Les diatomées sont des algues microscopiques qui contribuent à hauteur de 25% environ à la production primaire planétaire. Les diatomées sont très souvent entourées d’une flore bactérienne, avec laquelle de nombreuses interactions ont été documentées. Les génomes de diatomées contiennent par ailleurs de nombreux gènes dont l’origine prédite est bactérienne.Nous avons étudié Asterionella formosa, une diatomée pennée présente dans de nombreux lacs et cours d’eau à l'aide de données omiques. L’utilisation de la métagénomique a permis de reconstruire 30 génomes bactériens, utilisés pour prédire d'éventuelles interactions avec la diatomée. Le séquençage de la sous-unité 16S de l’ARN ribosomique a montré que les différentes espèces bactériennes avaient une abondance variable au cours des phases de croissance de la diatomée, et que certaines étaient plus souvent au contact de la diatomée que libres dans le milieu. Le génome d'A. formosa a ensuite été séquencé à l'aide de la technologie Pacbio et comparé à ceux d'espèces proches. Enfin, l’impact des bactéries sur les diatomées a été abordé sous l’angle de l’évolution et des transferts horizontaux de gènes, qui ont été prédits à partir des données transcriptomiques d’une centaine de diatomées marines.Ce travail représente une première étape dans l'étude de la communauté bactérienne associée à A. formosa. Des expériences complémentaires incluant l’utilisation de transcriptomique ou métabolomique sont maintenant envisageables. Les données collectées et/ou analysées dans ce travail contribuent d'ores et déjà à l’effort global de caractérisation génomique des diatomées. / Diatoms are ubiquitous microalgae that contribute approximately 25% to the primary production worldwide. Many interactions, either positive, neutral or negative, have been documented between diatoms and bacteria. Diatom genomes also harbor numerous genes of putative bacterial origin.We are studying Asterionella formosa, a freshwater pennate diatom. We characterized the community using a combination of omics and laboratory techniques. We reconstructed of the genome of the diatom as well as 30 individual genomes from co-cultured bacterial species and investigated metabolisms that could support diatom-bacteria interactions. 16S rRNA sequencing revealed that the abundance of some bacterial species was highly variable over the course of A. formosa growth. Some species seemed preferentially attached to the diatom while others were mainly free-living. Then, the reference sequence of the A. formosa genome was improved by additional long-read (Pacbio) sequencing. Last, relationships between diatoms and bacteria were investigated at a broader evolutionary scale, by looking at horizontal gene transfers using transcriptomic data of a hundred marine diatoms.This work is a first step in the study of the dynamic and complex bacterial community associated with the diatom A. formosa. The accurate identification and the reconstruction of the genome of these bacteria will enable further in silico predictions based on metabolic networks and new omics experiments using transcriptomic or metabolomic. This work already contributes to a global effort to study diatoms by the means of genomics.

L'origine des eucaryotes est un problème important de la biologie évolutive, pour lequel de nombreuses hypothèses profondément différentes ont été proposées. L'une des stratégies majeures, pour discriminer ces hypothèses, est d'utiliser le fait qu'elles sont associées à des prédictions distinctes quant aux arbres phylogénétiques qui devraient être observés pour les gènes communs aux eucaryotes et aux archées ou aux eucaryotes et aux bactéries. C'est la problématique que j'ai étudiée au cours de ma thèse. J'ai réalisé des analyses phylogénétiques, à l'échelle génomique et à l'aide d'une approche semi-automatisée, pour tous les gènes présents chez les eucaryotes et les archées ou les bactéries. Mon analyse s'est appuyée sur une qualité méthodologique excellente en regard de la littérature existante sur le sujet. En particulier, j'ai développé de nouveaux principes et outils pour prendre en compte le remodelage constant des génomes procaryotes par les transferts horizontaux et les pertes de gènes. Ces innovations se sont révélées cruciales pour interpréter correctement les arbres de gènes à cette échelle évolutive, et mes résultats se distinguent nettement de ceux rapportés précédemment. Mon analyse a retrouvé, de façon très nette, les deux propriétés déjà connues du génome eucaryote : sa relation en apparence mosaïque aux archées et bactéries, et l'origine alphaproteobactérienne des mitochondries. Mon travail a ensuite permis de démontrer (i) que les gènes liant les eucaryotes aux alphaproteobactéries sont presque tous impliqués dans les fonctions de respiration et de synthèse protéique des mitochondries, et (ii) qu'il n'existe pas d'indices phylogénétiques pour une relation entre les eucaryotes et une lignée bactérienne autre que les alphaproteobactéries, contrairement à ce que prédisent une partie des hypothèses. De plus, mon travail montre clairement que les résultats obtenus par une approche phylogénomique large sur la question de la relation des eucaryotes et des archées dans l'arbre de la vie sont compatibles avec ceux obtenus par l'utilisation d'un jeu restreint de gènes universels. Mes données sont en effet favorables à ce que les eucaryotes branchent au voisinage du dernier ancêtre commun des archées. Mes résultats éclairent la problématique des origines des gènes eucaryotes avec une précision bien plus grande que celle qui avait été atteinte jusqu'alors. Ils montrent notamment l'absence de support phylogénétique pour les hypothèses basées sur une fusion impliquant une bactérie autre que l'ancêtre des mitochondries, et la relative rareté des gènes ayant une origine proto-mitochondriale avérée. Ces observations jouent en faveur des hypothèses se basant soit sur une origine précoce de la mitochondrie dans un hôte archéen, soit sur l'idée que les eucaryotes primitifs étaient fortement sujet aux transferts horizontaux de gènes / Pas de résumé en anglais

La transformation naturelle est la capacité de certaines bactéries à incorporer et à recombiner activement de l’ADN extra-cellulaire. Ce procédé majeur augmente la plasticité et l’adaptabilité des bactéries à Gram positif et négatif en réalisant des échanges génétiques intra- et inter-espèces. S. pneumoniae est un pathogène majeur de l’Homme. Cette bactérie est responsable d’infections sévères telles que des pneumonies, des méningites et des septicémies. Dans cette espèce, la transformation naturelle est corrélée au phénomène de changement de capsule et à la baisse d’efficacité des vaccins. La plupart des bactéries à Gram positif naturellement transformables possèdent un opéron comG, semblable aux opérons codant pour la famille des pili de type IV, extrêmement répandus chez les bactéries à Gram négatif. Il a été proposé que l’opéron comG est responsable de la formation d’un petit filament, nommé pseudo- pilus. Cependant, un tel filament n’a jamais été observé. Par des techniques de mutagenèse, de caractérisation biochimique, de microscopie optique et électronique, nous sommes parvenus à identifier des filaments de plusieurs micromètres de long à la surface de bactéries S. pneumoniae compétentes. Nous avons confirmé l’appartenance de ces filaments à la famille des pili de type IV. Par conséquent, nous avons infirmé l’hypothèse de la formation d’un pseudo-pilus par l’opérons comG chez S. pneumoniae. De plus, nous avons montré que les pili se lient à l’ADN et qu’ils sont requis pour la capture de l’ADN extra-cellulaire. Ces résultats apportent des informations cruciales concernant les premières étapes de capture de l’ADN durant la transformation naturelle. Nous proposons un nouveau modèle dans lequel le pilus agirait comme un « piège à ADN », capturant l’ADN à la surface des bactéries compétentes pour le guider jusqu’au pore d’entrée dans la cellule. / Natural transformation is the ability of bacteria to actively take up and recombine extracellular DNA. This crucial process increases genome plasticity and adaptability of Gram-negative and Gram-positive bacteria through intra- and inter-species genetic exchange. S. pneumoniae is a major human pathogen responsible for severe diseases such as pneumonia, meningitis and septicemia. In this species, transformation has been linked to capsular serotype switching and reduced vaccine efficiency. Most transformable Gram-positive bacteria carry a comG operon that resembles operons encoding a widespread family of pili in Gram-negative bacteria, the type IV pili. It has been commonly proposed that the comG operon is responsible for the formation of a short pseudo-pilus filament. However, such an appendage had never been visualized in any bacterium. By mutagenesis, biochemical characterization, optical and electron microscopy techniques we were able to identify long, micrometer-sized appendages protruding from the surface of competent S. pneumoniae. We confirmed the Type IV pili nature of these appendages, we showed that they bind DNA, and are absolutely required for DNA uptake. We consequently overthrew the pseudopilus hypothesis at least in S. pneumoniae, and provided crucial information concerning the initial step of DNA uptake. We propose a revised model in which the transformation pilus acts as a “DNA trap” capturing DNA at the surface of competent cells, guiding it to the translocation channel.

Les Penicilliums sont des champignons filamenteux appartenant au genre Ascomycota. Ces champignons ont été utilisés par l’homme pour la production de nourriture depuis des siècles. Plus récemment, ils ont aussi été utilisés dans l’industrie biotechnologique pour la production de composés chimiques d’intérêts pharmaceutiques. Certaines espèces de Penicillium sont par ailleurs des moisissures contaminants certains aliments, d’autres sont des pathogènes de plantes, y compris de certains fruits. Leur génomique est globalement peut connue. Dans cette étude, nous avons analysé les génomes de deux espèces nouvellement séquencées, Penicillium roqueforti et Penicillium camemberti. Nous reportons ici le développement d’une nouvelle méthodologie pour l’amélioration et la validation d’assemblage de génomes en utilisant une technologie permettant l’observation de molécules d’ADN unique, le Peignage Moléculaire. En utilisant cette méthode, nous avons amélioré l’assemblage de Penicillium roqueforti. Ce manuscrit décrit aussi de multiples occurrences d’un transfert horizontal d’un ilot génomique de plus de cinq cent kilobases entre plusieurs Penicillium. Ce cas de transfert horizontal indique une fréquence d’échange latéral de matériel génétique plus forte qu’attendue. Enfin nous présentons un inventaire préliminaire du potentiel génomique pour la production de métabolites secondaires dans ces importants Penicillium alimentaires. / Penicillium are filamentous fungi belonging to the Ascomycota genus. Penicillium species have been used by Man for centuries in food making processes. More recently they have also been used in the biotechnology industry for the production of compounds of pharmaceutical interest. Some Penicillium species are food spoilage agents, pathogens of plants including fruits. Aspects of their genomics are largely unknown. In this study, we analysed the genomes of two newly sequenced species, Penicillium roqueforti and Penicillium camemberti. Here we report the development of a new methodology for improving and validating genome assembly using an original single DNA molecule technology, Molecular Combing. Using this methodology we were able to produce a high quality genome assembly of Penicillium roqueforti. This work also reports the multiple and recurrent horizontal transfer of a large genomic island of over half a megabase between several Penicillium species. This horizontal transfer indicates a higher frequency of lateral genetic exchange between cheesemaking fungi than previously expected. Finally, we present an early assessment of the genomic potential for secondary metabolite production in these important food associated penicilliums.

La graisse commune est la principale phytobactériose du haricot.Cette maladie est causée par Xanthomonas citri pv. fuscans(Xcf) et X. phaseoli pv. phaseoli (Xpp). Xcf et Xpp étantphylogénétiquement distantes, leur capacité à produire lesmêmes symptômes sur haricot serait le fruit d’une convergencepathologique. L’objectif de cette thèse était d’identifi erles gènes candidats pour la spécifi cité d’hôte et d’étudier le rôledes effecteurs Transcription Activator-Like (TAL) dans l’interactionXanthomonas - haricot. Par une approche de génomiquecomparative, nous avons identifi é 116 gènes spécifi ques desagents de la graisse commune, dont un grand nombre a ététransféré horizontalement entre Xcf et Xpp. Ces gènes codentdes protéines intervenant aux différentes étapes de l’interaction.L’obtention du génome de 17 souches par séquençageSingle-Molecule Real-Time a révélé l’existence de un à troisgènes codant des effecteurs TAL par souche, pour un total dequatre gènes tal différents dont deux (tal23A et tal18H) ontété également transférés horizontalement entre Xcf et Xpp.L’ensemble de ces gènes constitue un répertoire spécifi que deXcf et Xpp qui pourrait expliquer la convergence pathologiqueentre ces pathovars. Des tests de pouvoir pathogène couplés àdes analyses transcriptomiques après inoculation d’un mutantde délétion de tal18H sur haricot ont révélé que TAL18H étaitimpliqué dans l’aggravation des symptômes et avait un effetpléiotrope sur le transcriptome du haricot lors de l’interaction.Les résultats de cette thèse constituent une / Common bacterial blight is the main bacterial disease of commonbean. This disease is caused by Xanthomonas citri pv.fuscans (Xcf) and X. phaseoli pv. phaseoli (Xpp). Xcf and Xppare phylogenetically distant yet they share the ability to inducethe same symptoms on common bean, which is suggestive ofpathological convergence between these two pathovars. Thisthesis aimed at identifying candidate genes for host specifi -city and studying the role of Transcription Activator-Like (TAL)effectors in the Xanthomonas – common bean interaction.Using a comparative genomic approach, we identifi ed 116genes specifi c to common bacterial blight agents, a largenumber of which were horizontally transferred between Xcfand Xpp. These genes encoded proteins involved in the differentsteps of the interaction.Single-Molecule Real-Timesequencing of 17 Xcf and Xpp genomes unveiled one to threeTAL-encoding genes per strain for a total of four different talgenes, two of which (tal23A and tal18H) were also horizontallytransferred between Xcf and Xpp. All these genes forma repertoire specifi c to Xcf and Xpp that could be responsiblefor the pathological convergence observed between thesetwo pathovars. Combination of pathogenicity tests and transcriptomicsafter inoculation of a tal18H deletion mutant oncommon bean plants revealed that TAL18H was involved insymptom development and displayed a pleiotropic effect oncommon bean transcriptome during the interaction. The resultsof this thesis constitute a stepping stone towards optimizingthe monitoring of co

La bactérie Agrobacterium tumefaciens est bien connue pour son utilisation en génie génétique végétale où elle sert comme vecteur de gènes. A l’origine, cette bactérie ainsi que l’espèce voisine Agrobacterium rhizogenes sont des bactéries phytopathogènes qui induisent respectivement des tumeurs et des racines anormales sur des plantes sensibles telles que la vigne ou des arbres fruitiers. L’action pathogène résulte d’un transfert horizontal de gènes de la bactérie vers l’hôte végétal, à partir d’un plasmide, le pTi (plasmide inducteur de tumeurs) ou pRi (plasmide inducteur de racines). Mon travail de thèse concerne deux aspects particuliers de cette bactérie.1. Sa capacité à transformer durablement des espèces végétales dans la nature, donnant ainsi naissance à des plantes naturellement transformées, notamment dans le genre Nicotiana. Nous avons pu montrer par séquençage à haut débit du génome de N. tomentosiformis et par l’analyse d’autres séquences complètes de Nicotianées publiées récemment l’existence inattendue de 5 séquences venant d’Agrobacterium (cT-DNAs) avec une taille total de 65 kb, dont certaines portent des gènes intacts. Nous avons montré que deux de ces gènes (TB-mas2’ de N. tabacum et TE-6b de N. otophora) ont une activité biologique. Une étude comparative approfondie a permis de mieux comprendre l’évolution de ces cT-DNAs (Chen et al., 2014). Le gène mas2’ est bien connu, il code pour une enzyme qui catalyse la synthèse du désoxyfructosyl-glutamine (DFG) dans des tumeurs ou racines induites par Agrobacterium. Des résultats récents dans notre groupe portant sur le gène TB-mas2’ montrent que ce gène est exprimé de façon très active dans plusieurs cultivars de N. tabacum, et y donne naissance à l’apparition de quantités mesurables de DFG. Ce travail est présenté sous forme d’un manuscrit à soumettre.2. Une deuxième partie de la Thèse concerne les propriétés du gène T-6b, qui fait partie de l’ADN transféré par A. vitis souche Tm4 et provoque une croissance anormale caractérisée par l’apparition d’énations, sans que l’on connaisse son mode d’action. Le gène 6b fait partie de la famille des gènes plast (pour plasticité phénotypique), avec des effets différents et souvent remarquables sur la croissance des plantes. Le gène T-6b a été mis sous contrôle d’un promoteur inductible par le dexaméthasone, et des plantes de tabac transformées par cette construction ont été étudiées en détail, à différents moments après son induction. Un grand nombre de changements a été décrit incluant des analyses anatomiques montrant des modifications encore jamais décrites chez les plantes, comme par exemple l’apparition de méristèmes foliaires ectopiques à la base de trichomes, ou l’apparition de systèmes vasculaires ectopiques parallèles au système vasculaire normal avec un développement régulier menant à des structures complexes ordonnées (Chen and Otten, 2015). Le gène TE-6b de N. otophora a été mis sous contrôle d’un promoteur fort constitutif et introduit dans des plantes de tabac, où il provoque des changements de croissance différents de ce qui a été observé pour le gène T-6b. Ces derniers résultats préliminaires sont présentés en complément des observations sur le gène T-6b. Ils indiquent que le transfert horizontal du gène TE-6b vers l’ancêtre de N. otophora aurait pu contribuer à une modification de la croissance et ainsi à la création d’une nouvelle espèce. / The bacterium Agrobacterium tumefaciens is well-known for its utilisation in plant genetic engineering where it serves as a gene vector. This bacterium and the related species Agrobacterium rhizogenes are phytopathogens that induce tumors and hairy roots respectively on susceptible plants like grapevine or fruit trees. Their phytopathogenicity is due to horizontal transfer of bacterial genes to the plant host, from a plasmid called the Ti (tumor-inducing) or Ri (root-inducing) plasmid. The subject of my Thesis concerns two particular aspects of this bacterium.1. Their capacity to stably transform several plant species in nature, thereby yielding naturally transformed plants, especially in the genus Nicotiana. We have shown by deep sequencing of the Nicotiana tomentosiformis genome and by analysis of other recently published Nicotiana sequences the presence of five different Agrobacterium-derived sequences (cT-DNAs), totalling 65 kb, some of which carry intact genes. We have shown that two of them (TB-mas2’ from N. tabacum and TE-6b from N. otophora) have biological activity. A detailed comparative study has allowed us to better understand the evolution of these cT-DNAs (Chen et al., 2014). The mas2’ gene is well-known, it codes for the synthesis of desoxyfructosyl-glutamine (DFG) in tumors or roots induced by Agrobacterium. Recent work in our group has shown that the TB-mas2’ gene is highly expressed in some N. tabacum cultivars and leads to the accumulation of detectable amounts of DFG. This work is presented as a manuscript to be submitted.2. A second part of the Thesis describes new properties of the T-6b gene, which is part of the DNA transferred by A. vitis strain Tm4 and leads to abnormal growth caracterized by the appearance of enations, so far the mode of action of this gene is unknown. The 6b gene is part of the so called plast family (for phenotypic plasticity), with different and often remarkable growth effects on plants. The T-6b gene wasearlier placed under control of a dexamethasone-inducible promoter, and tobacco plants transformed with this construct have now been studied in detail, at different times after the start of induction. A large number of changes was analyzed, both at the morphological and anatomical level, these include various unprecedented morphological changes, like for example the appearance of shoot primordia at the base of trichomes, or the appearance of ectopic vascular strands parallel to the normal strands with a regular development leading to complex but predictable structures (Chen and Otten, 2015). The TE-6b gene from N. otophora was placed under strong and constitutive promoter control and introduced into tobacco, where it was found to cause new types of morphological change, different from those observed for T-6b. The latter results are preliminary and will be presented as a complement to the work on T-6b. They indicate that the introduction of the TE-6b gene in the N. otophora ancestor could have caused a change in growth pattern, and might have favored the appearance of a new species.