Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ces travaux de recherche, menés par une approche écosystémique et par la mise en œuvre de plusieurs méthodes moléculaires (TSA-FISH, qPCR et pyroséquençage), ont eu pour objectif (i) d'acquérir des données quantitatives concernant divers groupes eucaryotes unicellulaires présents dans la fraction picoplanctonique lacustre, (ii) d'explorer la dynamique spatiale et temporelle de ces groupes picoeucayotes tant en terme d'abondance que de diversité phylogénétique, et ceci à différentes échelles d'observation, et (iii) d' apporter une profondeur d'analyse supplémentaire de la diversité et de la structure des picoeucaryotes par l'utilisation de séquençage massif. L'utilisation de sondes oligonucléotidiques spécifiques a mis en évidence l'importance quantitative d'organismes photosynthétiques appartenant aux Chrysophycées, Chlorophycées, ainsi que la présence récurrente de groupes potentiellement parasites-saprophytes (Perkinsozoa, Fungi, LKM11). L'étude de la répartition spatiale (verticale) et géographique (trois lacs) de ces groupes par cette même approche a mis en lumière des différences d'abondance selon le statut trophique et la profondeur. Ainsi, la présence dans des proportions significatives d'organismes pigmentés (Chlorophycées, Haptophycées) en zone hypolimnique non éclairée nous a conduit à émettre l'hypothèse de l'importance de la mixotrophie au sein de la fraction picoplanctonique. Par ailleurs, l'utilisation du séquençage à haut débit a permis de révéler une importante diversité (1017 OTUs) 10 à 100 fois supérieure à celle décrite classiquement (clonage-séquençage de l'ADNr 18S). Son application à une échelle temporelle fine (2/3 jours) a permis de mettre en évidence d'importants et continuels remaniements au sein de la communauté picoeucaryote impliquant principalement les 21 OTUs appartenant au “core taxa” (>1% des séquences), et des taxa présentant des abondances intermédiaires (0,01-1% des séquences). A contrario, l'assemblage des taxa rares (<0,01%) composant plus de la moitié de la diversité décrite, s'avère quant à lui relativement stable au cours du temps. Les données acquises au cours de ce travail contribuent à alimenter les débats concernant les patrons de diversité microbienne et suggèrent la nécessité de mieux intégrer la notion de diversité fonctionnelle dans ces réflexions. / The studies reported in this manuscript aimed (i) to acquire quantitative data on various unicellulareukaryotes detected in the lacustrine picoplanktonic size fraction, (ii) to explore the spatial and temporaldynamics of these picoeucayotic groups both in terms of abundance and phylogenetic diversity, atdifferent scales of observation, and (iii) to bring an additional in-depth analysis of the picoeukaryotesdiversity and structure by using massive sequencing. These questions were investigated by an ecosystemicapproach, and, by coupling different molecular techniques (TSA-FISH, qPCR and pyrosequencing).Theuse of specific oligonucleotide probes highlighted the quantitative importance of photosyntheticorganisms (Chrysophyceae, Chlorophyceae), especially in summer, and the recurrent presence of putativeparasites-saprophytes groups (Perkinsozoa, Fungi, LKM11) was also confirmed. The study of the spatial(vertical) and geographical distribution (three lakes) of these groups showed differences in abundanceaccording to the trophic status and depth. The presence, in the hypolimnion, of pigmented organisms insignificant proportions (Chlorophyceae, Haptophyceae) suggested a mixotrophic activity exerted by thesegroups. Furthemore, the analyses of the picoeucaryote community by high-throughput sequencingrevealed an important diversity (1017 OTUs), 1 to 2 orders of magnitude larger than classically obtainedby cloning-sequencing of 18S rDNA. Its application at short time scales (2/3 days) revealed important andcontinual rearrangements in the picoeukaryote community which mainly involved 21 OTUs belonging tothe "core taxa" (> 1% of sequences), and taxa with intermediate abundances (0.01 to 1% of sequences).Conversely, the rare taxa community (<0.01%), which represented more than half of the describeddiversity, is in turn relatively stable over time.The data acquired contribute to the debate about thepatterns of microbial diversity. They suggest the need to better integrate the concept of functionaldiversity in these reflections.

La mer Méditerranée en période stratifiée est une zone ultra-oligotrophe carencée en P. La production procaryotique hétérotrophe étant, comme la production primaire, souvent limitée par la biodisponibilité en phosphate (P), en Méditerranée, les flux d'assimilation de Pi et d'incorporation de leucine dans les protéines ont été particulièrement étudiés dans ce travail de thèse. Cette étude est focalisée sur la mesure des flux spécifiques d'assimilation des populations picoplanctoniques (Synechococcus = Syn, Prochlorococcus=Proc, picophytoeucaryotes=Pic, procaryotes hétérotrophes=Hprok) et sur les contribution à l'échelle cellulaire aux flux globaux, au travers de l'estimation de leurs aptitudes de compétition vis-vis de la limitation en Pi, en combinant le marquage radioactif et le tri cellulaire par caryométrie en flux. Les données ont été acquises dans le cadre de la campagne transméditerranéenne multiidisciplinaire BOUM (jui-juillet 2008). Toutes les populations étudiée participent significativement aux flux d'assimilation de Pi dans le compartiment microbien, lequel est dominé par les Hprok en surface et les cyanobactéries autour du maximum profond de chlorophylle et jusqu'au bas de la zone euphotique : Proc au large et Syn en zone moins ultraoligotrophe. Les caractéristiques cinétiques de ces mêmes populations ont montré qu'avec ses fortes valeurs de Vmax et de Kt+Sn, Syn est la plus capable des populations à répondre rapidement à des apports pulsés en Pi, tandis que Proc et Hprok présentent une forte affinité pour le Pi, i.e. de bonnes aptitudes de compétition aux plus faibles concentrations. La population des Proc aux flux d'incorporation total de leucin n'est pas négligeable (jusqu'à 30%). Compte tenu du caractère ubiquiste et du succès écologique (en abondance) des Proc dans les océans, il semble que la mixotrophie soir une stratégie suivie très adaptée aux environnement oligotrophes. La forte participation (jusqu'à 42 %) des Hprok à faible contenu en acides nucléiques (bactéries de type LNA) par rapport à celle de la communauté totale a été mise en évidence, en particulier dans les eaux de surface, et confirme la forte contribution de ce groupe cytométrique à la production procarytique hétérotrophe dans les systèmes oligotrophes. / The Mediterranean Sea is know as an oligotrophic P-depleted area, where reduced exogenous nutriment suplly to the euphotic zon push microorganisms into intense competition for nutritive resources. For instance, heterotrophic prokaryotic production may, like photosynthesis, be limited by the availability of phosphate (Pi). Thus, this study aimed at investigating Pi assimilation and leuvine incorporation into proteins among different picoplanktonic populations ; heterotrophic prokaryotes (Hprok), Synechococcus (Syn), Prochlorococcus (Proc) and picophytoplankton. More precisely, cell-specific Pi assimilation rates and cell-specific leucine incorporation rates were determined using flow cytometry coupled to cell storing. Data were acquired during the trans-Mediterranean cruise BOUM (June-July 2008). All microbial populations sorted significantly participated to Pi assimilation fluxes, which were dominated, in terms of contribution to the whole-sea water activity, by Hprok wihin surface layers and cyanobacteria in vicinity of the deep chlorophyl maximun (Proc in open sea and Syn at more coastal stations ) and below.Specific kinetic characteristics of Pi uptake showed Syn to be adapted to Pi pulses, owing to their heigher Vmax and k+Sn. At the opposite, Proc and Hprok were more adapted to lower concentrations due to a better affinity for Pi. Proc., detected at the vicinity of the deep chlorophyll maximum, participated actively to leucine incorporation rates of the bulk community (up to 30 %), confirming mixotrophic capacity as a survival strategy in oligotrophic environments. Hprok cells with low nucleic acid content (LNA cells) contributed up to 42% to the bulk leucine incorporation prokaryotic production in oligotrophic waters

La mer Méditerranée est une des zones océaniques les plus oligotrophes de la planète pour laquelle la fixation biologique d’azote a été proposée comme jouant un rôle important dans les flux de carbone et d’azote. Comme les organismes planctoniques potentiellement responsables de cette activité n’y ont jamais été étudiés, les objectifs de cette thèse étaient de caractériser la diversité (abondance et richesse spécifique), la distribution spatio-temporelle, et les facteurs de contrôle des diazotrophes, en s’axant particulièrement sur les cyanobactéries unicellulaires (UCYN). Pour cela, des hybridations in situ (TSAFISH)sur différentes fractions de taille en combinaison avec des comptages microscopiques et des analyses phylogénétiques sur les gènes 16S ADNr et nifH ont été réalisées, à la fois lors d’un cycle saisonnier à la station côtière SOMLIT de Marseille, et lors du transect Méditerranéen BOUM. Alors que les cyanobactéries filamenteuses Richelia intra cellularis et Trichodesmium sp. ont été détectées seulement ponctuellement dans le temps et dans l’espace, en très faible concentration (0.02 filament.ml-1), la communauté des cyanobactéries diazotrophes était dominée à 99,9% par du picoplancton hybridé avec la sonde Nitro821, spécifique aux UCYN. Ces cellules, de petite (0.7-1.5 μm) ou de grande (2.5-3.2 μm)taille, ont été retrouvées en faible concentration (1-6 cellule.ml-1) dans toute la Méditerranée et tout au long de l’année, à l’exception de l’été 2006 lorsque la concentration des petites cellules a atteint 5300 cellule.ml-1 au cours d’un évènement exceptionnel de pollution atmosphérique urbaine. Des efflorescences similaire sont été observées suite à des enrichissements en poussières sahariennes à une station côtière en Corse et au large au centre de la Méditerranée, simultanément avec des augmentations de l’activité de fixation d’azote.L’affiliation des petites cellules aux UCYN-A a été confirmée par phylogénie dans les eaux du large de la Méditerranée occidentale. Les librairies de clones nifH de la fraction de taille picoplanctonique étaient dominées par des séquences d’α-protéobactéries appartenant à un nouveau groupe marin de Bradyrhizobium. D’autres groupes de rhizobia et des γ-protéobactéries ont été détectés ponctuellement.Alors que l’absence de Trichodesmium sp. au large pourrait être liée aux faibles concentrations en phosphate et en fer, les facteurs inhibant le développement des UCYN-B et –C restent inconnus. Lesdiazotrophes picoplanctoniques (Bradyrhizobium, rhizobia, UCYN-A) pourraient avoir développé des stratégies spécifiques, telles que des associations avec des eucaryotes ou des particules inertes, et/ou la capacité de photosynthèse, pour acquérir le carbone nécessaire au soutien du processus de la diazotrophie / The Mediterranean Sea is one of the most oligotrophic marine areas on earth where nitrogenfixation has been formally believed to play an important role in carbon and nitrogen fluxes. Although thisview is under debate, the diazotrophs responsible for this activity have still not been investigated. The aimsof this PhD were to characterise the diversity (abundance and species richness) and the spatio-temporaldistribution of diazotrophs, as well as factors controlling their development, with a particular focus onunicellular cyanobacteria. A combination of microscopic counts with size fractionated in situ hybridization(TSA-FISH), and 16S rDNA and nifH phylogenies were done, either over a year and a half seasonal cycle atthe coastal SOMLIT station off Marseilles, and across the entire Mediterranean Sea during the BOUMtransect. Low concentrations of diazotrophic cyanobacteria were detected and this community wasdominated at 99.9% by picoplankton hybridized with Nitro821 probe, specific for unicellular diazotrophiccyanobacteria (UCYN). Among filamentous cyanobacteria, only 0.02 filament ml-1 of Richeliaintracellularis and Trichodesmium sp. were detected sporadically in time and space. Small (0.7-1.5 μm) andlarge (2.5-3.2 μm) Nitro821-targeted cells were recovered in low concentrations (1-6 cell ml-1) across theentire Mediterranean Sea and all the year long, except over a month period in summer 2006 whenconcentrations of small cells reached 5300 cell ml-1, during an exceptionally high urban pollution event.Similar blooms of small and large cells were reported after Saharan dust inputs off Corsica and at open Sea,simultaneously with increases in N2 fixation rates. The affiliation of the small Nitro821-targeted cells toUCYN-A was confirmed by 16S and nifH phylogenies offshore in the western Mediterranean Sea. Rhizobiasequences, including the ones of a new marine group of Bradyrhizobium, were dominating nifH clonelibraries from picoplanktonic size fractions. A few sequences of γ-proteobacteria were also detected incentral Mediterranean Sea. While low phosphate and iron concentrations could explain the absence ofTrichodesmium sp. offshore, the factors that prevent the development of UCYN-B and C remain unknown.It is proposed that the dominating Mediterranean picoplankters (Bradyrhizobium, rhizobia, UCYN-A)probably developed specific strategies, such as associations with protists or particles, and/or photosyntheticactivity, to acquire carbon for sustaining diazotrophy.