Les bactéries endosymbiotiques Wolbachia se transmettent verticalement de la mère aux descendants mais également horizontalement d'un hôte arthropode à l'autre. Chez les isopodes terrestres, les Wolbachia montrent une diversité et une prévalence élevées et bouleversent la reproduction de leurs hôtes en féminisant les mâles ou en induisant des incompatibilités de croisements.Nous avons utilisé la diversité de ces souches de Wolbachia pour étudier leur plasticité en terme de changement d'hôte et l'évolution de leur virulence. Nos résultats montrent la grande plasticité des Wolbachia, s'installant chez tous les hôtes testés. Par ailleurs, un transfert horizontal est possible à partir de différentes sources tissulaires : ovaires et hémocytes ainsi que lors de la prédation d'un individu infecté. De plus, les transferts horizontaux aux échelles intra comme interspécifique peuvent modifier la nature des interactions entre Wolbachia et leurs hôtes et mener à une relation de type hôte-pathogène. Ce type d'interaction a été spécifiquement exploré pour comprendre les mécanismes impliqués dans les changements de virulence. Nous avons démontré que la réponse autophagique de l'hôte contre Wolbachia pouvait jouer un rôle majeur dans la nature pathogène de l'interaction. De plus, par une approche d'évolution expérimentale, nous montrons que Wolbachia peut devenir pathogène pour son hôte natif chez qui elle est habituellement peu virulente. En détournant les Wolbachia de leur voie de transmission verticale et en les transmettant uniquement de manière horizontale, elles deviennent beaucoup plus invasives et tuent leur hôte. / Wolbachia are basically endosymbiotic bacteria, vertically transmitted from mother to offspring. However, they can also pass horizontally from one arthropod host to another. Among terrestrial isopods, the Wolbachia exhibit high diversity and prevalence and disturb their host reproduction by feminizing males into females or inducing crossing incompatibilities.We took advantage of this diversity of Wolbachia in terrestrial isopods to study their plasticity through hosts switching and the evolution of their virulence. Our results highlighted their huge plasticity as they were capable of settling in all the tested terrestrial isopods hosts. These horizontal transfers can be performed with different tissues as a source of Wolbachia: Ovaries and hemocytes, but also when an uninfected host preyed an infected one. Moreover, horizontal transfers can modify the nature of the interaction between Wolbachia and their hosts moving towards a host-pathogen relationship. We further explored such conflicting interactions in order to investigate the reasons of the changes in virulence. We demonstrated that the host autophagic response against Wolbachia can turn against the host itself and making the symbiont a pathogen. Moreover, by using experimental evolution, we revealed that Wolbachia could increase in virulence against the native host it normally does not harm in a context of vertical transmission. When we disrupted the vertical transmission mode in order to exclusively transmit Wolbachia by horizontal contagious mode, they became much more invasive and rapidly killed their native host.

The drastic increase in Internet usage demands the need for processing data in real time with higher efficiency than ever before. Symbiote Coprocessor Unit (SCU), developed by Dr. Pranav Vaidya, is a hardware accelerator which has potential of providing data processing speedup of up to 150x compared with traditional data stream processors. However, SCU implementation is very complex, fixed, and uses an outdated host interface, which limits future improvement. Mr. Tareq S. Alqaisi, an MSECE graduate from IUPUI worked on curbing these limitations. In his architecture, he used a Xilinx MicroBlaze microcontroller to reduce the complexity of SCU along with few other modifications. The objective of this study is to make SCU suitable for mass production while reducing its power consumption and delay. To accomplish this, the execution unit of SCU has been implemented in application specific integrated circuit and modules such as ACG/OCG, sequential comparator, and D-word multiplier/divider are integrated into the design. Furthermore, techniques such as operand isolation, buffer insertion, cell swapping, and cell resizing are also integrated into the system. As a result, the new design attains 67.9435 µW<p></p> of dynamic power as compared to 74.0012 µW<p></p> before power optimization along with a small increase in static power, 39.47 ns of clock period as opposed to 52.26 ns before time optimization.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The drastic increase in Internet usage demands the need for processing data in real time with higher efficiency than ever before. Symbiote Coprocessor Unit (SCU), developed by Dr. Pranav Vaidya, is a hardware accelerator which has potential of providing data processing speedup of up to 150x compared with traditional data stream processors. However, SCU implementation is very complex, fixed, and uses an outdated host interface, which limits future improvement. Mr. Tareq S. Alqaisi, an MSECE graduate from IUPUI worked on curbing these limitations. In his architecture, he used a Xilinx MicroBlaze microcontroller to reduce the complexity of SCU along with few other modifications. The objective of this study is to make SCU suitable for mass production while reducing its power consumption and delay. To accomplish this, the execution unit of SCU has been implemented in application specific integrated circuit and modules such as ACG/OCG, sequential comparator, and D-word multiplier/divider are integrated into the design. Furthermore, techniques such as operand isolation, buffer insertion, cell swapping, and cell resizing are also integrated into the system. As a result, the new design attains 67.9435 µW of dynamic power as compared to 74.0012 µW before power optimization along with a small increase in static power, 39.47 ns of clock period as opposed to 52.26 ns before time optimization.

Les symbiotes d'insectes peuvent considérablement influencer leurs hôtes de diverses manières. Nous avons étudié ici la communauté de microbes de la mouche du chou (Delia radicum) et plus particulièrement le rôle de son microbiote intestinal et de Wolbachia, une bactérie intracellulaire. La transmission verticale et maternelle de Wolbachia était de 100% et nous n’avons trouvé aucune preuve de manipulation de la reproduction telles que l’incompatibilité cytoplasmique, la parthénogenèse thélytoque, la féminisation ou la dégénérescence des embryons mâles. Les effets de Wolbachia sur D. radicum étaient significatifs mais modérés, et se compensaient mutuellement (réduction du taux d’éclosion, meilleure survie larvo-nymphale, temps de développement plus long et augmentation de la mortalité des femelles en conditions de stress), ce qui suggère une infection quasi neutre chez cette espèce, même si nous avons observé une augmentation de la fréquence d’infection en conditions idéales. L'influence du microbiote intestinal a été étudiée en utilisant un antibiotique, la tétracycline, avec un protocole sur trois générations, ce qui a permis de discerner l’effet direct (toxique) de la tétracycline de ses effets indirects (perte de symbiotes) sur l’hôte. Le traitement antibiotique de D. radicum a eu de multiples effets, généralement négatifs, sur les traits d’histoire de vie des descendants, ces effets pouvant être détectés jusqu'à deux générations après le traitement. La perturbation du microbiote intestinal semble avoir un rôle plus important qu'un simple effet toxique de la tétracycline elle-même. De plus, l’étude suggère que le microbiote semble avoir un rôle bénéfique chez cette espèce, et qu’il est au moins partiellement hérité de la mère. Pour finir, nous avons étudié si Wolbachia pouvait modifier le dialogue plante-insecte entre D. radicum et l’une de ses plantes-hôtes, le colza (Brassica napus). La présence du symbiote a diminué les concentrations de glucosinolates dans les feuilles, ce qui suggère que Wolbachia pourrait améliorer la fitness de son hôte en diminuant les signaux chimiques de la plante pouvant être utilisés par les conspécifiques et/ou ennemis naturels de D. radicum. Cette étude a montré le potentiel d'une bactérie intracellulaire à influencer les relations plantes-insectes et a permis de discuter des interactions tri-trophiques entre les symbiotes, leurs insectes-hôtes et un troisième niveau trophique : la plante. Cette thèse démontre qu'il est maintenant nécessaire de prendre en compte les symbiotes dans de prochaines études, afin de mieux comprendre les relations possibles entre différents partenaires, ainsi que leurs implications écologiques ou évolutives. / Microbial symbionts can deeply influence their animal hosts in various ways. Here, we studied the community of microbes of the cabbage root fly (Delia radicum) and more precisely the role of its gut microbiota and of Wolbachia, an intracellular bacterium. The vertical maternal transmission of Wolbachia was perfect, and we found no evidence of manipulation of reproduction such as cytoplasmic incompatibility, thelytokous parthenogenesis, feminization nor male killing. Wolbachia infection had significant but moderate and mutually compensating effects on D. radicum (reduced hatch rate, improved larvo-nymphal viability, longer development time and increased female mortality in stress conditions), suggesting that infection might be nearly neutral in this strain, although we observed an increase in infection frequency in ideal rearing conditions. The influence of the gut microbiota was studied using an antibiotic, tetracycline, with a protocol spanning three generations, which allowed to discriminate the possible direct (toxic) effect of tetracycline from its indirect effects (due to the loss of gut symbionts). Antibiotic treatment of adults led to multiple and mostly negative effects on life history traits of their offspring and grandchildren. Data suggested a larger role of gut microbiota perturbation than of a toxic effect, that the microbiota was partially inherited maternally, and that the “wild-type” gut microbiota was beneficial in this species. Finally, we investigated whether Wolbachia could modify the insect-plant dialogue between D. radicum larvae feeding on roots of oilseed rape (Brassica napus). The presence of the symbiont decreased glucosinolate concentrations in the leaves, suggesting that Wolbachia could increase the fitness of its host by decreasing plant cues used by D. radicum conspecifics and/or natural enemies. This study showed the potential of an intracellular bacteria to influence plant-insect relationships, and allowed to discuss the tri-trophic interactions between symbionts, their insect hosts and a third trophic level: the plant. This thesis demonstrates the necessity to consider intracellular and extracellular symbionts in further studies, in order to unravel all the possible relationships between different partners, as well as their ecological or evolutionary implications.

Les patrons de distribution chez les micro-organismes reposeraient sur leurs capacités à disperser dans le temps et dans l'espace, en lien avec des facteurs abiotiques comme les propriétés du sol, le climat, et des interactions biotiques, notamment avec l'hôte dans le cas des symbiontes, mais aussi sur les traits d'histoire de vie propres aux micro-organismes, telle que la capacité à sporuler. Frankia sp. est une actinobactérie sporulante et fixatrice d'azote à la biogéographie complexe, car vivant à la fois de façon saprophytique dans le sol, en symbiose racinaire (nodosité) avec les plantes actinorhiziennes dont les aulnes (Alnus, Betulaceae). Deux types de souches de Frankia génétiquement différentes ont été décrites dont la distinction phénotypique majeure réside dans la capacité à maintenir (Sp+) ou non (Sp-) leur sporulation in planta. Cette sporulation endophytique est à notre connaissance unique dans un contexte symbiotique et son implication dans la biogéographie de Frankia, reste peu connue. Ces travaux de thèse intègrent à la fois des approches descriptives et expérimentales, sur le terrain et au laboratoire, afin d'accroître la compréhension du rôle écologique de la sporulation in planta de Frankia. Dans un premier temps, nous avons étendu la description de la phylobiogéographie des souches de Frankia Sp+ afin de tester la validité du patron de distribution centré sur les milieux froids des zones de haute altitude et de haute latitude de l'hémisphère nord. Un intérêt tout particulier a été porté sur les aires géographiques où une plus forte diversité de Frankia était attendue, dans la zone d'origine de l'aulne et ses refuges glaciaires. Dans un second temps, nous avons étudié l'influence du partenaire végétal dans la distribution observée des Frankia Sp+ et l'implication du trait Sp+ dans la capacité d'association à l'hôte. Des croisements expérimentaux ont été réalisés au laboratoire afin de découpler les effets de l'espèce-hôte et du climat, et tester les implications du trait Sp+ en termes d'infectivité, compétitivité et spectre d'hôte. Enfin, nous avons étudié les conséquences écosystémiques de l'expansion subalpine du complexe symbiotique Alnus/Frankia, au niveau de la diversité microbienne et du fonctionnement du cycle de l'azote, en fonction du phénotype de sporulation des souches associées. Des analyses pédologiques, en association avec des mesures de nitrification, dénitrification et fixation d'azote, ainsi que des analyses de diversité microbienne (globale et fonctionnelle), ont été réalisées dans différentes aulnaies Sp+, Sp- ou mixte, à différents stades de colonisation de l'aulne. Les résultats obtenus démontrent une prédominance des souches Sp+ associées aux espèces d'aulne des milieux froids sur les 3 continents de la zone Holarctique, avec une diversité nouvelle dans l'aire d'origine et les zones refuges de l'aulne. Les croisements effectués révèlent une infectivité et compétitivité plus forte des Sp+ par rapport aux Sp-. De plus, contrairement aux Sp- à spectre d'hôte très large, les Sp+ présentent un spectre limité entraînant des incompatibilités d'association suggérant une dépendance forte à une espèce-hôte donnée. Les modifications des communautés microbiennes du sol en réponse à l'expansion du complexe symbiotique Alnus/Frankia ont été démontrées, en lien avec la stimulation du cycle de l'azote dans les milieux sub-/alpins. Les premiers résultats sur l'efficience comparée de la fixation d'azote in natura des souches Sp- par rapport aux Sp+ suggèrent que 100% de l'azote de l'aulne est obtenu par le biais de la fixation. Aucun patron n'est mis en évidence entre souches Sp+ et Sp-, suggérant un effet plus complexe de la saisonnalité, de l'âge de l'arbre et de celui de la nodosité. Les résultats obtenus nous permettent de mieux appréhender les facteurs guidant la biogéographie de Frankia et de discuter de l'évolution de ces patrons de distribution en réponse au réchauffement climatique / Microbial biogeography would be based on the ability of microorganisms to disperse across time and space, as a function of abiotic factors such as soil properties, climate, and of biotic interactions, in particular with the host in the case of symbionts, but also on life history traits such as the ability to sporulate. Frankia sp. is a spore-forming and nitrogen-fixing actinobacterium that has a complex biogeography given its abilities for both saprophytic life and root symbiotic interaction with actinorhizal plants such as alders (Alnus, Betulaceae). Two distinct groups of Frankia lineages have been described according to a major phenotypic divergence, based on the presence (Sp+) or the absence (Sp-) of spores in planta.. To the best of our knowledge, this endophytic sporulation is an original trait in a symbiotic context and very little is known about its incidence in Frankia biogeography. This work integrates descriptive and experimental approaches on both field and laboratory areas, in order to improve the understanding of the ecological role of Frankia in planta sporulation. First, we have extended the description of the phylobiogeography of Sp+ Frankia strains to validate the previously proposed distribution pattern focused on cold environements at high altitude or high latitude. A phylogeny has been computed using a large number of nodular strains coming from the 3 continents of the Northern Hemisphere and 10 different Alnus species. Special attention was paid to geographic areas where a higher diversity was expected, in Asia, and in its glacial refuges. Second, we studied the influence of the host-plant on the distribution of Fankia Sp+ and the incidence of Sp+ in the symbiotic interaction. Experimental crosses have been performed to disentangle host and climate effects and to test the incidence of the Sp+ trait in terms of infectivity, competitiveness and host-range. Finally, we studied the ecological consequences of the Alnus/Frankia symbiotic complex, on the microbial diversity and on the nitrogen cycle functionning, with respect to the sporulation of Frankia and to the Alnus expansion on sub-/alpine grasslands. Soils analyses were performed in association with measures of nitrification and denitrification, as well as global and functional microbial diversity analyses, in Sp+, Sp- or mixed alder stands and at different colonization stages. In each part of this work, alder ectomycorhizae were analyzed to compare the distribution pattern between the two symbionts and to highlight potential interactions with the Sp+ trait of Frankia. Our results show the dominance of Sp+ strains in nodules of alder species from cold environments over the 3 continents of the Holarctic zone, with original diversity patterns in alder area of origin and in glacial refuges. Even if these strains are genetically homogenous, host-specific clusters were observed in the phylogeny. Crosses revealed that Sp+ strains were more infective and competitive than Sp- strains. Moreover, unlike Sp- strains that harbor a wide host-range, Sp+ strains have a narrower specificity leading to association’s incompatibilities and suggesting strong host dependence. For the first time, modifications of microbial communities were revealed in response to the Alnus-Frankia symbiotic complex colonization and were linked to a stimulation of the nitrogen cycle in the sub-/alpine grasslands. The first comparative results of nitrogen fixation between Sp+ and Sp- strains in natura suggest a maximal efficiency of fixation, representing almost 100% of the alder nitrogen. However, unlike previous reports in literature, no pattern was observed between Sp+ and Sp- strains, suggesting a complex effect of seasonality, alder age as well as that of nodules. Altogether, the previous results contribute to a better understanding of the Frankia biogeography drivers and allow us to discuss the expected evolution of distribution pattern in response to the global warming

Les associations symbiotiques entre microorganismes et eucaryotes sont omniprésentes dans le monde vivant. Ces microorganismes peuvent jouer un rôle crucial dans l’évolution et l’écologie de leurs porteurs en modifiant leur phénotype. Ces symbiotes étant le plus souvent héritables, les phénotypes étendus résultant de ces associations symbiotiques peuvent se transmettre aux générations suivantes. Certains microorganismes vont permettre l’accès à une ressource alimentaire, d’autres conférer une protection contre un ennemi. Une telle protection symbiotique est rencontrée chez le puceron du pois (Acyrthosiphon pisum) en interaction avec la bactérie Hamiltonella defensa. Cette symbiose confère au puceron une résistance face à l’attaque de son principal ennemi : le parasitoïde Aphidius ervi. Les populations de ce ravageur des Légumineuses sont structurées en biotypes (populations spécialisées sur des plantes hôtes). La distribution du symbiote protecteur au sein des populations de pucerons est singulière. De nombreux individus vivant sur la luzerne, la bugrane ou les genêts abritent ce symbiote alors qu’il est peu fréquent dans les populations d’autres biotypes d’A. pisum comme le pois ou le trèfle. Nous avons cherché à comprendre pourquoi H. defensa n’était pas retrouvé chez tous les biotypes du puceron du pois. Afin de prédire la dynamique de la symbiose protectrice et le potentiel de résistance dans les populations aphidiennes naturelles, nous nous sommes intéressés à plusieurs processus écologiques et évolutifs. L’incidence de la pression des parasitoïdes sur la composition des populations symbiotiques a été mesurée chez trois biotypes (luzerne, pois et trèfle) à travers une approche terrain. La distribution du symbiote H. defensa dans les populations est directement dépendante de la variabilité du phénotype associé exprimé dans les différentes populations, j’ai identifié les phénotypes associés au symbiote pour des pucerons issus de différents biotypes ainsi que l’influence du contexte local sur ces phénotypes. L’absence d’H. defensa chez certains individus peut s’expliquer par la redondance d’une fonction protectrice en place chez ces biotypes comme un alternative symbiotique autre que H. defensa ou encore une immunité forte. Enfin, nous avons testé si le cumule des protections symbiotiques conférées par deux bactéries du cortège du puceron du pois pouvaient se cumuler créant ainsi des super-organismes. Mon travail met en évidence l’implication de nombreux facteurs dans la prédiction des fréquences symbiotiques d’une bactérie facultative dans les populations d’hôte. / Symbiotic associations between microorganisms and eukaryotes are ubiquitous in the living world. These microorganisms can play a crucial role in the evolution and ecology of their hosts by altering their phenotypes. Since these symbionts are usually heritable, extended phenotypes resulting from these symbiotic associations may be transmitted to subsequent generations. Some microorganisms will allow access to a food source; others will provide protection against natural enemies. Such symbiotic protection is found in the pea aphid (Acyrthosiphon pisum) in its interaction with the bacteria Hamiltonella defensa. This symbiosis provides the aphid with a resistance against the attack of its main parasitoid enemy: Aphidius ervi. The populations of the pea aphid, a legume pest insect, are structured in different biotypes (specialized populations on host plants). The distribution of this protective symbiont within pea aphid populations is singular: many individuals living on Medicago sativa (alfalfa), Ononis spinosa or Genista sagittalis and G. tinctoria host plant with H. defensa while it is rarely found in other populations of A. pisum biotypes such as Pisum sativum (pea) or Trifolium sp. (clover). We sought to understand why H. defensa was not found in every pea aphid biotype. In order to predict the dynamics of the protective symbiosis and the resistance potential in natural aphid populations, we focused on several ecological and evolutionary processes. We measured the consequence of parasitoid stress in the composition of symbiotic populations in three different biotypes (alfalfa, clover and pea) using a field approach. The distribution of H. defensa symbiont in populations dependent directly on the variability of the associated phenotype expressed in different populations. We identified the phenotypes associated with this symbiont in aphids from different biotypes, and the influence of the local context on these phenotypes. The lack of H. defensa in some individuals can be explained by the redundancy of a protective function already in place in these biotypes, such as an alternative symbiotic species or a strong immunity. Finally, we tested whether the symbiotic protections provided by two different bacteria in the pea aphid could be cumulated, thus creating super-organisms. My work highlights the many factors involved in predicting the frequencies of facultative symbiotic bacteria in host populations.

Les Wolbachia sont des alpha-proteobactéries présentes chez de nombreux arthropodes et nématodes filaires. Ces bactéries héritées maternellement induisent chez leurs hôtes des phénotypes allant du parasitisme au mutualisme, avec le long de ce continuum des phénotypes tels que la féminisation (F), l'incompatibilité cytoplasmique (IC) ou la mort des mâles. Wolbachia est ainsi un modèle particulièrement intéressant pour étudier les différents types de relations symbiotiques.Chez Brugia malayi, comme pour les autres nématodes filaires, Wolbachia vit en symbiose obligatoire avec son hôte. L'élimination de la bactérie par des traitements antibiotiques entraîne une perte de fertilité voire la mort du nématode. Chez l'isopode terrestre Armadillidium vulgare, Wolbachia induit la féminisation des mâles génétiques en femelles fonctionnelles entraînant des biais de sex-ratio vers les femelles dans la descendance.Pour comprendre les mécanismes impliqués dans ces deux symbioses, nous avons mis au point une nouvelle méthode de capture pour isoler l'ADN de Wolbachia et séquencer 8 souches de Wolbachia d'isopodes (F et IC). Une étude de génomique comparative a permis d'établir un premier pan-génome des bactéries du genre Wolbachia et d'identifier 2, 5 et 3 gènes présents seulement chez les souches mutualistes, féminisantes ou induisant la mort des mâles. L'expression des gènes potentiellement impliqués dans la féminisation ou le mutualisme a été étudiée au cours du développement de l'hôte. L'étude de l'interactome protéique bactérie-hôte a ensuite été initiée en utilisant comme appât des protéines bactériennes à domaines eucaryotes en vue d'identifier les cibles de Wolbachia chez l'hôte. / Bacteria of the genus Wolbachia are gram-negative alpha-proteobacteria present in many arthropods and filarial nematodes. These obligate intracellular bacteria are maternally inherited and induce a large number of phenotypes across the symbiosis continuum from mutualism to parasitism, including feminization (F), cytoplasmic incompatibility (CI) or male killing. Studying Wolbachia symbioses is therefore of particular interest in the investigation of symbiotic relationships.In Brugia malayi and other filarial nematodes, they are obligate leading to a loss of worm fertility, and eventual death upon their depletion with antibiotic. In arthropods, they rather are parasitic. In the isopod crustacean Armadillidium vulgare they cause feminization when present: genetic males develop as functional female leading to female biased sex-ratio progenies.In order to understand the molecular mechanisms of these two symbioses, we set up a new capture procedure to catch Wolbachia DNA and performed whole-genome sequencing on 8 Wolbachia strains, symbionts of isopods (F & CI). Comparative genomics led to the establishment of the Wolbachia pan-genome as well as the identification of phenotype related gene patterns. We identified 2, 5 and 3 genes that are only found in mutualist, feminizing and male killing strains, respectively. Expression of genes potentially involved in feminization and mutualism were also analyzed throughout host post-embryonic development. Host-symbiont interactome approach was then initiated by protein-protein interaction studies using bacterial proteins with eukaryote like motifs as bait in order to identify Wolbachia host targets involved in symbiosis.