La symbiose Methylobacterium nodulans / Crotalaria podocarpa est une symbiose originale. En effet, la méthylotrophie, propriété remarquable de la bactérie, s'exprime à l'apex du nodule et modifie localement le métabolisme : une dégradation apicale marquée des tissus est observée suite à une digestion des parois végétales, libérant du méthanol directement utilisable par la bactérie. Grâce à ce métabolisme, le bactéroïde -de taille et de forme inhabituellement grandes- fournirait l'énergie nécessaire à l'activité de la nitrogénase, et permettrait à la plante d'accumuler des réserves carbonées sous forme d'amyloplastes dans les cellules infectées. Cette propriété méthylotrophique bactérienne apporte également à la plante-hôte un gain de biomasse (>40 % par rapport aux mutants non méthylotrophes). En revanche, à l'échelle de l'espèce, la crotalaire n'est pas avantagée, en termes de fixation d'azote, à s'associer avec M. nodulans ou avec Bradyrhizobium sp., autre genre bactérien décrit en symbiose avec ces plantes. L'originalité de cette association symbiotique se situe également au niveau du dialogue moléculaire : les gènes nod de M. nodulans sont insensibles aux isoflavones, flavonoïdes inducteurs des Bradyrhizobium, mais sont induits par les flavanones et les flavones. L'analyse phylogénétique des gènes nod révèle que M. nodulans forme une branche particulière avec Methylobacterium sp. 4-46 et Burkholderia tuberum STM678, isolées de nodules de Légumineuses appartenant à la tribu des Crotalariae. Au niveau du signal bactérien, une structure unique de facteur Nod a été caractérisée chez M. nodulans ORS2060T : MnV(C18:1, S). Enfin, si la symbiose fonctionnelle M. nodulans/ Crotalaria a été identifiée seulement chez trois espèces de ce genre, la capacité du partenaire bactérien à former des pseudonodules avec d'autres Crotalaria laisse entrevoir un rôle clé de plusieurs composés pendant le processus d'infection suggérant différents mécanismes moléculaires impliqués dans la spécificité d'hôte.

Le dichlorométhane (DCM ; CH2Cl2) est un polluant chloré toxique émis dans l’environnement principalement par les activités industrielles. Ce polluant peut être dégradé par des bactéries méthylotrophes qui utilisent des composés en C1 réduits comme seule source de carbone et d’énergie. La protéobactérie Methylorubrum extorquens DM4 porte quatre gènes dcm au sein du transposon catabolique dcm très conservé chez les bactéries dégradant le DCM. Le gène dcmA code la DCM déshalogénase de la famille des glutathion-S transférases essentielle à la croissance avec le DCM. Son activité est modulée par DcmR, un facteur de transcription qui régule l’expression de dcmA ainsi que son propre gène, orienté de manière divergente par rapport à dcmA. DcmR porte un domaine hélice-tour-hélice de fixation à l'ADN et un second domaine appelé methanogen / methylotroph, DcmR sensory (MEDS) potentiellement impliqué dans la fixation d’un composé hydrocarboné ligand. Les objectifs de ma thèse étaient de répondre à plusieurs questions : i) quel est le niveau d’expression des transcrits dcm et des protéines correspondantes par rapport à d’autres gènes et protéines dont l’abondance est modifiée en réponse à la croissance sur le DCM ? ii) Comment le facteur de transcription DcmR intervient-il dans la régulation des gènes dcm ? iii) Quelle est la variabilité du gène dcmR et de son environnement génétique in situ ? Des méthodes globales « -omiques » de transcriptomique et de protéomique ont permis d’inventorier les ARN et les protéines dont l’abondance varie chez la souche sauvage DM4 cultivée soit avec le DCM ou le méthanol, le substrat de référence de la méthylotrophie. Les gènes dcm sont parmi les plus exprimés en présence de DCM, ce qui confirme leur régulation en présence de DCM. Deux approches complémentaires ciblant la détermination des sites d’initiation de la transcription (TSS-Seq) et de la traduction (N-terminome) ont permis la recherche de motifs de régulation dans les régions 5’UTR (5’-untranslated terminal region) et les promoteurs de gènes régulés en réponse à la croissance avec le DCM. Le rôle régulateur de dcmR a été étudié en comparant les phénotypes de croissance, l’activité promotrice par fusion transcriptionnelle, la quantification des ARN et des protéines des gènes dcm chez la souche sauvage par rapport à des mutants du gène dcmR seul ou combiné à d’autres gènes dcm mutés. Ces travaux ont permis de confirmer qu’en absence de DCM, DcmR inhibe la transcription de son propre gène ainsi que celle de dcmA. Outre DcmR, la répression nécessite aussi l’expression d’au moins un des autres gènes dcm et ceci par un mécanisme indépendant des boîtes de 12 pb conservées dans les promoteurs des gènes dcmR et dcmA. Lors de la croissance en condition DCM, l’absence du gène dcmR confère une vitesse de croissance ralentie, qui ne résulte pas d’une différence de production des ARN et des protéines codées par le transposon dcm. Pour que l’expression du gène dcmA soit activée, l’ensemble de la région intergénique entre dcmR et dcmA doit être présente, ce qui suggère la présence de sites de régulation pour la fixation d’un facteur de transcription indépendant de DcmR. L’ensemble de ces résultats a permis de proposer un nouveau modèle de régulation des gènes dcm. Alors que le gène dcmR a été détecté en quantité similaire à celle du gène dcmA par qPCR dans des échantillons de sites contaminés par le DCM, une analyse bioinformatique à partir des données de séquences indique que des gènes dcmR-like sont trouvés dans d’autres contextes génétiques que celui du transposon catabolique dcm. Ainsi, DcmR pourrait exercer un rôle de régulateur dans d’autres contextes ouvrant de nouvelles pistes pour l’identification des ligands du domaine MEDS. / Dichloromethane (DCM; CH2Cl2) is a toxic chlorinated pollutant mainly emitted in the environment through industrial activities. Some methylotrophic bacteria that utilize reduced one carbon compounds as sole source of carbon and energy can degrade DCM. The four dcm genes found in the catabolic dcm transposon are highly conserved among DCM-degrading bacteria, including in the Proteobacterium Methylorubrum extorquens DM4. The dcmA gene encodes a DCM dehalogenase of the glutathione-S transferase family which is essential for growth with DCM. The transcriptional factor DcmR regulates the expression of dcmA and its own gene, two genes which are divergently oriented. DcmR consists of a helix-turn-helix domain for DNA fixation and of a domain, called MEDS for ‘methanogen / methylotroph, DcmR sensory’, proposed to bind a hydrocarbon ligand. The aim of my PhD was to address the following questions: i) What is the expression level of dcm transcripts and their corresponding proteins compared to other genes and proteins whose abundance is modulated in response to growth with DCM? ii) How does DcmR regulate the expression of the dcm genes? iii) How variable is dcmR and its genetic environment in situ? Global transcriptomic and proteomic approaches were followed to inventory transcripts and proteins whose abundance varied in the wild-type DM4 strain grown with DCM compared to with methanol, the reference substrate for methylotrophy. The dcm genes were among the most expressed in cultures grown with DCM, confirming their regulation in response to DCM. The identification of transcription start sites (TSS-Seq) and translation starts (N-terminome) allowed the subsequent search for regulation motifs in the promoter and 5’-untranslated terminal regions (5’UTR) of regulated genes in response to DCM utilization. The role of dcmR was studied using growth phenotypes, promoter activities in transcription fusion assays, dcm transcript and corresponding protein product quantification, comparing the wild-type strain with strains mutated only in dcmR, or also in other dcm genes. In absence of DCM, DcmR inhibited the transcription of its own gene and of dcmA. In addition to DcmR, repression requires the expression of one of the other dcm genes by a mechanism that does not involve previously predicted DcmR-binding sites (a 12 bp conserved box shared by dcmR and dcmA promoters). Mutants with impaired dcmR show slower growth with DCM, although no difference in transcript or protein abundance encoded by the dcm transposon was observed. The complete dcmR-dcmA intergenic region was shown to be required to activate dcmA expression. This suggests that regulatory sites present in the intergenic region may be involved in DcmR-independent transcription activation. Taken together, these data allowed to propose a new model of dcm gene regulation. The dcmR gene was detected and quantified in similar amounts as dcmA in DCM-contaminated environmental samples, despite the fact that bioinformatics analysis of sequence databases suggests that dcmR-like genes are not necessary associated with the catabolic dcm transposon. Thus, DcmR may play a role in other contexts. This may provide new leads for future investigations of potential ligands of the MEDS domain.

Le chlorométhane (CH3Cl) est un composé organique volatile responsable de plus de 15 % de la dégradation de l’ozone stratosphérique due aux composés chlorés. Il est produit majoritairement par les plantes vivantes ou en décomposition. Les bactéries capables d’utiliser le CH3Cl comme source de carbone pour leur croissance peuvent jouer un rôle de filtre dans les émissions de CH3Cl vers l'atmosphère. Ce processus biologique reste à quantifier dans l'environnement, notamment pour les sols forestiers considérés comme un puits majeur de ce composé.Dans les études environnementales, le gène cmu A est utilisé comme biomarqueur de la dégradation bactérienne du CH3Cl. Il code une chlorométhane méthyltransférase essentielle à la croissance bactérienne avec le CH3Cl parla voie cmu (pour chloromethane utilisation), la seule caractérisée à ce jour. Mon projet de thèse avait un double objectif : i) l’approfondissement des connaissances de l’adaptation au CH3Cl chez une bactérie méthylotrophe modèle, Methylobacterium extorquens CM4; ii) l’exploration de la diversité des bactéries CH3Cl-dégradantes de sols forestiers. L’étude RNAseq chez la souche CM4 a montré que la croissance avec le CH3Cl s'accompagne de différences dans la transcription de 137 gènes de son génome (6.2 Mb) par rapport à sa croissance sur le méthanol (CH3OH). Les gènes de la voie cmu, ainsi que d’autres gènes impliqués dans le métabolisme de cofacteurs essentiels à l’utilisation du CH3Cl par cette voie et eux aussi portés par le plasmide pCMU01 de la souche, en font partie. Les paralogues de ces gènes localisés sur le chromosome ne sont quant à eux pas différentiellement exprimés. En revanche, d’autres gènes du chromosome, potentiellement impliqués dans l’excrétion de protons produits lors de la déshalogénation (hppA), la régénération du NADP+ (pnt), ou le métabolisme du cofacteur tétrahydrofolate(gènes gcvPHT), le sont. L’étude de la diversité des bactéries CH3Cl-dégradantes de sol forestier de la réserve naturelle de Steigerwald (Allemagne) a été réalisée sur des microcosmes par une approche de « Stable Isotope Probing ». Les microorganismes capables d’assimiler le CH3Cl marqué au [13C] incorporent cet isotope lourd du carbone dans leur ADN. L'analyse des séquences amplifiées par PCR des gènes codant l’ARN 16S des fractions d'ADN enrichies en [13C] a permis de mettre en évidence de nouveaux phylotypes, du genre Methylovirgula et de l’ordre des Actinomycetales, distincts de ceux auxquelles les souches dégradant le CH3Cl isolées jusqu'ici sont affiliées. En revanche, les séquences du gène cmuA et d’autres gènes du métabolisme méthylotrophe obtenues par PCR à partir de l'ADN enrichi en [13C] sont très proches de celles des souches CH3Cl-dégradantes connues. Les résultats obtenus suggèrent ainsi que des bactéries ayant acquis par transfert horizontal les gènes de dégradation de la voie cmu ou ne possédant pas de gène cmuA contribuent au filtrage biologique du CH3Cl des sols forestiers. A l'avenir, le couplage de différentes méthodes moléculaires et des approches culturales visera à découvrir de nouvelles voies microbiennes de l’utilisation du CH3Cl, et à caractériser l’abondance et la diversité des métabolismes impliqués dans la dégradation du CH3Cl dans les sols et d'autres compartiments environnementaux. / Chloromethane (CH3Cl) is a volatile organic compound responsible for over 15% of stratospheric ozone degradation due to chlorinated compounds. It is mainly produced by living and decaying plants. Bacteria utilizing CH3Cl as sole carbon and energy source for growth were shown to be involved in the filtering of CH3Cl emissions to the atmosphere. This biological process remains to be quantified in the environment, especially for forest soil, a major CH3Cl sink. The cmuA gene is used as a biomarker of bacterial CH3Cl degradation in environmental studies. It encodes a CH3Cl methyltransferase essential for bacterial growth by the cmu (chloromethane utilization) pathway for growth with CH3Cl and the only one characterized so far. My thesis project had a double aim: i) In depth studies of CH3Cl adaptation of a model methylotrophic bacterium, Methylobacterium extorquens strain CM4; ii) Exploration of bacterial CH3Cl-utilizers in forest. An RNAseq study of strain CM4 has shown that growth with CH3Cl leads to a difference of transcription of 137 genes in its 6.2 Mb genome compared to growth with methanol (CH3OH). Among those, genes of the cmu pathway and other genes involved in the metabolism of essential cofactors for CH3Cl utilization by this pathway, are all plasmid pCMU01-encoded. Paralogous genes located on the chromosome were not differentially expressed. On the other hand, other chromosomal genes potentially involved in extruding protons generated during CH3Cl deshalogenation (hppA), NADP+ regeneration (pnt), or in the cofactor tetrahydrofolate metabolism (gcvPHT) were differentially expressed. The diversity of CH3Cl-degrading bacteria in forest soil of the German natural park of Steigerwald was studied in microcosms using stable isotope probing. Microorganisms able to assimilate labeled [13C]- CH3Cl incorporate this heavy carbon isotope in their DNA. Sequence analysis of the PCR-amplified 16S RNA encoding gene from [13C]-DNA fractions uncovered phylotypes of the genus Methylovirgula and of the order of the Actinomycetales, which were not associated with bacterial CH3Cl degradation so far. In contrast, PCR-amplified sequences of cmuA and other genes of methylotrophic metabolism were closely related to known CH3Cl-degrading isolates. These results suggest that bacteria containing genes of the cmu pathway acquired by horizontal gene transfer as well as bacteria lacking the cmu pathway contribute to biological filtering of CH3Cl in forest soil. Future experiments coupling molecular and culture methods will aim to discover new CH3Cl-degrading pathways and to characterize the abundance and diversity of CH3Cl-degradation metabolism in soil and other environmental compartments.