Planctomycetes are members of a unique superphylum along with Verrucomicrobia and Chlamydia, situated in the domain Bacteria. They have distinct structural and morphological features, and discoveries made through phylogenetic analysis indicate their important role in nutrient cycling. Their known relationships with marine photosynthetic organisms led to the formation of this study's hypothesis, namely, that Planctomycetes can be isolated from the biofilm of seagrass species of the Red Sea using cultivation techniques adapted for these organisms. Preparation of solid and liquid media using M13 with both agar and gellan, and 2216 Difco Marine Broth full-­ strength, 1/10-­strength, and with antibiotics, resulted in the successful isolation of Planctomycetes as confirmed by morphological examination and transmission electron microscopy. The work performed in this study provides a solid foundation for further studies to elucidate the metabolic pathways and ecological significance of Planctomycetes.

Une meilleure compréhension du rôle des bactéries dans les écosystèmes aquatiques nécessite une meilleure connaissance de la dynamique, de la composition et des facteurs de contrôle des groupes qui constituent ces communautés. Toutefois, les études qui se sont intéressées à cet aspect de l'écologie microbienne aquatique ont, pour la plupart, concerné les groupes bactériens dominants. Parmi les phyla bactérien non dominants, les Planctomycetes restent peu connus tant en terme de dynamique que de rôle fonctionnel en milieu naturel, bien qu'étant reconnus ubiquistes. Le manque de connaissances sur ce groupe est encore plus marqué dans les écosystèmes lacustres. Pourtant, les quelques études consacrées à ce groupe bactérien dans les écosystèmes aquatiques indiquent qu'ils sont impliqués dans deux processus clés de leur fonctionnement à savoir l'oxydation de l'ammonium en conditions anaérobies (anammox) ainsi que la dégradation et le changement de qualité de la matière organique dissoute. L'objectif principal de cette thèse était donc de caractériser la diversité, la dynamique spatio-temporelle ainsi que les facteurs de contrôle des Planctomycetes dans les lacs, dans le but de mieux connaître la dynamique des bactéries non dominantes, qui constituent une très large part de la diversité bactérienne totale. L'absence d'outils moléculaires permettant de caractériser les communautés de Planctomycetes dans les lacs nous a tout d'abord conduit à faire une rigoureuse mise au point méthodologique. Cette dernière a abouti à la caractérisation d'un couple d'amorces (PLA352F/PLA920R) permettant de détecter et d'amplifier spécifiquement tous les genres de Planctomycetes dans ces écosystèmes, et pouvant être utilisé dans les approches d'empreintes moléculaires comme la DGGE. L'étude spatio-temporelle, réalisée dans deux lacs péri-alpins à partir de ce couple d'amorces, a ensuite permis de révéler que les Planctomycetes, malgré leur faible abondance relative dans la communauté bactérienne lacustre, présentent une richesse taxonomique élevée jusqu'ici insoupçonnée. Ils sont caractérisés par une structure taxonomique similaire aux bactéries dominantes puisqu'ils sont composés d'un nombre réduit d'OTUs dominantes et d'un très grand nombre d'OTUs faiblement représentées en nombre de séquences. Ce résultat soutient l'idée selon laquelle le concept de cores species (espèces dominantes) et de satellites species (espèces rares), récemment transposé aux groupes bactériens dominants, s'applique aussi aux groupes moins abondants ou rares. Nos résultats ont également mis en évidence que les communautés de Planctomycetes des lacs étaient très structurées dans l'espace et dans le temps. Les patterns de distribution de ce phylum bactérien étaient très similaires à ceux décrits pour les groupes bactériens plus abondants à savoir (i) une forte hétérogénéité verticale (certains genres étant présents essentiellement dans les couches profondes des lacs) ainsi qu' (ii) une dynamique saisonnière importante principalement mise en évidence dans la partie épilimnique des lacs. Cette structuration n'est pas le fruit d'une dispersion aléatoire liée à des processus stochastiques comme l'immigration mais est au contraire fortement dépendante des facteurs environnementaux. Nos résultats ont en effet montré que la richesse spécifique ainsi que la diversité des communautés de Planctomycetes sont fortement dépendantes de l'évolution du pH. De même, la température semble également être un facteur clé dans la dynamique et la composition globale des Planctomycetes. En revanche, l'effet des nutriments inorganiques semble moins influent dans le contexte de notre étude et la compétitivité des Planctomycetes vis-à-vis de ces ressources pourrait dépendre d'autres facteurs que nous n'avons pas analysés. / Understanding the role of microbes in the functioning of ecosystems is currently one of the major challenges in microbial ecology. One important step to this challenge is the assessment of the diversity of these microbial communities and their driving factors. With the recent methodological advances in molecular approaches, knowledge on the structural and functional diversity of bacterial communities in aquatic ecosystems has considerably increased during the last twenty years. However most of these studies concerned either the bacterial community or the most abundant bacterial groups, such as Actinobacteria and Proteobacteria. Only few data are available on the dynamics and diversity of less abundant but ubiquitous phyla such as Planctomycetes. This is particularly true for freshwater ecosystems, for which data on this phylum are much less abundant, compared to marine and soil ecosystems. Yet, members of this bacterial group are thought to play an important role in biogeochemical processes in aquatic systems, including nitrogen cycling and degradation of organic matter. Thus, the aims of this thesis were (1) to compare the structure and the composition of the Planctomycetes communities in two peri-alpine lakes with contrasting environmental conditions (2) to assess the vertical and temporal variations in the composition of these communities and (3) to characterize the different environmental factors that control these communities.

Les bactéries Planctomycetes sont des bactéries qui ne possèdent pas de peptidoglycane dans leur paroi cellulaire, se reproduisent par bourgeonnement et présentent une compartimentalisation intracellulaire. Malgré quelques études rapportant la présence d'ADN de bactéries Planctomycetes au sein des microbiomes cutanées et intestinaux, les relations existantes entre l'Homme et ces bactéries n'étaient pas encore spécifiquement explorées. L'objectif de cette étude était donc d'explorer cette relation par la détection et l'isolement de bactéries Planctomycetes chez l'Homme. De nouveaux outils basés sur le gène de l'ARNr 16S ont été spécifiquement développés pour la détection des Planctomycetes. Ils ont permis de montrer que l'ADN des bactéries Planctomycetes était présent au sein du microbiome intestinal humain avec une prévalence variant de 0,4 à 1,8%. De plus, une importante diversité a été observée au sein des microbiomes avec une majorité d'organismes proche du genre Gemmata. Ces mêmes outils ont été utilisés lors de dépistage de sérum de patient aplasique fébrile. Sur 100 sérums de patients testés, deux sérums ont donné des résultats positifs. Une entité clinique a pu être identifiée incluant leucémie aigüe myéloïde, fièvre, éruptions cutanées, diarrhées, pneumonies micronodulaires et colites neutropéniques. De nouveaux outils ont également été testés et développés pour faciliter l'isolement et l'identification des bactéries Planctomycetes. La possibilité d'isoler par coculture avec les amibes a été ainsi évaluée. Ces tests ont cependant montré leur inefficacité. En effet, les cinq espèces de Planctomycetes testées ont été phagocytées et lysées après 17h d'incubation. / Planctomycetes are peptidoglycan-less bacteria with budding reproduction and intracellular compartmentation. Despite some study reporting Planctomycetes DNA presence in intestinal and cutaneous microbiome, relationship between Human and these bacteria were not specifically explored. The objective of this study was therefore to explore this relationship by detection and isolation of Planctomycetes bacteria in Human. New 16S rRNA gene-based tools were specifically developed for the Planctomycetes detection. They showed that Planctomycetes DNA was present in the Human intestinal microbiome with 0.4 to 1.8% prevalence. Moreover, an important diversity was observed in microbiomes with a majority of organisms closed to the Gemmata genus. Same tools were used during a febrile aplasic patients' blood screening and 2% (2/100) samples were positive. A clinic entity was identified including acute myeloid leukemia, fever, rash, diarrhea, micronodular pneumonia and neutropenic colitis. New tools were also developed to facilitate the isolation and identification of Planctomycetes. The possibility to isolate by coculture with amoeba was evaluated. These tests showed the inefficiency of this method. Indeed, the five Planctomycetes species tested where phagocyted and lysed after 17H of incubation. Antibiotic sensibility profile was also determined. Planctomycetes bacteria showed an important antibiotic resistance, offering interesting selection tools. Due to expensive, laborious and time consuming characteristic of 16S rRNA gene-based identification, a new tool was developed.

Au cours de notre travail de thèse, nous avons isolé la seconde espèce du genre Gemmata, Gemmata massiliana à partir de l'eau d'un réseau hospitalier. Nous avons étudié sa distribution dans deux réseaux hospitaliers à Marseille après avoir mis au point une PCR temps réel spécifique. Les échantillons d'eau filtrée recueillis dans l'unité de soins intensifs et des échantillons d'eau non-filtrée recueillis dans des fauteuils dentaires, des réservoirs et des points d'utilisation ont été testés. Au total, 2,2% des échantillons d'eau filtrée ont été positifs contre 11,3% des points d'eau non-filtrée, dont 14,1% des fauteuils dentaires, 5,9% des points d'utilisation et 8% des échantillons de réservoirs. Les patients hospitalisés peuvent être exposés à G. massiliana par l'intermédiaire de l'eau de l'hôpital. Le rôle des Gemmata comme pathogènes opportunistes méritait donc d'être exploré. Nous avons détecter de l'ADN de Planctomycetes dans 2 échantillons testés de sang de patients leucémiques, mais toutes les tentatives d'isolement ont échoué. Nous avons travaillé à améliorer les conditions de culture des Gemmata. Notre analyse du génome de G. obscuriglobus et de G. massiliana a indiqué l'absence de certains composants essentiels dans la voie du métabolisme du fer, les sidérophores et l'enzyme ferriréductase. La culture des Gemmata en présence du surnageant filtré d'Escherichia coli contenant les sidérophores et l'enzyme ferriréductase, améliorait significativement la croissance des Gemmata par rapport à la culture sur une gélose standard. L'amélioration des techniques de culture nous permettra par la suite de mieux aborder l'étude de pathogénicité. / During our thesis work, we isolated a second Gemmata species; Gemmata massiliana from a hospital water network in France. We studied its distribution in two hospitals water network in Marseille after developing a real-time PCR. Filtered water collected at the intensive care unit and non-filtered water collected from dental chairs, tanks and usage points were tested. In total, 2.2% filtered water samples tested positive versus 11.3% non-filtered points, including 14.1% dental chairs, 5.9% usage points and 8% tank specimens. We concluded that hospitalized patients may be exposed to G. massiliana through hospital water, especially the non-filtered water. The role of Gemmata as opportunistic pathogen deserved to be explored. Additionally, using 16S rRNA gene-based specific Planctomycetes primers, enabled us to detect DNA Planctomycetes in 2 of 100 blood samples tested of leukemic patients. In one of the positive specimens DNA of a Gemmata-related bacterium was detected, unfortunately all isolation attempts proved futile. Therefore, we worked at improving the Gemmata species culture conditions to optimize their isolation from clinical samples. Genome analysis indicated that Gemmata organisms do not encode some essential iron pathway components, siderophores and ferric reductase. On this basis, we have shown that culture of G. obscuriglobus and G. massiliana in the presence of Escherichia coli filtered supernatant containing siderophores and extracellular ferric reductase, significantly improved the two species growth compared to their culture on a standard agar. The improvement of Gemmata species culture techniques will allow us to better address the pathogenicity study.