence significative entre les communautés présentes dans le traitement témoin et le traitement glyphosate. Cette thèse a ainsi fait valoir l’importance de la nature initiale de la matière organique sur l’activité microbienne, le recrutement et la dynamique des communautés durant le compostage, tandis que la présence du contaminant glyphosate s’est présenté comme un facteur beaucoup moins déterminant sur les processus de décomposition et l’abondance des espèces bactériennes. Ces informations devraient non seulement permettre d’optimiser le traitement de la matière organique par compostage, mais aussi de mieux évaluer les risques potentiels associés au compostage de biomasse contaminé. / Composting is an anthropic process based on the natural decay of biomass that exploits the enzymatic activity of microorganisms under the control of several environmental factors. Due to their composition and low moisture content, lignocellulosic residues are particularly suitable for composting and serve as a structuring element, which confers them an important role in the process. Although mostly of plant origin, the organic matter (OM) directed towards composting sites is highly diversified, as are the types of contaminants it can contain. The impact of these contaminants, such as glyphosate, on the biodegradation process and their persistence in the environment remain to be investigated. The objective of this thesis is thus to report on the effect of the composition of the lignocellulosic biomass and the presence of glyphosate on the evolution of the physicochemical parameters and the recruitment of bacteria during composting, while ensuring the follow-up of the transformation of the vegetable organic matter and the degradation of glyphosate during the process. Two field studies were conducted to measure the effect of stem age and winter storage on the transformation of wood chips, and to study the dynamics of bacterial succession involved in the carbon and nitrogen cycle during the composting of plant residues. The results obtained revealed a difference in the composition of 2-year-old and 3-year-old stems from shrub willow (Salix sp.), with the younger ones containing more extractable compounds and the more mature ones richer in structural sugars. These differences were reflected in a higher and faster temperature rise in the younger chip pile. A decrease in extractives, retention of structural sugars, and an increase in the proportion of lignin demonstrate the importance of the soluble carbon source for the initiation of wood decomposition and recalcitrance of lignocellulosic elements. The second experiment revealed a very high diversity of bacteria responsible for the decomposition of cellulose, hemicelluloses and lignin during the thermophilic phase of composting. This phase, during which intense activity took place, had fewer species, but they were very abundant, a trend that reversed as the organic matter matured. The observed dynamics reflect a functional redundancy of the communities, which seems to evolve according to the temperature, oxygen level and nature of the available substrate. A third experiment conducted in a controlled environment demonstrated the negligible impact of glyphosate on microbial activity and the evolution of physicochemical parameters during composting. Glyphosate was almost or completely degraded after composting, while the main product of degradation, aminoethylphosphonic acid (AMPA), was not detected. The impact of glyphosate on bacterial communities was also negligible, while species richness at different sampling times was the same when comparing the control treatment and the treatment containing "pure" glyphosate. The beta-diversity analysis found no significant difference between the communities present in the control and glyphosate treatments, while a few bacteria were differentially abundant between the two treatments, the vast majority being less abundant in the glyphosate treatment. This thesis has thus highlighted the importance of the initial nature of the organic matter on microbial activity as well as on the recruitment and dynamics of bacterial communities during composting, while the presence of glyphosate was shown to be a weak determinant of decomposition processes and species abundance. This information should help to optimize the treatment of organic matter by composting and to better assess the potential risks associated with composting contaminated biomass.