Zugl.: Göttingen, Univ., Diss., 2008

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2003. / Titre de l'écran-titre (visionné le 31 mars 2004). Bibliogr.

Universiẗat, Diss., 2003--Köln.

Universiẗat, Diss., 2003--Göttingen.

Microrganismos simbiontes são essenciais para a exploração de dietas de baixo valor nutricional, o desenvolvimento, crescimento e a reprodução de seus hospedeiros. Insetos que se alimentam de dieta rica em materiais celulósicos, como é o caso de cupins, apresentam protozoários e/ou bactérias associadas ao trato digestivo que auxiliam na quebra do polímero de celulose e na fixação de nitrogênio. A celulose e a hemicelulose são polímeros estruturais formados por unidades de glicose, sendo a hidrólise desses polímeros de grande interesse industrial para a produção de etanol. O modo mais eficiente de hidrolisar a celulose é pelo uso de enzimas, as celulases. Os cupins apresentam grande eficiência na digestão de celulose e hemicelulose, sendo que a compreensão do processo de digestão de celulose por esses insetos pode facilitar o desenvolvimento de tecnologia mais eficiente para a quebra desse polímero. Assim, este trabalho buscou i) isolar, identificar e caracterizar microrganismos associados ao trato digestivo dos cupins Armitermes euamignathus (Isoptera: Termitidae) e Coptotermes gestroi (Isoptera: Rhinotermitidae); ii) verificar o potencial da microbiota na degradação dos principais componentes da lignocelulose (celulose, xilana e pectina); iii) caracterizar o potencial hidrolítico e determinar as condições ótimas de hidrólise (pH e temperatura das diferentes enzimas produzidas). A análise da microbiota cultivável levou à identificação de 14 filotipos para A. euamignathus e de 11 para C. gestroi, distribuídos nos quatro principais filos, Proteobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes e Actinobacteria. A caracterização da microbiota não-cultivável levou à identificação de 17 filotipos em operários e três em soldados de A. euamignathus, enquanto que em C. gestroi foi possível identificar seis filotipos em operários e oito em soldados. O filo Firmicutes foi o mais abundante em A. euamignathus, enquanto Proteobacteria predominou em C. gestroi. O isolamento de bactérias em meio seletivo para degradação de celulose, xilana ou pectina levou à seleção de oito filotipos para A. euamignathus e cinco para C. gestroi. Extratos brutos obtidos do cultivo dessas bactérias apresentaram atividade de hidrólise de pectina e xilana, mas não celulose. Ensaios para otimização das reações de degradação indicaram a presença de enzimas que atuam em diferentes faixas de pH ótimo. Assim, a microbiota associada aos cupins estudados foi bastante diversa, apresentando ainda diferenças entre as diferentes castas desses insetos. Essa microbiota também atua em parte do processo de degradação da celulose, demonstrando o potencial que bactérias associadas ao intestino de cupins podem apresentar para a identificação de enzimas digestivas que possam ser utilizadas no processamento da celulose. / Symbionts are essential for insect hosts as they enhance the nutritional value of their host diets and support host development, growth and reproduction. Insects that feed on diets rich in cellulose, such as termites, exhibit protozoa and/or bacteria within their digestive tract that aid in breaking the cellulose and in nitrogen fixation. Cellulose and hemicellulose are polymers formed by units of glucose, and the hydrolysis of these polymers is of great industrial interest for the production of ethanol. Cellulases are the most efficient enzymes to break cellulose. Termites have a huge capacity to digest cellulose and hemicellulose; thefore, understanding the process by which they digest cellulose may allow the development of more suitable technologies devoted to the industrial utilization of cellulose. This work aimed to i) isolate, identify and characterize microorganisms associated with the digestive tract of Armitermes euamignathus (Isoptera: Termitidae) and Coptotermes gestroi (Isoptera: Rhinotermitidae), ii) investigate the potential of symbionts in the degradation of the main components of lignocellulose (cellulose, xylan and pectin); iii) characterize the hydrolytic potential and determine the optimum hydrolysis conditions (pH and temperature) for the different enzymes produced. The analysis of culturable microorganisms led to the identification of 14 phylotypes for A. euamignathus and 11 for C. gestroi, which were distributed in four Phyla, Proteobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes and Actinobacteria. The characterization of the non-culturable microbiota led to the identification of 17 phylotypes in workers and three in soldiers of A. euamignathus, while six phylotypes were identified in workers and eight in soldiers of C. gestroi. Firmicutes was the most abundant in A. euamignathus, while Proteobacteria predominated in C. gestroi. The isolation of bacteria in selective medium to degrade cellulose, xylan or pectin led to the selection of eight phylotypes from A. euamignathus and five from C. gestroi. Crude extracts obtained from the cultivation of these bacteria showed hydrolytic activity towards to xylan and pectin, but not cellulose. Assays for optimization of enzymatic reaction indicated the presence of enzymes that act at different pH ranges great. As a conclusion, symbiont diversity was quite different between the termites species and in between the castes of these species. But the microbiota isolated also acts in the degradation of cellulose, demonstrating the potential for the gut-associated bacteria of termites may present for the identification of digestive enzymes which can be used in the processing of cellulose.

Les symbioses ont un role majeur dans le fonctionnement et l'equilibre des ecosystemes. Dans les oceans, qui couvrent pres de 70 % de la surface de la planete, vivent une multitude d'organismes incapables de lutter contre les courants et la plupart sont microscopiques, il s'agit du plancton. Les organismes du plancton, comme ceux d'autres ecosystemes, entretiennent des symbioses, mais la nature et l'ampleur de ces interactions sont encore mal connues dans le plancton du fait la petite taille de ces organismes et de la difficulte d'echantillonnage des ecosystemes planctoniques, surtout dans les zones les plus eloignees des cotes. Les principaux objectifs de cette these sont de donner un apercu global de la place occupee par ces symbioses dans le plancton et de proposer des methodes originales permettant leur detection. Les travaux presentes dans ce manuscrit s'appuient sur l'analyse des donnees generees lors de l'expedition Tara Oceans (2009-2013) pendant laquelle 210 stations oceaniques ont ete echantillonnees a travers le monde. Ils concernent plus precisement le jeu de donnees environnemental obtenu grace au sequencage a haut debit (Illumina) de la region hypervariable V9 (130 nucleotides) de la sousunite 18S de l'ADN ribosomique des organismes eucaryotes (metabarcoding). Dans un premier temps, un etat des lieux de la diversite et de la structure des communautes du pico-nano-micro-mesoplancton (0,8-2000 μm) eucaryote de la zone photique des oceans temperes a tropicaux est realise. Il met en evidence la place importante occupee par les symbiotes au sein de ces communautes. Ensuite, l'etude de deux cas de symbiose (Blastodinium- Copepodes et Symbiodinium-Tiarina) montre les difficultes inherentes a la detection de couples symbiotiques a partir d’un jeu de donnees issue d'etudes par metabarcoding du plancton (flexibilite de la specificite des symbioses dans le plancton), mais aussi la possibilite de distinguer les differentes phases de vie des symbiotes (libres et symbiotiques) lorsque les echantillons etudies ont ete fractionnes. Enfin, un ensemble de methodes est propose afin d'ameliorer l'efficacite de la detection de symbioses dans le cadre d'etudes par reseau de cooccurrences des communautes planctoniques. L'analyse de la distribution des metabarcodes le long des fractions de taille (piconano- (0.8-5 μm), nano- (5-20 μm), micro- (20-180 μm), et meso-plancton (180-2000 μm)) permet de differencier ceux provenant d'organismes symbiotiques de ceux d'organismes libres, sans a priori. De plus la comparaison de l'abondance de groupes genetiques definis a differents niveaux de resolution permet de detecter des associations symbiotiques peu specifiques et d'apprecier leur niveau de specificite. / The oceans, which cover nearly 70 % of the earth's surface, is host to a myriad of mostly microscopic organisms that drift with the currents and are collectively called plankton. As in other ecosystems, symbioses play a major role in the functioning and equilibrium of the plankton. But the exact nature and strength of those symbiotic interactions are still poorly known, not only due to the small size of most planktonic organisms, but also because of the inherent difficulty of sampling planktonic ecosystems, especially in the high-seas. The main goals of this thesis are to give a global view of the importance of planktonic symbioses and to propose novel methods for their detection. The work presented in this manuscript is based on analyses of data generated during the Tara Oceans expedition (2009-2013), during which sea water was collected and size fractionated by filtration at 210 sampling locations distributed across the world's oceans. The data analyses presented herein mostly focus on an environmental metabarcoding dataset obtained from next-generation sequencing (Illumina) of the V9 hypervariable region (~130 nucleotides long) of the 18S small ribosomal subunit of eukaryotic organisms. We begin by assessing the diversity and structure of pico-, nano-, micro and meso-planktonic eukaryotic communities (0.8-2000 μm) in the photic zone of tropical to temperate sea regions. Then, we present two cases of symbioses (Blastodinium-Copepods and Symbiodinium-Tiarina) to illustrate both the difficulties encountered when trying to detect symbiotic relationships using metabarcoding data due to varying specificities of symbiotic relationships, but also the potential solutions offered by size-fractionated sampling to distinguish between the different stages of the life cycle of symbiotic organisms (free living and symbiotic stages). Finally, we propose a set of methods to improve the detection of symbioses by studying the co-occurrence of organisms in planktonic communities: we use the distribution of metabarcodes along size fractions ((piconano- (0.8-5 μm), nano- (5-20 μm), micro- (20-180 μm), and meso-plancton (180-2000 μm)) to distinguish likely free living organisms from those that have a symbiotic life style, and we compare the abundance of genetic groups constructed by clustering metabarcodes at different resolution levels, which allows us to detect interactions occurring above the species level and to evaluate their level of specificity.

Le succès évolutif des Cnidaires symbiotiques réside en grande partie dans leurs échanges trophiques établis avec les Dinoflagellés du genre Symbiodinium. Cependant, le réchauffement climatique global ainsi que les pollutions ont un impact fort sur les écosystèmes coralliens, notamment en conduisant à la rupture de la symbiose, phénomène appelé blanchissement. La compréhension des mécanismes qui régissent l’établissement, le maintien et la rupture de la symbiose est essentielle à la prévention des épisodes de blanchissement massif. Dans ce contexte, les objectifs de mon projet de thèse sont de caractériser les médiateurs chimiques de l’anémone de mer Anemonia viridis, de les localiser, et d’analyser leur réponse face à un stress. Parmi les composés caractérisés, les lipides et les bétaïnes sont les plus abondants et présentent une grande diversité. Certains sont transférés des symbiotes vers l’hôte. Des anémones de mer ont ensuite été traitées en laboratoire afin de provoquer la rupture de la symbiose et le blanchissement des individus. Une étude cinétique a été menée par une approche globale comparative identique à celle réalisée sur l’anémone symbiotique. Par ailleurs, une cartographie de l’évolution de composés clé a été réalisée par MALDI-MSI. La réponse au stress a été évaluée et a permis d’identifier des lipides de bétaïne et trois indicateurs lipidiques comme marqueurs de réponse précoce au stress. L’ensemble de ces résultats apporte de nouveaux éléments de réponse concernant le rôle des médiateurs chimiques clés dans le maintien de la symbiose, ainsi que leur influence sur sa rupture. / The ecological success of cnidarian-dinoflagellate symbiosis mainly relies on nutrient recycling. Environmental changes, such as global warming or pollution, often result to symbiosis breakdown, also called cnidarian bleaching. The understanding of mechanisms regulating the symbiosis establishment, maintenance and breakdown is essential to prevent massive bleaching phenomena. In this respect, my PhD project focused on the characterization of chemical mediators expressed in the sea anemone Anemonia viridis, their localization and their modulation by stress conditions. A comparative study was first conducted to characterize the chemical mediators and analyze their distribution within the symbiotic sea anemone. We described a great abundance and diversity of lipids in A. viridis tissues. From these results, we proposed possible transfers of FAs between the symbiotic partners. A thermal stress and a chemical stress have also been applied in laboratory-controlled conditions in order to induce symbiosis breakdown and bleaching of the sea anemones, in order to correlate A. viridis metabolome to its symbiotic status. A mapping of these metabolites has been performed by MALDI-MSI of tentacle cross-sections, as well as their evolution following stress. Some betaine lipids have thus been proposed as short-term indicators of stress. A. viridis stress response has also been evaluated with a lipidomic approach, and allowed to identify 3 lipid indicators of early stress response based on membrane fluidity markers. Overall, this study provides insight on key chemical mediators that may regulate the symbiosis maintenance, and may contribute to the symbiosis breakdown.

Les sources hydrothermales océaniques profondes renferment des écosystèmes extrêmes, situés dans la zone abyssale des Océans. Dans ces environnements dépourvus de lumière, la production primaire est réalisée par la chimiosynthèse microbienne. Ces milieux sont colonisés par des espèces animales, dont la plupart vivent en associations plus ou moins fortes avec des micro-organismes. La crevette Rimicaris exoculata est une espèce hydrothermale endémique des sites de la Ride-Médio-Atlantique (MAR), qui domine la plupart des sites qu’elle colonise. Ce crustacé a pour particularité de posséder deux communautés symbiotiques : une située dans son céphalothorax hypertrophié et une inféodée à son tractus digestif. Tout d’abord, ce travail de thèse s’est concentré sur l’étude de la communication bactérienne (Quorum Sensing ou QS) au sein des communautés ectosymbiotiques de R. exoculata au cours de son cycle de mue et de vie. Ensuite, ce travail s’est focalisé sur l’identification d’un peptide antimicrobien (PAM), puis à rechercher sa fonction dans l'immunité et le contrôle des symbiotes chez Rimicaris exoculata. Ce travail a permis, d’une part, de confirmer la présence de deux gènes du QS (luxS et luxR) dans les communautés ectosymbiotiques de R. exoculata sur quatre sites hydrothermaux : Rainbow, TAG, Snake Pit et Logatchev. Ces gènes étant plus divergents que ceux de l'ARNr 16S, leur utilisation comme marqueurs génétiques biogéographiques pour retracer l'origine des individus est discuté. Ce travail a permis, d’autre part, d’identifier pour la première fois un PAM (sus nommé Re-crustin), chez un arthropode hydrothermal. Les données suggèrent une participation de ce PAM dans le contrôle de l’ectosymbiose. L’ensemble de ces travaux apporte de nouvelles hypothèses sur l’interaction entre les épibiontes du céphalothorax et la crevette Rimicaris exoculata. / Deprived of light, the deep-sea hydrothermal vents are extremes ecosystems sustained by micobial chemosynthesis. These environments are colonized by animal species living in close relationships with these chemoautotrophic micro-organisms, eating them or establishing long term interactions with them, may they be trophic or not only. The shrimp Rimicaris exoculata is an endemic hydrothermal species of the Mid-Atlantic Ridge (MAR) sites. This crustacean represents the predominant macrofauna of some sites of the MAR. It lives in symbiotic association with two distinct microbial communities qualified as ectosymbiosis. One is located in its gill chamber and one in its gut. First, this work focused on the study of bacterial communication (Quorum Sensing or QS) within the ectosymbiontic communities during the molting and life cycles of R. exoculata. Then, we focused on an antimicrobial peptide (AMP) identification and search for its function in R. exoculata immunity and in controlling symbionts. Two QS genes (luxS and luxR) were identified in the R. exoculata ectosymbiontic community at different shrimp molt stages and life stages at the Rainbow, TAG, Snake Pit and Logatchev vent sites.As these genes are more divergent than that of 16S rRNA, they could be then used as biogeographical genetic markers tools to trace back the origin of individuals to a location or between locations along its life cycle. This work reports also the first description of an AMP in an extremophile arthropod (namely Recrustin). Data suggest a participation of this AMP in the control of the ectosymbiosis in Rimicarisexoculata. All this work provides new hypotheses wich are discussed in the manuscript, dealing with the interaction between symbionts and Rimicaris exoculata.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les espèces du groupe Piptadenia sont des légumineuses endémiques du Brésil, dont la plupart sont des arbres capables de se développer sur des sols peu fertiles faisant d'eux de bons candidats pour le reboisement des terres dégradées. Les Piptadenia établissent une symbiose à la fois avec des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) et des rhizobiums. Ces espèces sont proches du genre Mimosa, connu pour son affinité pour les symbiotes du genre Burkholderia. Dans ce travail de thèse nous décrivons la biodiversité des symbiotes rhizobiums associés au groupe Piptadenia, et élargissons l'affinité des Burkholderia à ce groupe de légumineuses. Les études phylogénétiques sur des marqueurs neutres et symbiotiques montrent une origine stable et ancienne de la symbiose Burkholderia/Mimoseae. Les études de spécificité d'association entre espèces de Burkholderia et espèces de Piptadenia montrent que cette dernière est lâche, les patterns d'association étant davantage liées aux sites prospectés au Brésil plutôt qu'à une sélection par l'hôte. Dans un second temps, nous avons étudié l'association tripartite entre plusieurs génotypes de Burkholderia, un CMA (Glomus clarum), et l'espèce Piptadenia gonoacantha, décrite dans la littérature comme formant une nodulation mycorhize-dépendante. Nos travaux montrent que la nodulation n'est pas CMA-dépendante, mais par contre l'efficience symbiotique des nodules dépend de la mycorhization pour certains génotypes de Burkholderia. Nous décrivons également des interactions entre symbiose rhizobienne et mycorhizienne au sein des nodules (présence du CMA dans les nodules avec sporulation dans certaines combinaisons de symbiotes). Ces travaux soulèvent la nécessité de prendre en compte les interactions génotype-génotype entre symbiotes rhizobiens et mycorhiziens lors de la sélection des inoculums dans le cadre des programmes de revégétalisation au Brésil par des arbres du groupe Piptadenia. / The Piptadenia group comprise endemic species from Brazil of which many are trees able to develop on poorly fertile soils and are good candidates for revegetation programs. Piptadenia species establish symbioses with both arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and rhizobia. These species are phylogenetically close to the Mimosa genus, known for its affinity for Burkholderia rhizobial symbionts. In this thesis we describe the biodiversity of rhizobial symbionts associated to the Piptadenia group, and enlarge the affinity towards Burkholderia to this group of legumes. Phylogenetic studies on neutral and symbiotic markers show a stable and ancient symbiosis Burkholderia/Mimoseae. Specificity studies between Burkholderia and Piptadenia group species show that specificity is not strong, and that patterns of associations between partners are isolation site dependent rather than linked to the host legume. In the second part of this thesis we have studied the tripartite association between several Burkholderia genotypes, an AMF (Glomus clarum), and Piptadenia gonoacantha (Pg), a legume species described as making an AMF-dependent nodulation (Jesus et al., 2005). Our experiments show that nodulation in Pg is not AMF-dependent, but that symbiotic efficiency of nodules rely on AMF presence for specific Burkholderia genotypes. We also describe interactions between rhizobial and mycorrhizal symbiosis (AMF presence in nodules, with sporulation in several symbionts combinations). Our work underlines the necessity to consider genotype-genotype interactions between rhizobial and AMF symbionts for the selection of synergistic inoculums in revegetation programs using Piptadenia group species in Brazil.