>Magister Scientiae - MSc / Aims DNA metabarcoding has recently emerged as a valuable supplementary tool to ensure food authenticity within the global food market. However, it is widely known that highly processed food samples are one of DNA metabarcoding’s greatest shortfalls due to high DNA degradation, presence of PCR inhibitors and the incomplete removal of several undesirable compounds (such as polysaccharides) that makes the amplification of desired DNA challenging. This project has two main aims, the first of which was to determine and develop a cost and time effective DNA metabarcoding system that could successfully describe to species level the ingredient composition of highly processed vegetarian food products. The DNA metabarcoding system was thoroughly evaluated and tested by combining well-researched primers with varying concentrations into a multiplex reaction. The combination of plant and animal primers selected that yielded the best results were used to determine the species composition in the samples. The second aim is to determine the possible presence of meat contaminants within the highly processed vegetarian food samples. Numerous studies have shown that food adulteration is a wide-spread phenomenon throughout the world due to the economic gains it can provide. Animal primers were introduced into the multiplex reaction to aid in the identification of any meat products that could have been inserted into the vegetarian products to lower the overall cost to company. Methodology Thirty-two highly processed vegetarian food samples were collected in the Cape Town area from local and franchised supermarkets. DNA was extracted using the Chloroform/Isoamyl alcohol method best suited for plant-based samples followed by amplification of the following mini-barcoding regions: the mitochondrial 16S ribosomal rRNA, cytochrome B, tRNALeu – trnL – UAA intron and the ribosomal internal transcribed spacer region – ITS2 for plant and fungi identification. The PCR products were purified using the Qiaquick kit and library preparation and building was conducted using the TruSeq DNA PCR-free Library kit. Final purification was completed using AMPure XP kit and the pooled libraries were sequenced on an Illumina Miseq using 300bp paired-end run. Statistical and bioinformatic analysis on the NGS raw sequence reads was performed in R version 3.6.3. Results The results of the data analysis showed that the cytochrome B primer couldn’t detect any animal DNA in the vegetarian samples, however animal-derived sequences were detected in the positives present, validating the efficacy of the multiplex reaction. Mitochondrial 16S ribosomal rRNA was only able to detect plant-based DNA due to the structural homology between chloroplast and mitochondrial DNA. The fungal ribosomal internal transcribed spacer region – ITS2 detected sequences deriving from “Viridiplantae”. This result could have been due to the fungal and plant ribosomal internal transcribed spacer region – ITS2 sharing a reverse primer during amplification. The trnL region was able to detect the presence of undeclared coriander, mustard and wheat in 8 (29%), 6 (21%) and 5 (18%) samples respectively. Additionally, trnL was able to detect the presence of tobacco in 11 (35%) samples. This could have been due to cross-contamination between samples being co-extracted and amplified at the same time for separate studies. The PITS2 region was able to detect the presence of undeclared barley, mustard and wheat in 8 (25%), 4 (14%) and 4 (14%) samples respectively. Our results show the possibility of DNA metabarcoding for the authentication of a wide range of species present in highly processed vegetarian samples using a single assay. However, further optimization of the technique for the identification of both plant and animal species within vegetarian samples needs to be performed before the wide-spread implementation of this technology would be both feasible and viable. Eliminating primer biases, decreasing the risk of homology between different primers in the same assay as well as preventing the amplification of sequencing of undesirable DNA need to be further explored and ultimately mitigated before DNA metabarcoding can be widely seen as an effective and cost-effective method for authentication and food control.

I miljöövervakningen av haven runt Sverige har manuell mikroskopi av plankton länge varit den huvudsakliga tekniken för att övervaka växtplanktonbestånden och algblomningar. Nya tekniker utvärderas, men det är inte känt hur resultaten från de nyare teknikerna relaterar till varandra. Två tekniker som utvärderas av SMHI, flödesmikroskopi och DNA-streckkodning, har inte tidigare jämförts i litteraturen. Båda teknikerna har dock jämförts med traditionell mikroskopi. I det här projektet har provserier för DNA-streckkodning och automatiserad mikroskopi med Imaging FlowCytobot (IFCB) samlats in parallellt under en expedition i Egentliga Östersjön, Öresund, Kattegatt och Skagerrak. En bildklassificerare konstruerades med ett konvolutionellt neuronnät, som användes för att klassificera bilderna som tagits med IFCB:n. Resultaten från IFCB:n jämfördes med dem från DNA-streckkodning av 18S rRNA-genen. Jämförelsen visade stark korrelation mellan klassificeringen av bilder och DNA-streckkodning för vissa kiselalger (R>0.8), men teknikernas resultat skilde sig också åt i många fall. Skillnaderna kan studeras för att hitta svagheter i de båda teknikerna och utveckla dem vidare. / In environmental monitoring of the seas around Sweden, manual counting with microscopy is used to monitor the plankton communities and algal blooms. New techniques are currently being evaluated, including imaging flow cytometry and DNA metabarcoding, but it is not known how results from the different techniques relate to one another. Previous work has not compared imaging flow cytometry with metabarcoding, although both methods have been compared to traditional microscopy. In this project, samples for DNA metabarcoding and imaging flow cytometry with the Imaging FlowCytobot (IFCB) have been collected in parallel in the Baltic Proper, Öresund, Kattegat, and Skagerrak. To be able to process the large number of images from cytometry, an image classification algorithm based on convolutional neural networks and transfer learning was developed, which was used to classify the images collected. The results were compared to those obtained with 18S rRNA metabarcoding of the protist community. This new approach of comparing imaging flow cytometry with metabarcoding resulted in a strong (R>0.8) correlation for some diatom taxa, but discrepancies between the technologies were also observed. The discrepancies can be further studied to identify weaknesses in both techniques and refine them further.

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La distribution de l'abondance des espèces en un site, et la similarité de la composition taxonomique d'un site à l'autre, sont deux mesures de la biodiversité ayant servi de longue date de base empirique aux écologues pour tenter d'établir les règles générales gouvernant l'assemblage des communautés d'organismes. Pour ce type de mesures intégratives, le séquençage haut-débit d'ADN prélevé dans l'environnement (" ADN environnemental ") représente une alternative récente et prometteuse aux observations naturalistes traditionnelles. Cette approche présente l'avantage d'être rapide et standardisée, et donne accès à un large éventail de taxons microbiens jusqu'alors indétectables. Toutefois, ces jeux de données de grande taille à la structure complexe sont difficiles à analyser, et le caractère indirect des observations complique leur interprétation. Le premier objectif de cette thèse est d'identifier les modèles statistiques permettant d'exploiter ce nouveau type de données afin de mieux comprendre l'assemblage des communautés. Le deuxième objectif est de tester les approches retenues sur des données de biodiversité du sol en forêt amazonienne, collectées en Guyane française. Deux grands types de processus sont invoqués pour expliquer l'assemblage des communautés d'organismes : les processus "neutres", indépendants de l'espèce considérée, que sont la naissance, la mort et la dispersion des organismes, et les processus liés à la niche écologique occupée par les organismes, c'est-à-dire les interactions avec l'environnement et entre organismes. Démêler l'importance relative de ces deux types de processus dans l'assemblage des communautés est une question fondamentale en écologie ayant de nombreuses implications, notamment pour l'estimation de la biodiversité et la conservation. Le premier chapitre aborde cette question à travers la comparaison d'échantillons d'ADN environnemental prélevés dans le sol de diverses parcelles forestières en Guyane française, via les outils classiques d'analyse statistique en écologie des communautés. Le deuxième chapitre se concentre sur les processus neutres d'assemblages des communautés.[...] / Integrative patterns of biodiversity, such as the distribution of taxa abundances and the spatial turnover of taxonomic composition, have been under scrutiny from ecologists for a long time, as they offer insight into the general rules governing the assembly of organisms into ecological communities. Thank to recent progress in high-throughput DNA sequencing, these patterns can now be measured in a fast and standardized fashion through the sequencing of DNA sampled from the environment (e.g. soil or water), instead of relying on tedious fieldwork and rare naturalist expertise. They can also be measured for the whole tree of life, including the vast and previously unexplored diversity of microorganisms. Taking full advantage of this new type of data is challenging however: DNA-based surveys are indirect, and suffer as such from many potential biases; they also produce large and complex datasets compared to classical censuses. The first goal of this thesis is to investigate how statistical tools and models classically used in ecology or coming from other fields can be adapted to DNA-based data so as to better understand the assembly of ecological communities. The second goal is to apply these approaches to soil DNA data from the Amazonian forest, the Earth's most diverse land ecosystem. Two broad types of mechanisms are classically invoked to explain the assembly of ecological communities: 'neutral' processes, i.e. the random birth, death and dispersal of organisms, and 'niche' processes, i.e. the interaction of the organisms with their environment and with each other according to their phenotype. Disentangling the relative importance of these two types of mechanisms in shaping taxonomic composition is a key ecological question, with many implications from estimating global diversity to conservation issues. In the first chapter, this question is addressed across the tree of life by applying the classical analytic tools of community ecology to soil DNA samples collected from various forest plots in French Guiana. The second chapter focuses on the neutral aspect of community assembly.[...]

Cette thèse s'intéresse à la conception et le développement des techniques de bioinfor- matique qui peuvent faciliter l'utilisation de l'approche metabarcoding pour mesurer la diversité d'espèces. Le metabarcoding peut être utilisé avec le séquencage haut débit pour l'identification d'espèces multiples à partir d'un seul échantillon environnemental. La véritable force du metabarcoding réside dans l'utilisation de barcode marqueurs choisi pour une étude particulière et l'identification d'espèces ou des taxons peut être réalisé avec des marqueurs soigneusement conçu. Avec l'avancement des techniques haut débit de séquençage, une énorme quantité des données de séquences est produit qui contient un nombres substantiel des mutations. Ces mutations posent un grand problème pour les estimations correctes de la biodiversité et pour le d'assignation de taxon. Les trois problèmes majeurs dans le domaine de la bioinformatique que j'ai abordés dans cette thèse sont: i) évaluer la qualité d'une barcode marker , ii) concevoir des nouveaux région barcode et iii) d'analyser les données de séquençage pour traiter les erreurs et éliminer le bruit en séquences. Pour évaluer la qualité d'un barcode marker, on a développé deux mesures quantita- tive,formelle: la couverture (Bc) et la spécificité (Bs). La couverture donne une mesure de universalité d'une pairs de primer pour amplifier un large nombre de taxa, alors que la spécificité donne une mesure de capacité à discriminer entre les différents taxons. Ces mesures sont très utiles pour le classement des barcode marker et pour sélectionner les meilleurs markers. Pour trouver des nouveaux région barcode notamment pour les applications metabarcod- ing, j'ai développé un logiciel, ecoPrimers3. Basé sur ces deux mesures de qualité et de l'information taxinomique intégré, ecoPrimers nous permet de concevoir barcode markers pour n'importe quel niveau taxonomique . En plus, avec un grand nombre de paramètres réglables il nous permet de contrôler les propriétés des amorces. Enfin, grâce a des algorithmes efficaces et programmé en langage C, ecoPrimers est suffisamment efficace pour traiter des grosses bases de données, y compris génomes bactériens entièrement séquencés. Enfin pour traiter des erreurs présentes dans les données de séquencage , nous avons analysé un ensemble simple d'échantillons de PCR obtenus à partir de l'analyse du régime alimentaire de Snow Leopard. En mesurant les corrélations entre les différents paramètres des erreurs, nous avons observé que la plupart des erreurs sont produites pendant l'amplification par PCR. Pour détecter ces erreurs, nous avons développé un algorithme utilisant les graphes, qui peuvent différencier les vrai séquences des erreurs induites par PCR. Les résultats obtenus à partir de cet algorithme a montré que les données de-bruitée a donnent une estimation réaliste de la diversité des espèces étudiées dans les Alpes françaises. / This thesis is concerned with the design and development of bioinformatics techniques that can facilitate the use of metabarcoding approach for measuring species diversity. Metabarcoding coupled with next generation sequencing techniques have a strong po- tential for multiple species identification from a single environmental sample. The real strength of metabarcoding resides in the use of barcode markers chosen for a particular study. The identification at species or higher level taxa can be achieved with carefully designed barcode markers. Moreover with the advent of high throughput sequencing techniques huge amount of sequence data is being produced that contains a substantial level of mutations. These mutations pose a problem for the correct estimates of biodi- versity and for the taxon assignation process. Thus the three major challenges that we addressed in this thesis are: evaluating the quality of a barcode region, designing new barcodes and dealing with errors occurring during different steps of an experiment. To assess the quality of a barcode region we have developed two formal quantitative mea- sures called barcode coverage (Bc) and barcode specificity (Bs). Barcode coverage is concerned with the property of a barcode to amplify a broad range of taxa, whereas barcode specificity deals with its ability to discriminate between different taxa. These measures are extremely useful especially for ranking different barcodes and selecting the best markers. To deal with the challenge of designing new barcodes for metabarcoding applications we have developed an efficient software called ecoPrimers. Based on the above two quality measures and with integrated taxonomic information, ecoPrimers1 enables us to design primers and their corresponding barcode markers for any taxonomic level. Moreover with a large number of tunable parameters it allows us to control the properties of primers. Finally, based on efficient algorithms and implemented in C language, ecoPrimers is efficient enough to deal with large data bases including fully sequenced bacterial genomes. Finally to deal with errors present in DNA sequence data, we have analyzed a simple set of PCR samples obtained from the diet analysis of snow leopard. We grouped closely related sequences and by measuring the correlation between different parameters of mutations, we have shown that most of the errors were introduced during PCR amplification. In order to deal with such errors, we have further developed an algorithm using graphs approach, that can differentiate true sequences from PCR induced errors. The results obtained from this algorithm showed that de-noised data gave a realistic estimate of species diversity studied in French Alpes. This algorithm is implemented in program obiclean.

Cette thèse s'intéresse à la conception et le développement des techniques de bioinfor- matique qui peuvent faciliter l'utilisation de l'approche metabarcoding pour mesurer la diversité d'espèces. Le metabarcoding peut être utilisé avec le séquencage haut débit pour l'identification d'espèces multiples à partir d'un seul échantillon environnemental. La véritable force du metabarcoding réside dans l'utilisation de barcode marqueurs choisi pour une étude particulière et l'identification d'espèces ou des taxons peut être réalisé avec des marqueurs soigneusement conçu. Avec l'avancement des techniques haut débit de séquençage, une énorme quantité des données de séquences est produit qui contient un nombres substantiel des mutations. Ces mutations posent un grand problème pour les estimations correctes de la biodiversité et pour le d'assignation de taxon. Les trois problèmes majeurs dans le domaine de la bioinformatique que j'ai abordés dans cette thèse sont: i) évaluer la qualité d'une barcode marker , ii) concevoir des nouveaux région barcode et iii) d'analyser les données de séquençage pour traiter les erreurs et éliminer le bruit en séquences. Pour évaluer la qualité d'un barcode marker, on a développé deux mesures quantita- tive,formelle: la couverture (Bc) et la spécificité (Bs). La couverture donne une mesure de universalité d'une pairs de primer pour amplifier un large nombre de taxa, alors que la spécificité donne une mesure de capacité à discriminer entre les différents taxons. Ces mesures sont très utiles pour le classement des barcode marker et pour sélectionner les meilleurs markers. Pour trouver des nouveaux région barcode notamment pour les applications metabarcod- ing, j'ai développé un logiciel, ecoPrimers3. Basé sur ces deux mesures de qualité et de l'information taxinomique intégré, ecoPrimers nous permet de concevoir barcode markers pour n'importe quel niveau taxonomique . En plus, avec un grand nombre de paramètres réglables il nous permet de contrôler les propriétés des amorces. Enfin, grâce a des algorithmes efficaces et programmé en langage C, ecoPrimers est suffisamment efficace pour traiter des grosses bases de données, y compris génomes bactériens entièrement séquencés. Enfin pour traiter des erreurs présentes dans les données de séquencage , nous avons analysé un ensemble simple d'échantillons de PCR obtenus à partir de l'analyse du régime alimentaire de Snow Leopard. En mesurant les corrélations entre les différents paramètres des erreurs, nous avons observé que la plupart des erreurs sont produites pendant l'amplification par PCR. Pour détecter ces erreurs, nous avons développé un algorithme utilisant les graphes, qui peuvent différencier les vrai séquences des erreurs induites par PCR. Les résultats obtenus à partir de cet algorithme a montré que les données de-bruitée a donnent une estimation réaliste de la diversité des espèces étudiées dans les Alpes françaises.

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La qualité sensorielle des fromages au lait cru est variable selon la nature de l’alimentation des vaches laitières mais les mécanismes sous-jacents sont encore mal élucidés. Cette thèse avait pour objectif d’étudier les rôles respectifs et les interactions des composantes biochimique et microbiologique du lait, modulées par l’alimentation des vaches, dans la construction des caractéristiques sensorielles des fromages. Dans un premier temps, nous avons fait varier à la fois la composition biochimique et la composition microbiologique des laits en nous appuyant sur une expérimentation long terme comparant deux systèmes de pâturage qualifiés « d’extensif » (EXT) et de « semi-intensif » (SEMI). La structure des communautés bactériennes de la peau des trayons des vaches laitières, et dans une moindre mesure, celle des laits et des fromages de type Cantal ont varié selon les systèmes de production. Nos résultats confirment que le trayon est un réservoir potentiel de diversité microbienne, non seulement pour le microbiote du lait mais aussi pour celui du fromage. Les fromages EXT étaient caractérisés par une texture fondante et collante et une croûte moins épaisse comparativement aux fromages SEMI. Cependant, les deux systèmes de pâturage ont eu peu d’effet sur la flaveur des fromages, peut-être en raison de la trop grande similarité de la composition biochimique et microbiologique des laits des deux systèmes. Dans un deuxième temps, nous avons fait varier uniquement et de manière accentuée la composition de la matière grasse laitière via l’alimentation des vaches (herbe pâturée versus ensilage de maïs). Dans cette optique, des fromages de type Cantal ont été fabriqués à partir de deux crèmes pasteurisées de composition en acides gras différente et du même lait écrémé. Nous avons montré que l’effet de l’alimentation des vaches sur la texture des fromages était particulièrement lié à la composition de la matière grasse laitière tandis que celle-ci jouait un rôle mineur dans le développement de la flaveur des fromages. La crème la plus riche en acides gras saturés a été associée à une abondance relative plus élevée des ferments bactériens/fongiques et des OTUs dominants sur la surface des fromages et à la formation d’une croûte plus épaisse. Par comparaison, la croûte des fromages fabriqués avec une crème riche en acides gras insaturés était caractérisée par une plus grande diversité fongique et par la présence d’espèces sous dominantes en abondance relative plus élevée. Cette thèse apporte des connaissances nouvelles sur l’effet de la composition de la matière grasse laitière sur les équilibres microbiens et le développement des caractéristiques sensorielles des fromages, et plus spécifiquement sur l’influence des deux composantes biochimique et microbiologique sur l’aspect de la croûte des fromages affinés. / The sensory quality of raw milk cheeses varies according to cow diet but the underlying mechanisms are still poorly understood. The aim of this PhD work was to understand the respective roles and possible interactions between the biochemical and microbiological milk components, modulated by cow diet, on the development of the sensory properties of cheeses. In the frame of a long term experiment comparing two groups of cows managed in two grazing systems qualified of “extensive” (EXT) or “semi-intensive” (SEMI), we made Cantal-type cheeses using milk varying both in its biochemical and microbial composition. The structure of the bacterial communities of the teat skin of dairy cows, and to a lesser extent, that of milk and cheese varied according to the production systems. Our results confirm that the teat skin is a potential reservoir of microbial diversity not only for the microbiota of milk but also for cheese. The EXT cheeses were characterized by a more melting and sticky texture and a thinner rind compared to the SEMI cheeses. However, due to the similarity of the biochemical and microbiological composition of the milks from both systems, the flavour of the resulting cheeses was little impacted. Therefore, we designed a second trial aiming at controlling the microbial composition of milk and accentuating the difference of milk fat composition, via cow diet (maize silage vs pasture). We made Cantal-type cheeses from two pasteurized creams with different fatty acid profiles added to the same skimmed milk. The milk fat composition had a strong influence on cheese texture but it played a minor role on the development of cheese flavour. The cream rich in saturated fatty acids was associated to a higher relative abundance of bacterial / fungal starter strains and of dominant OTUs on the surface of cheese, and to the development of a thicker rind. By comparison, the rind of cheeses made with the cream rich in unsaturated fatty acids was characterized by a higher fungal diversity and the presence of sub-dominant species in greater relative abundance. This thesis provides new knowledge on the effect of the composition of milk fat on the microbial balance and on the development of the sensory characteristics of cheeses, and more specifically on the influence of both biochemical and microbiological components of milk on the aspect of the rind of mature cheeses.

Le microbiote bactérien cuticulaire des fourmis (Hymenoptera : Formicidae) est connu pour avoir un rôle défensif chez ces insectes sociaux, notamment chez les fourmis attines (Formicidae : Attini) grâce l’utilisation de molécules antimicrobiennes produites par des actinobactéries cuticulaires. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié le microbiote bactérien des fourmis de Guyane en utilisant différentes approches en chimie des produits naturels et en écologie moléculaire. Le premier chapitre décrit l’isolement, l’identification, la culture et l’évaluation biologique de 43 actinobactéries cuticulaires de fourmis de Guyane. Les tests d’antagonismes des souches isolées et l’activité antibiotique des extraits de culture contre des micro-organismes pathogènes humains sont présentés ainsi que l’identification d’un dipeptide cyclique (Cyclo(LPro-LPhe)) antimicrobien qui a été isolé à partir d’une souche proche de Streptomyces thioluteus. Par ailleurs, la mise en œuvre de réseaux moléculaires appliqués à une analyse par UPLC/MS/MS de cocultures d’actinobactéries a permis d’explorer la diversité des métabolites produits dans ces conditions. Le deuxième chapitre présente une étude méthodologique pour comparer quatre méthodes d’extraction d’ADN, en termes de richesse et de composition du microbiote bactérien cuticulaire, par séquençage haut débit à partir des espèces Atta cephalotes et Pseudomyrmex penetrator. Les résultats du métabarcoding ADN mettent en lumière deux méthodes d’extraction et révèlent des différences inter- et intraspécifiques dans la composition des communautés bactériennes cuticulaires. Enfin, le chapitre trois décrit la composition du microbiote bactérien cuticulaire des espèces Camponotus femoratus et Crematogaster levior dans les jardins de fourmis. Les résultats soulignent l’acquisition d’une partie du microbiote dans l’environnement. En parallèle l’analyse métabolomique des cuticules montre à contrario une plus grande spécificité liée à l’espèce de fourmi. Les recherches futures axées sur les stratégies d’analyses statistiques combinant le métabarcoding et la métabolomique sont discutées. / The bacterial microbiota of ants (Hymenoptera: Formicidae) is known to have a defensive role in social insects, particularly for leaf-cutting ants (Formicidae: Attini) due to the use of antimicrobial molecules produced by cuticular actinobacteria. In this thesis, we studied the bacterial microbiota of ants in French Guyana using different approaches based on natural products chemistry and molecular ecology. The first chapter describes the isolation, identification, culture and biological evaluations of 43 cuticular actinobacteria. Antagonism bioassays of isolated strains and antibiotic activities of the culture extracts against human pathogens are presented as well as the identification of an antimicrobial cyclic dipeptide (Cyclo (LPro-LPhe)) isolated from a strain close to Streptomyces thioluteus. Moreover, the implementation of molecular networks applied to UPLC/MS/MS analysis of actinobacterial cocultures allowed us to explore the diversity of metabolites produced under these conditions. The second chapter presents a methodological study to evaluate the capacity of four DNA extraction methods, in terms of richness and composition of the cuticular bacterial microbiota, in high-throughput sequencing from Atta cephalotes and Pseudomyrmex penetrator. The results of metabarcoding highlight two methods of extraction and reveal inter- and intraspecific differences in the composition of cuticular bacterial communities. Finally, chapter three describes the composition of the cuticular bacterial microbiota of Camponotus femoratus and Crematogaster levior in ant garden and the results reveal the acquisition in the environment of a part of the microbiota. In parallel, metabolomic analyses of ant’s cuticle show, on the contrary, a greater specificity related to the ant species. Future researches focusing on statistical analysis strategies combining metabarcoding and metabolomics data are discussed.

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