Débutée en 2005, l'ère du pangénome a connu un important essor ces dernières années, notamment grâce aux progrès des techniques de séquençage haut débit. Le pangénome, qui est divisé en deux grandes parties, le core génome et le génome accessoire, offre un grand éventail d'utilisation. Au cours de ces trois dernières années, nous avons étudié cette gamme de possibilités en nous basant sur des pathogènes humains tel que Coxiella burnetii, Kingella kingae et Bacillus anthracis. Ainsi, outre la découverte d'une nouvelle espèce de Kingella et l'étude de quelques génomes spécifiques, nous nous sommes attardés sur le lien entre pangénome et pathogénicité, sur l'importance des SNPs (Single Nucleotide Polymorphism), ainsi que sur la corrélation entre pangénome et taxonomie et donc, par extension, nous avons étudié la notion d'espèce bactérienne. / The pangenome area began in 2005 and had known a huge increase thanks to the improvement of the Next Generation Sequencing methods. The pangenome, which is divided into two parts, the core and the accessory genome, offer a large panel of uses. During the last three years, we have studied all these possibilities. We based our work on human pathogens as Coxiella burnetii, Kingella kingae and Bacillus anthracis. Thus, in addition to the discovery of a new Kingella species and the study of some specific genomes, we studied in details the link between pangenome and pathogenicity, the importance of SNPs (Single Nucleotide Polymorphism) and the correlation between pangenome and taxonomy. Finally, we worked on the bacterial species definition.

Le modèle étudié est l’agent phytopathogène vasculaire Ralstonia solanacearum, en portant une attention particulière aux souches de phylotype II. Cette bactérie d’origine tellurique est très diversifiée, tant au plan génétique que phénotypique. Sa classification en constante évolution témoigne d’une volonté de clarifier cette biodiversité inhabituellement forte, tout en cherchant à reconnaître les écotypes structurant ce complexe d’espèces, i.e., des groupes de souches partageant à la fois des traits génotypiques et biologiques spécifiques. Dans le cadre de ce pathosystème modèle, nous nous sommes attachés dans un premier temps à revisiter de façon précise les pathotypes au sein d’écotypes bien décrits dans la littérature, ou à en faire la description (phylotype III africain). Nous avons observé une forte convergence phénotypique entre les souches de phylotype III des hauts plateaux africains et les souches Brown rot de phylotype IIB-1, capables de flétrir la pomme de terre et d’autres Solanacées à température froide. L’adaptation de souches aussi diverses pour la tolérance au froid nous a conduits à dresser un bilan de la situation R. solanacearum en Europe et in extenso dans le bassin méditerranéen. Cette approche a permis d’apprécier les degrés de divergence significative dans le pouvoir pathogène (virulence et agressivité) sur Solanaceae au sein de souches quasi clonales unifiant l’écotype Brown rot, qui s’établissent aussi sous forme d’infections latentes dans les tissus vasculaires de bananiers (Musacées). Dans le même temps, le phénotype de souches pathogènes du bananier, unifiant l’écotype Moko, a aussi été revisité sur Solanaceae qu’elles parviennent à flétrir, y compris des ressources génétiques résistantes au flétrissement bactérien. L’ensemble de ces données expérimentales a permis de dégager les critères de sélection pour le choix de trois nouvelles souches du complexe d’espèces R. solanacearum, dont nous avons obtenu les séquences génomiques. Notre approche en génomique comparative a permis de décrire le premier pangénome chez cet agent pathogène : l’ensemble les gènes repérés de l’espèce. Ces données ont été exploitées par différentes approches bio-informatiques et permettent de concevoir une refonte pertinente du complexe d’espèces R. solanacearum en trois nouvelles espèces génomiques, regroupant les souches de phylotypes I (Asie) et III (Afrique) d’une part, puis les souches de phylotype II (Amérique), et enfin les souches de phylotype IV (Indonésie) d’autre part. Ce pangénome a ensuite été exploité en concevant et développant une puce à ADN, un outil permettant l’exploration à haut débit d’une grande quantité de souches. La densité des données expérimentales accumulées permet une démarche vers l’écologie moléculaire et de reconstituer certains pans du passé évolutif des souches de phylotype II chez R. solanacearum. Par ailleurs, l’analyse approfondie de ces données de génomique, associant phylogéographie et structuration des populations de l’écotype Brown rot, montre une double situation épidémiologique en Europe, recoupant des influences andines et africaines. De la même façon, l’écotype Moko présente trois structures génétiques distinctes. Ces données ont été analysées de manière à retracer les principaux flux de gènes dans les états ancestraux des phylotypes et de dégager la forte contribution de la partie mobile du génome, des gènes relatifs à l’adaptation environnementale et à la pathogénie, comme moteurs dans l’évolution de cet important organisme phytopathogène. / The studied model is the vascular plant pathogen Ralstonia solanacearum, with a particular focus on phylotype II strains. This telluric bacterium has a wide diversity, both on genotypic and phenotypic levels. Its evolving classification reflects the need to clarify its unusual biodiversity and seek to identify ecotype structure in this species complex, i.e., groups of strains with both genotypic and specific biological traits. Within the framework of this model pathosystem, we initially focused on deeply revisiting pathotypes among ecotypes, although well described in the literature, or describing new ecotypes (African phylotype III). We observed high phenotypic convergence between strains from phylotype III from the African highlands and Brown rot strains from phylotype IIB-1, both able to trigger wilt symptoms on potato and other Solanaceae at cold temperatures. Adaptation of diverse strains for cold tolerance led us to investigate the R. solanacearum situation in Europe and more specifically in the Mediterranean regions. This strategy allowed us to appreciate the significant divergence towards pathogenicity (virulence and aggressiveness) on Solanaceae within clonal-like structure of strains in the Brown rot ecotype, which also established latent interactions in the banana vascular system. In the mean time, phenotypes of banana pathogenic strains unifying the Moko ecotype, was also revisited on Solanaceae, and was able to trigger symptoms on both susceptible and resistant genetic resources to bacterial wilt. All these experimental data yielded selection criteria for choosing three new candidate strains in the R. solanacearum species complex for complete genome sequencing. Our genomic comparative approach allowed us to describe the first pangenome of this pathogen: all targeted identified genes of this species complex. These data were analyzed by various bioinformatic approaches and allowed us to design a complete reshaping of R. solanacearum species complex into three distinct genomic species, firstly clustering strains from phylotype I (Asia) with strains from phylotype III (Africa); strains from phylotype II (America); and lastly, strains from phylotype IV (Indonesia). This pangenome was then used for designing a DNA microarray, a high resolution tool that allowed us to explore a wide set of genomes. The density of accumulated data allowed for a molecular ecological approach to retrieve a certain amount of the evolutionary past of R. solanacearum phylotype II strains. Furthermore, a deeper analysis of these genomic data, combining phylogeography with population structure analysis of the Brown rot ecotype, revealed a dual epidemic situation in Europe, both across Andean and African influences. Similarly, the Moko ecotype presents three distinct genetic structures. These data were analyzed within the purpose of tracking the main gene flows in the ancestral states of phylotypes and to unravel the strong contribution of the mobile elements, genes related to environmental adaptation, and pathogenicity as a major driving force into the evolution of this successful plant pathogen.

Le modèle étudié est l'agent phytopathogène vasculaire Ralstonia solanacearum, en portant une attention particulière aux souches de phylotype II. Cette bactérie d'origine tellurique est très diversifiée, tant au plan génétique que phénotypique. Sa classification en constante évolution témoigne d'une volonté de clarifier cette biodiversité inhabituellement forte, tout en cherchant à reconnaître les écotypes structurant ce complexe d'espèces, i.e., des groupes de souches partageant à la fois des traits génotypiques et biologiques spécifiques. Dans le cadre de ce pathosystème modèle, nous nous sommes attachés dans un premier temps à revisiter de façon précise les pathotypes au sein d'écotypes bien décrits dans la littérature, ou à en faire la description (phylotype III africain). Nous avons observé une forte convergence phénotypique entre les souches de phylotype III des hauts plateaux africains et les souches Brown rot de phylotype IIB-1, capables de flétrir la pomme de terre et d'autres Solanacées à température froide. L'adaptation de souches aussi diverses pour la tolérance au froid nous a conduits à dresser un bilan de la situation R. solanacearum en Europe et in extenso dans le bassin méditerranéen. Cette approche a permis d'apprécier les degrés de divergence significative dans le pouvoir pathogène (virulence et agressivité) sur Solanaceae au sein de souches quasi clonales unifiant l'écotype Brown rot, qui s'établissent aussi sous forme d'infections latentes dans les tissus vasculaires de bananiers (Musacées). Dans le même temps, le phénotype de souches pathogènes du bananier, unifiant l'écotype Moko, a aussi été revisité sur Solanaceae qu'elles parviennent à flétrir, y compris des ressources génétiques résistantes au flétrissement bactérien. L'ensemble de ces données expérimentales a permis de dégager les critères de sélection pour le choix de trois nouvelles souches du complexe d'espèces R. solanacearum, dont nous avons obtenu les séquences génomiques. Notre approche en génomique comparative a permis de décrire le premier pangénome chez cet agent pathogène : l'ensemble les gènes repérés de l'espèce. Ces données ont été exploitées par différentes approches bio-informatiques et permettent de concevoir une refonte pertinente du complexe d'espèces R. solanacearum en trois nouvelles espèces génomiques, regroupant les souches de phylotypes I (Asie) et III (Afrique) d'une part, puis les souches de phylotype II (Amérique), et enfin les souches de phylotype IV (Indonésie) d'autre part. Ce pangénome a ensuite été exploité en concevant et développant une puce à ADN, un outil permettant l'exploration à haut débit d'une grande quantité de souches. La densité des données expérimentales accumulées permet une démarche vers l'écologie moléculaire et de reconstituer certains pans du passé évolutif des souches de phylotype II chez R. solanacearum. Par ailleurs, l'analyse approfondie de ces données de génomique, associant phylogéographie et structuration des populations de l'écotype Brown rot, montre une double situation épidémiologique en Europe, recoupant des influences andines et africaines. De la même façon, l'écotype Moko présente trois structures génétiques distinctes. Ces données ont été analysées de manière à retracer les principaux flux de gènes dans les états ancestraux des phylotypes et de dégager la forte contribution de la partie mobile du génome, des gènes relatifs à l'adaptation environnementale et à la pathogénie, comme moteurs dans l'évolution de cet important organisme phytopathogène.

Coxiella burnetii est l’agent pathogène responsable de la fièvre Q. Dans le cadre de cette thèse nous nous sommes intéressés à l'étude de souches de C.burnetii responsables d'événements épidémiques. Nous avons séquencé une souche de génotype MST33 (Z3055), proche de la souche responsable de l'épidémie de fièvre Q aux Pays-Bas, et une souche de génotype MST17 (Cb175) clone provoquant l'une des formes les plus virulentes de fièvre Q aiguë jamais décrite auparavant et retrouvée à ce jour uniquement en Guyane Française. Les résultats de ces analyses montrent que le génome de la souche Z3055 était très similaire à celui de la souche de référence Nine Mile I. Les différences observées sont liées à la présence de mutations non synonymes dans le génome de Z3055. Le pourcentage élevé de protéines membranaires mutées pourrait expliquer l’ampleur de cette épidémie en Hollande. En effet, le changement de profil antigénique pourrait être à l’origine de la formation d’un nouveau sérotype capable d'échapper à la réponse immunitaire de l'hôte et de diffuser facilement dans une population au système immunitaire naïf. Nous avons d’ailleurs montré que la souche responsable de la fièvre Q en Guyane (Cb175) présente des différences chromosomiques importantes par rapport à NMI. Ces différences se manifestent principalement par la présence d’une délétion d’une région de 6105pb contenant l’opéron hlyCABD du système de sécrétion de type 1 (T1SS). Ce résultat est cohérent avec ce qui a été observé chez les bactéries épidémiques les plus dangereuses comparées à leurs espèces non-épidémiques plus proches qui ont un génome réduit et contiennent moins de protéines du système de sécrétion. / Coxiella burnetii is a human pathogen that causes the zoonotic disease Q fever. In this work, we focused on the study of strains responsible for epidemic events. Particularly, we sequenced the clone of the strain responsible for Netherlands outbreak having genotype MST33 (Z3055), and strain having MST17 (Cb175) responsible for one of the most severe form of acute Q fever never reported in literature and uniquely described in French Guiana. Our findings showed that the Netherlands outbreak responsible strain (clone Z3055) was highly similar to the reference strain Nine Mile I. Only slight differences were observed, which were related to non-synonymous mutations in Z3055 genome. The high proportion of mutated membrane proteins could explain this large-scale outbreak. Change of antigenic profile may have led to a new serotype, conferring to the novel clone the capacity to escape the host immune response and to disseminate easily in a immunologically naïve population. On the contrary, the type strain responsible for Q fever in Guiana (Cb175) showed an important difference in its chromosome sequence compared to the reference NMI because of the deletion of a sequence of 6105bp containing the Type 1 secretion systems (T1SS) hlyCABD operon. This result appear consistent with previous findings that showed the most dangerous epidemic bacteria compared with their closest non-epidemic species are characterized by reduced genomes accompanied by significant decrease in ORF content and contain less secretion system proteins.

Le pangénome est l’ensemble des gènes uniques retrouvé chez une espèce. Dans le cas des espèces procaryotes, notamment celles qui sont présentes dans le microbiote intestinal humain, la variation du contenu en gène est caractérisée par des événements de gain de gènes principalement par transfert horizontal de gènes (THG) et de perte de gène. Cette variation du contenu en gène peut être plus rapide que le taux de mutation et permettre aux microbes de s’adapter rapidement à des pressions sélectives. Cela justifie donc l’étude de l’évolution pangénomique des procaryotes sur des échelles de temps humaines qui sont considérées comme étant courtes du point de vue évolutif, par exemple de l’ordre de quelques années. La plupart des études sur ce sujet impliquent des espèces relativement distantes qui ont divergé depuis des millions d’années. De plus, l'équilibre des forces évolutives majeures impliquées, telles que le THG, la sélection, la dérive génétique et les mutations, n’est pas clairement défini et est au cœur d’un débat dans la littérature. Ce projet de maîtrise permet donc d’élargir le portrait évolutif des pangénomes de procaryotes en s’intéressant à l’évolution des gènes transférés horizontalement, aussi appelés gènes mobiles, sur de courtes échelles de temps. Pour ce faire, nous allons d’abord passer en revue la littérature pertinente en lien avec ce sujet, notamment les méthodes employées pour détecter les gènes mobiles et les modèles d’évolution pangénomique. Nous allons ensuite analyser l’évolution d’une collection de 37 853 gènes mobiles impliqués dans des THG récents détectés dans le microbiote intestinal d’individus provenant d’Amérique du Nord ou des îles Fidji. Pour détecter des signatures évolutives des forces en action, nous estimerons divers paramètres de génétique des populations à partir de l’alignement entre les lectures de séquençage métagénomique de 176 microbiotes fidjiens et cette collection de gènes mobiles. Nous expliquerons aussi l’outil de simulations évolutives que nous avons développé afin de valider et expliquer certaines de nos observations. Sans exclure la présence de pressions de sélection pour des gènes mobiles ayant des fonctions spécifiques, les données réelles et les simulations nous amènent à conclure que l’évolution des gènes mobiles sur de courtes échelles de temps peut être expliquée par un modèle d’évolution où les gènes mobiles ne sont pas largement adaptifs à leurs hôtes humains ou microbiens, contrairement à ce qui est parfois observé sur de longues échelles de temps évolutif. / The pangenome is the collection of unique genes found in a species. For prokaryotes, especially those present in the human gut microbiota, variation in gene content is characterized by gene gain through horizontal gene transfer (HGT) and gene loss. In human gut, gene content variations can occur at faster rates than mutation, which allow microbes to adapt rapidly to environmental changes. This justifies the study of the prokaryotes pangenome evolution on human time scales which are considered evolutionarily short, e.g. in the order of few years. Most studies about the evolution of prokaryotic pangenomes involve relatively distant species that have diverged since millions of years. In addition, the balance of major evolutionary forces involved, such as horizontal transfer, selection, genetic drift, and mutations, is not clearly defined and is debated in literature. This master's project therefore aims to broaden the evolutionary portrait of prokaryotic pangenome evolution by focusing on near-term evolution. To do this, we will first review the relevant literature related to this topic, including the methods used to detect mobile genes and the pangenome evolution models. We will then analyze the evolution of a pre-existing collection of 37 853 mobile genes involved in recent HGT events detected in the gut microbiota of individuals from North America and Fiji Islands. To detect evolutionary signatures of the forces in action, we will estimate various population genetics parameters from the alignment between metagenomic sequencing reads of 176 Fijian microbiomes and this collection of mobile genes. We will also explain the evolutionary simulation tool that we have developed in order to validate and explain some of our observations. While we don’t exclude the importance of selection for specific cellular functions for pangenome evolution, we found that the near-term evolution of mobile genes can be explained by a model in which mobile genes can spread selfishly without being largely adaptive to their human or microbial hosts, contrarily to what is often observed over longer evolutionary time scales.