Typescript. / Bibliography: leaves 155-163. / xi, 163 l illus. (part col.), tables

Les nombreuses pressions naturelles et anthropiques qui pèsent sur les écosystèmes coralliens font craindre leur disparition pour les années futures. Parmi les mesures de conservation, la cryoconservation permet de maintenir en sécurité les échantillons sur le long terme et à coût réduit. Les premiers travaux sur la cryoconservation des Anthozoaires incitent à développer davantage la méthode de vitrification plutôt que la congélation lente. Dans ce contexte, cette thèse propose d'expérimenter la technique de vitrification sur plusieurs formes pluricellulaires dont les apex, les planulae, les polypes primaires, les polypes isolés et les balles tissulaires (TB), toutes issues du Scléractiniaire Pocillopora damicornis. Les meilleurs résultats ont été produits avec les TB obtenues après exposition à une solution de KSW puis traitées selon la méthode V Cryo-plate. L'éthylène glycol (EG) s'est avéré le cryoprotecteur (CPA) le mieux toléré jusqu'à 4.0 M pendant 20 min à température ambiante (RT). Les mélanges binaires et ternaires de CPA ont cependant permis d'obtenir de meilleures tolérances des TB qu'avec les solutions individuelles. L'utilisation de solutions successives a permis d'obtenir des survies jusqu'à 4.5 M selon le protocole : 1.5 M EG + 0.5 M Glycérol (Gly) (5 min, RT) puis 1.5 M DMSO + 1.5 M EG + 1.5 M Gly (10 min, 0°C) et enfin 1.5 M EG + 0.5 M Gly (5 min, RT). L'intégrité des cellules épithéliales de l'ectoderme apparaît essentielle au maintien des TB durant et après les traitements. Si le protocole de vitrification n'a pu être mis au point, en revanche, l'utilisation des TB à des fins de cryoconservation apparaît très intéressante pour de futures investigations. / Numerous environmental and anthropic pressures threaten reef ecosystems, rising concerns on species loss in coming years. Among conservation measures, cryopreservation ensures the safe and cost-effective long-term conservation of biological material. The first publications focusing on Anthozoa cryopreservation reported that the vitrification approach was preferable to the slow-cooling approach. In this context, this thesis aimed at investigating a vitrification technique with several pluricellular forms of the Scleractinian Pocillopora damicornis including apexes, planulae, primary polyps, isolated polyps and tissue balls (TB). The best results were obtained using TBs produced by exposing coral branches to a KSW solution. TBs were cryopreserved using the V Cryo-plate method. The highest TB tolerance was obtained after exposure to solution containing ethylene glycol (EG) concentrated to 4.0 M for 20 min at room temperature (RT). Binary and ternary cryoprotectant (CPA) solutions were better tolerated by TBs compared with individual cryoprotectant solutions. Exposure of TBs to a series of cryoprotectant solutions with progressively increased concentration allowed obtaining TB tolerance to cryoprotectant with a concentration of 4.5 M with: 1.5 M EG + 0.5 M Glycerol (Gly) (5 min, RT), 1.5 M DMSO + 1.5 M EG + 1.5 M Gly (10 min, 0°C) and then 1.5 M EG + 0.5 M Gly (5 min, RT). Epithelial cells from the ectoderm were essential to maintain TB integrity during and following CPA treatments. Successful cryopreservation was not achieved in this work; however, it demonstrated that the use of TBs constitutes a promising way for further cryopreservation research.

Statement of purpose: The scope of this dissertation was restricted to exemplary studies on the effects of spectrum, intensity and modulation (as described above) of the photic environment of the common reef coral Pocillopora damicornis and its symbiotic dinoflagellate algae. Various aspects of its biology were investigated. In some cases direct comparison was wade with othar species to emphasize similarities or differences. The central hypothesis of this dissertation can be stated as follows: Subtle changes in the spectrum, intensity and modulation of the natural photic environment can produce a profound effect on growth, reproduction, primary production and general metabolism of the reef corals. / Typescript. Thesis (Ph.D.)--University of Hawaii, 1985. Bibliography: leaves 201-221.

Thesis supervisor: Ann F, Budd. Includes bibliographic references (p. 46-49).

Many organisms form mutually beneficial, symbiotic partnerships with other organisms. Corals and sea anemones undergo mutualistic symbioses with photosynthetic algae of the family Symbiodiniaceae, and these partnerships are key for the viability of coral reef ecosystems. Cnidarian-Symbiodiniaceae symbioses are sensitive to climate change-induced ocean warming, which causes the disruption of symbiosis, commonly referred to as bleaching, and can lead to coral mortality. Cellular and molecular aspects of how this symbiosis is established and disrupted by heat stress are not well understood. The research presented herein characterizes immunity transcription factor NF-kappaB in the cnidarian model organism Exaiptasia pallida (Aiptasia). It is shown that the DNA-binding site specificity of Aiptasia NF-kappaB is similar to mammalian NF-kappaB subunit p50 and that this binding specificity is conserved across a broad expanse of metazoans. Moreover, Aiptasia and human IkappaB kinases can phosphorylate serine residues in the C-terminus of NF-kappaB, signaling the protein for proteasomal processing to allow for nuclear localization, DNA binding, and transactivation. In Aiptasia, NF-kappaB expression is downregulated by symbiosis onset in larvae, and NF-kappaB total expression, DNA-binding activity, and tissue-specific expression are increased following laboratory-induced loss of symbiosis in adult Aiptasia. NF-kappaB downregulation during the onset of symbiosis occurs only with the compatible symbiont Breviolum minutum and data suggest that host TGFbeta plays a role in NF-kappaB downregulation. Results demonstrate that aposymbiotic Aiptasia (with high NF-kappaB levels) have increased survival following bacterial infection as compared to symbiotic anemones. A bioinformatic analysis shows that potential NF-kappaB binding sites are enriched in promoter regions of immune-related genes that are upregulated in aposymbiotic Aiptasia. Increased levels of NF-kappaB are also found in a genet of the coral Pocillopora damicornis that exhibits resilience to heat-induced bleaching. Overall, the results in this thesis suggest a role for NF-kappaB-directed immunity in symbiosis onset, bleaching, and resistance to biological stressors in cnidarians. It is proposed that NF-kappaB downregulation in Aiptasia is a mechanism to lower host immunity and promote the establishment of symbiosis, but that this process compromises host immunity to pathogen infection. Nevertheless, constitutively high basal levels of NF-kappaB may be protective against bleaching in cnidarians.

Dans le contexte du réchauffement climatique, les récifs coralliens subissent des stress thermiques de plus en plus fréquents et intenses. Dans le but de mieux comprendre les mécanismes de la thermo­tolérance des coraux, j’ai développé une approche intégrative sur l’holobionte corallien (méta­organisme composé de l’hôte corallien, son algue symbiotique etson microbiote). Pour cela, j’ai réalisé une expérience de stress thermique écologiquement réaliste sur une espèce de corail, Pocillopora damicornis. Cette espèce étant présente dans l’ensemble de l’Indo­Pacifique, j’ai pu comparer la réponse de deux populations dont la thermotolérance est différente puisqu’elles sont soumises à des régimes thermiques contrastés. J’ai analysé, pour chacune d’entre­elles, la réponse de l’hôte corallien (par RNAseq), ainsi que la structure et les changements au niveau des microbiotes algaux et bactériens (par métabarcoding). Les résultats obtenus montrent qu’alors que la structure du microbiote n’est pas influencée par le stress, le corail y répond de façon très différente selon la population étudiée. La population issue d’un environnement plus fluctuant met en place une réponse plus efficace et plus plastique, probablement grâce à l’intervention de mécanismes épigénétiques. Une autre étude réalisée sur différentes populations de P. damicornis dans le cadre de cette thèse montre que la composition du microbiote est influencée par le génome de l’hôte ainsi que par le régime thermique. Un des clades de l’algue symbiotique connu pour améliorer la thermo­ tolérance de l’hôte corallien semble plus sensible aux basses températures que les autres. / In the context of global warming, coral reefs are experiencing thermal stresses which are becoming more frequent and intense. In order to get a better understanding of the mechanisms of coral thermo­tolerance, I developed an integrative approach on the coral holobiont (meta­ organism composed of the coral host, its symbiotic algae and microbiota). For this, I performed an ecologically realistic thermal stress experiment on a coral species, Pocillopora damicornis. This species is widespread in the Indo­Pacific area. I compared the response of two populations whose thermotolerance is different since they are subjected to contrasting thermal regimes. I analyzed, for each of them, the response of the coral host (by RNAseq), as well as the structure and changes in the algal and bacterial microbiota (by metabarcoding). The results show that,while the structure of the microbiota is not influenced by stress, coral responds very differently depending on the population studied. The population from a more fluctuating environment displays a more effective and more plastic response, probably thanks to the involvement of epigenetic mechanisms. Another study carried out on different populations of P. damicornisshowed that the composition of the microbiota is influenced by the host genome and the thermal regime. One of the clades of the symbiotic algae, known to improve the heat­tolerance of the coral host, appears more sensitive to low temperatures than the others.

Biodiversité élevée, complexité des réseaux trophiques et des interactions biotiques, forte productivité, source de produits et de richesses, protection du littoral ... sont quelques unes des caractéristiques emblématiques des écosystèmes coralliens. Cette prodigieuse diversité est largement liée à la biologie particulière des principaux bioconstructeurs du récif, les coraux hermatypiques et leurs zooxanthelles symbiotiques. Mais depuis quelques décennies, la plupart des récifs sont durement affectés par diverses perturbations d'origine naturelle ou anthropique, dont l'intensité et la fréquence augmentent, en lien avec le changement climatique global pour certaines d'entre elles. Parmi ces perturbations, le blanchissement corallien (perte de zooxanthelles symbiotiques et/ou de leurs pigments photosynthétiques) et les maladies coralliennes ont engendré une mortalité importante, parfois massive, des coraux. Le dernier bilan de l'état de santé des récifs à l'échelle planétaire réalisé en 2008 est particulièrement préoccupant : 19% des récifs sont complètement détruits, 20% présentent tous les symptômes d'une destruction imminente, et 20% sont considérés comme menacés dans les décennies à venir. Dans ce contexte, l'ambition de ce travail est d'améliorer les connaissances sur les méchanismes physiologiques et transcriptomiques des coraux soumis à des stress thermiques conduisant au blanchissement, et à des stress biotiques d'origine bactérienne. L'objectif est également de fournir des bases solides pour la mise en oeuvre de biomarqueurs pertinents pour le suivi de l'état de santé des coraux et la prédiction précoce des perturbations. Ce travail a porté sur le corail scléractiniaire Pocillopora damicornis et la bactérie Vibrio coralliilyticus, et a mis en oeuvre des expérimentations "écologiquement réalistes" de stress en milieu contrôlé. Dans une première étude, des colonies de P. damicornis ont été confrontées à une montée graduelle de la température (28 à 32°C) sur une période de 15 jours. Les ARNms différentiellement exprimés (entre conditions stressées et non stressées) ont été isolés par hybridation soustractive et les taux de transcription des gènes les plus intéressants ont été quantifiés par RT-PCR-quantitative. Ces approches ont révélé 2 candidats présentant une répression drastique de leur expression 6 jours avant les premiers symptômes visibles du blanchissement. Des expériences de RACE-PCR ont montré que l'un d'entre eux (PdC-Lectin) contient un domaine lectine de type C présentant une spécificité de reconnaissance pour le mannose. Les expériences d'immuno-localisation ont démontré que cette protéine hôte était potentiellement le médiateur moléculaire des interactions hôte/symbiote, suggérant un rôle dans l'acquisition ou la séquestration des symbiotes. Le second gène (Pdcyst-rich) code une protéine potentiellement impliquée dans les mécanismes de calcification. Sa répression pourrait être le reflet d'un mécanisme de type trade off conduisant à l'arrêt de la croissance durant le stress. La seconde étude a examiné les réponses de P. damicornis confronté à son pathogène spécifique V. coralliilyticus, dans un état virulent (augmentation de la température) et non virulent (température stable). Le processus infectieux a été examiné par microscopie électronique et RT-PCR-quantitative alors que l'état général des coraux a été évalué par des observations visuelles et des mesures de la densité en zooxanthelles. Les résultats montrent que l'infection ne s'est développée qu'après augmentation de la témpérature. Au sein de nombreuses EST obtenues par hybridations soustractives, 6 gènes candidats ont été sélectionnés pour leur implication potentielle dans les mécanismes de la réponse immunitaire, et leur expression a été mesurée tout au long des cinétiques d'interactions virulences et avirulentes (RT-PCR-quantitative). Parmi ces gènes, 3 appartiennent à la famille des lectines, 2 codes des protéines fixant des éléments métalliques et le dernier code un inhibiteur de protéase. L'analyse de leurs patterns de transcription a permis de mieux comprendre la réponse immunitaire du corail, mais aussi l'impact du vibrio sur son hôte. Enfin, la dernière étude a spécifiquement porté sur la caractérisation du premier peptide antimicrobien (AMP) de scléractiniaires, la damicronin de P. damicornis. Nos résultats montrent que la damicornin est constitutivement transcrite dans des cellules granulaires de l'ectoderme oral et stockée sous forme inactive dans les granules. Lors d'un stimulus immun, la damicornin est sécrétée et activée. Nos résultats montrent également que la transcription de la damicornin est réprimée par V. coralliilyticus lorsque ce dernier s'installe dans les tissus coralliens, ce qui semble être le premier exemple de répression d'un AMP lors d'une interaction hôte/Vibrio. Finalement ce sont donc 9 biomarqueurs de stress environnementaux qui ont été identifiés, 2 présentent une répression précoce de leur expression lors d'un stress thermique inducteur de blanchissement et 7 répondent à des stress bactériens. Pour ces derniers, selon l'association de biomarqueurs utilisée il est possible de distinguer des coraux confrontés à des interactions de type avirulente ou virulente. Maintenant que ces biomarqueurs sont identifiés, il apparaît nécessaire de passer aux étapes de validations. Ces dernières auront pour but de quantifier la variabilityé d'expression de ces biomarqueurs à différentes échelles, mais aussi de définir une ligne de base, indispensable pour suivre l'état de santé des coraux à l'aide de ces biomarqueurs. Au terme de ce travail, il apparaît particulièrement judicieux de se pencher sur l'implication des mécanismes épigénétiques dans l'adaptation fonctionnelle des coraux en réponse aux stress environnementaux. L'étude des liens entre l'immunité et la symbiose, marquée ici par les implications différentes d'un même gène (PdC-Lectin) dans ces fonctions, nous paraît également une voie de recherche prometteuse. Enfin, il conviendrait d'étudier l'effet d'un stress acide, ce qui serait particulièrement judicieux dans le contexte actuel d'acidification des océans.

L’origine de la variabilité phénotypique est un sujet très débattu depuis les théories de Lamarck et Darwin. Dans la vision contemporaine de l’évolution adaptative, il est communément admis que la seule source héritable de variabilité phénotypique soit d’origine génétique. Le phénotype est alors le produit du génotype sous l’influence de l’environnement. La mutation aléatoire des séquences d’ADN permet de générer de nouveaux variants phénotypiques qui sont alors soumis à la sélection naturelle. Traditionnellement, il est considéré que les caractères acquis par un individu durant sa vie, en réponse à l’environnement, ne sont pas héritables et ne jouent aucun rôle évolutif. Pourtant, il y a presque un siècle, un biologiste allemand du nom de Victor Jollos a mis en évidence que certains phénotypes peuvent être induits par des conditions environnementales particulières et persister durant quelques générations en l’absence du stimulus initial avant de disparaître progressivement. Il nomma ce phénomène Dauermodifikations, littéralement « modifications de longue durée ». Ses conclusions allaient à contre-courant des conceptions évolutives de son temps, et ont été considérées comme des artéfacts expérimentaux. Toutefois, nous sommes maintenant conscient qu’outre le code génétique, il existe également un autre mécanisme permettant une réponse héritable et pourtant flexible en réponse aux fluctuations environnementales : le code épigénétique. Au cours de cette thèse, j’ai essayé de mieux caractériser le rôle des mécanismes épigénétiques, plus précisément ceux impliques dans la structure chromatinienne, chez deux organismes présentant des Dauermodifikations : le corail tropical Pocillopora damicornis et le parasite humain Schistosoma mansoni. Les deux objectifs principaux de cette étude sont de déterminer (I) de quelle manière l’environnement influence la structure chromatinienne (ciblée ou aléatoire) et (II) dans quelle mesure ces changements sont-ils héritables (mitotiquement ou méïotiquement).Nos résultats ont permis de mieux caractériser les épigénomes des deux organismes étudiés. Nous avons décrit la structure chromatinienne de S. mansoni au travers de la distribution de six modifications d’histones, sur deux stades développementaux. Par ailleurs, nous avons montré chez S. mansoni trois types de changements de la structure chromatinienne : (I) ciblés en réponse à l’environnement, (II) associés au génotype et (III) aléatoires. Seuls les types II et III sont héritables d’un stade développemental du parasite à un autre. Nos travaux sur P. damicornis ont permis de remarquer une structure chromatinienne inhabituelle et d’offrir une première description d’un méthylome de corail. / The origin of phenotypic variability has been much debated since the establishment of Lamarck’s and Darwins theories of evolution. It is commonly accepted in the contemporary vision of adaptive evolution that the only source of heritable phenotypic variability is genetic. Here, phenotypes are the product of the genotypes under the influence of the environment. Random DNA mutations generate novel phenotypes, which are then subjected to natural selection. Traditionally, it is considered that acquired characters are not heritable and have no impact on evolution. Yet almost a century ago, a German biologist named Victor Jollos revealed that some phenotypes could be produced in particular environmental conditions and could persist for a few generations in the absence of the original stimulus, before disappearing gradually. He named this phenomenon Dauermodifikations, literally “long term changes”. His conclusions were going against evolutionary conceptions of his time, and were considered experimental artefacts. However, we are now aware that, in addition to the genetic code, there is also another heritable, and yet flexible, mechanism responding to environmental fluctuations: the epigenetic code. In this thesis, I attempted to characterize the role of epigenetic mechanisms, and more specifically modifications of the chromatin structure, in two organisms with Dauermodifikations: the tropical coral Pocillopora damicornis and the human parasite Schistosoma mansoni. The two main objectives of this study were (I) to determine how the environment influences the chromatin structure (in a targeted or random fashion) and (II) to what extent these changes are heritable (through mitosis or meiosis).My results provide a better knowledge of the epigenome of the two organisms we studied. We have described the chromatin structure of S. mansoni through the distribution of six histones modifications, in two developmental stages. Furthermore, we have shown three types of changes in chromatin structure of S. mansoni: (I) targeted in response to environmental changes, (II) genotype associated, and (III) random. Only types II and III are inherited to the next developmental stages of the parasite. Our work on P. damicornis delivers evidence for an unusual chromatin structure in this organism and to provide the first description of a coral methylome