Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le transfert latéral de séquences (LST) joue un rôle critique dans l'évolution des bactéries. Les alphaprotéobactéries (ALPs), avec leurs différentes tailles, leurs divers modes de vie et leurs "mobilome", constituent un modèle idéal pour étudier l'histoire évolutive des bactéries. Le "rhizome" représente la diversité des origines des gènes chez ces alphaprotéobactéries : ceci est notamment observable chez les Rickettsiales, appartenant aux ALPs, qui possèdent des génomes en mosaïque. Toutefois, les ALPs contribuent également aux contenus génomiques de différents génomes bactériens comme eucaryotes. De plus, plusieurs gènes codant pour les ribosomes chez les ALPs ont participé à la formation des mitochondries. En premier lieu, nous avons ici mis en place une approche pour mettre en évidence l'histoire évolutive des LSTs. Cette approche est basée sur l'établissement de profils phylétiques, suivi de la recherche de séquences homologues, la reconstruction phylogénétique et enfin la définition des séquences transferts basée sur l'utilisation d'un motif spécifique. Nous avons ainsi montré que 42 gènes des Rickettsiales sont issus de transferts provenant de différentes espèces des trois domaines de la vie. Cette approche est applicable à l'étude de LSTs pour un grand nombre de génomes d'intérêt. Deuxièmement, nous avons séquencé et annoté le génome d'Odyssella thessalonicensis, puis étudié l'histoire évolutive de la mitochondrie, de Candidatus Pelagibacter ubique (CPu), d'O. thessalonicensis et des alphaprotéobactéries. Nos résultats montrent que CPu provient probablement d'un ancêtre intracellulaire facultatif en commun avec les espèces de Rickettsiales. / Lateral sequence transfer (LST) plays a critical role in the bacterial evolu- tion. Alphaproteobacteria with different genomes in size, their diverse lifestyles and their "mobilome" are an ideal model for studying the evolutionary history of the bacteria. The different origins of genes of alphaproteobacteria species can be represented as a "rhizome". In constrast, the alphaproteobacteria contributed in the creation of different genomes such as bacteria, eukaryotes (the nematod, the insect). Moreover, many ribosomal genes of alphaproteobacteria have participated in the formation of the mitochondria. In the first part, we have done an approach to define LSTs. This approach is primarily based on the application of phylogenetic profiles, followed by the search for homologous sequences, then the phylogenetic reconstruction, and finally the definition of sequence transfer by a specific pattern. We found that 42 instances of transfers of Rickettsiales came from distantly related species of different domains of life (eukaryote, bacteria, archaea). We can apply this approach for studying LSTs of greater genomes of interest. In the second part, we sequenced and annotated the Odyssella thesalonicensis, then studied the evolutionary history of mitochondrion, Candidatus Pelagibacter ubique, O. thessalonicensis and alphaproteobacteria. Our results showed that Candidatus Pelagibacter ubique has probably originated from an ancestor facultative intracellular with Rickettsiales species.

Les années 2000 sont marquées par l’émergence et la diffusion de souches résistantes aux antibiotiques en particulier chez les entérobactéries. Un des principaux mécanismes de résistance concerne les bêta-lactamines, ce sont les bêta-lactamases. Certains mécanismes de résistances ont connus ou connaissent actuellement un certain succès comme les bêta-lactamase à spectre étendu (BLSE) de type CTX-M puis récemment les carbapénèmases. La transmission de plasmides porteurs de ces enzymes joue un rôle prépondérant ainsi que certaines espèces comme Klebsiella pneumoniae et Escherichia coli qui est l’entérobactérie prépondérante dans le tube digestif de l’homme et des animaux et également la principale cause d’infection. Dans ce travail, nous avons étudié le transfert par transposition qui est le mécanisme clé de cette diffusion via différents plasmides parmi les plus prépondérants chez les entérobactéries dont essentiellement E. coli et K. pneumoniae. Nous avons également recherché une éventuelle relation avec le groupe phylogénétique, les gènes de résistance, type de plasmides et systèmes d’addiction plasmidique. Ce travail montre que les plasmides IncF ayant acquis TEM-1 ont de multiples systèmes d’addiction avec une fréquence plus élevée que les souches sensibles. Ce qui contribuerait à leur maintenance dans l’hôte. Les plasmides à large spectre d’hôte sont très rares chez ces souches de manière générale. Il ne semble pas y avoir de relation entre le groupe phylogénétique et les gènes de résistances dans cette étude. Quant au phénomène de transposition, il suscite la mise au point de conditions opératoires qui le régisse. Une détermination des conditions de stress a été réalisée et il reste à tracer le phénomène à proprement dit. / The last years are characterized by the spread of antibiotics resistant strains particularly in Enterobacteriacae. Various mechanisms of resistances were acquired and transmitted by species like K. pneumoniae. Bacterial plasmids play an important role in the horizontal transfer of antimicrobial drug resistance genes like: CTX-M enzymes witch become the most prevalent family of ESBLs and recently carbapenemases. In this work, we studied the transfer by transposition, the key mechanism of resistance genes diffusion, between different plasmids. We also sought a possible relation between the genetic background and the frequency of transposition, by testing various types of plasmids among the most prevalent E. coli and K. pneumoniae. This work shows that IncF plasmids having acquired TEM-1 have multiple addiction systems with a frequency higher than the sensitive strains. It would contribute to their maintenance in the host. By the way, broad range plasmids are very rare at these strains. In addition, it does not seem to be a relation between the phylo-group and the genes of resistances in this study. For the transposition event, we start to settle the operating conditions which govern this phenomenon. A determination of the stress conditions was established and it remains to be completed.

Les transferts latéraux de produits phytosanitaires en proche surface constituent une voie potentielle de contamination des eaux de surface dans certains contextes agro pédo climatique. L'objectif de cette thèse est d'apporter des éléments de connaissance et de compréhension de ces transferts. Un site viticole, dans le Nord Beaujolais, a ainsi été instrumenté avec une tranchée d'interception des écoulements latéraux, un canal Venturi et un réseau piézométrique. Cette instrumentation a ensuite été utilisée pour suivre les transferts latéraux et le ruissellement de produits phytosanitaires sur deux années viticoles. Enfin, une expérimentation de traçage in situ a été menée puis modélisée. Les résultats montrent une relation de seuil entre les volumes évènementiels d'écoulements latéraux captés, le degré de connectivité du versant, les volumes pluviométriques évènementiels, et l'humidité initiale du sol. La dynamique de transfert latéral des pesticides en proche surface s'est avérée très variable à l'échelle de l'évènement, mais en accord avec les propriétés physico chimiques des substances. À l'échelle de l'ensemble des évènements, les concentrations de ces produits dans l'écoulement latéral suivent une décroissance exponentielle temporelle. À l'échelle annuelle, la saisonnalité de l'écoulement latéral et du ruissellement semble expliquer la saisonnalité observée des transferts. L'expérimentation de traçage a permis d'identifier une composante préférentielle de l'écoulement latéral et une composante matricielle. La composante préférentielle a engendré des flux de substance significatifs et de concentrations élevées, mais fugaces. La composante matricielle a généré un flux de faible concentration, mais continu et de longue durée, qui a impliqué une contribution finale plus élevée que la composante préférentielle. Des liens explicatifs entre les propriétés des substances et ces composantes du transfert latéral ont pu être soulignés / Subsurface lateral flow may stand for a risky pathway in several agro pedo climatic contexts: in this way, the aim of this thesis work is to improve our understanding of pesticide transfer and dynamics by this pathway. A farmed vine plot, located on a hillslope in the Nord Beaujolais, was instrumented with a trench, a Venturi flume and a shallow groundwater well network. The instrumentation was used during two farming years to continuously monitor pesticide transfers in both subsurface lateral flows and surface runoff at a fine temporal resolution. Lastly, an in situ tracing experiment was conducted and modeled. Hydrological results highlighted a threshold relationship between subsurface lateral flow volumes measured in the trench, the degree of lateral connectivity of the hillslope, rainfall amounts and initial soil water content. The dynamics of these transfers was very variable at the event scale, and in agreement with the physico chemical properties of the substances. Considering all subsurface lateral flow events, pesticides concentrations were described using a decreasing exponential function depending on the time interval between a given event and the last application of the considered pesticides, and their physico chemical properties. At the year scale, the seasonality of pesticide transfers seemed related with the seasonality of subsurface lateral flow and surface runoff. The tracing experiment highlighted two components in subsurface lateral flow: a matrix related one and a preferential related flow component. The preferential component implied short, highly concentrated and significant lateral fluxes. Matrix related component produced continuous and slightly concentrated fluxes over a long period, and was responsible for a bigger part of the total transfer than the preferential component. Links between substance properties and transfer components were highlighted

Le fait d'avoir une généalogie datée des organismes vivants est l'un des principaux objectifs de la biologie évolutive. Cette entreprise est confrontée à deux défis majeurs. Le premier est la rareté et l'incomplétude des enregistrements fossiles, pratiquement inexistants pour les microbes et essentiels pour fournir une échelle temporelle de l'histoire de la vie. Le second est la difficulté intrinsèque d'obtenir des phylogénies d'organismes dont le génome a été largement façonné par transfert latéral de gène (TLG). L'acquisition par transfert de nouveaux gènes d'origine éloignée perturbe des arbres de gènes et rend beaucoup plus complexe la reconstruction de l'histoire des espèces. Dans ce travail de thèse, je montre comment nous pouvons utiliser ces différences entre arbres de gènes et arbres d'espèces à notre avantage pour inférer les événements anciens de TLG et comment ils peuvent fournir une nouvelle échelle de temps pour l'évolution des organismes vivants. Les transferts étant particulièrement fréquents chez les espèces dont les fossiles sont rares, ils peuvent servir de nouvelle source de datation indépendante du registre géologique pour reconstruire une phylogénie datée de la vie. Dans la première partie, je réalise une analyse à l'échelle génomique pour montrer comment les méthodes de réconciliations phylogénétiques peuvent être utilisées pour détecter les lignées correspondant aux donneurs et aux receveurs des événements de TLG. En outre, ces méthodes fournissent également une vue détaillée de la façon dont les familles de gènes évoluent le long des arbres de l'espèce. En utilisant ALE, un logiciel de réconciliation probabiliste qui prend en compte l'incertitude dans les arbres de gènes, nous sommes en mesure de cartographier les événements de duplication, de perte et de transfert dans les phylogénies des cyanobactéries et des champignons. Nous montrons également comment les méthodes qui ignorent l'information contenue dans les arbres de gènes sous-estiment la fréquence réelle des TLG. Dans la deuxième partie, je présente en détail comment le TLG porte un signal temporel et comment ce signal peut être utilisé pour inférer des arbres datés. J'introduis une nouvelle méthode appelée MaxTiC qui permet de trouver un ordonnancement des noeuds dans l'arbre des espèces qui maximise la cohérence temporelle entre les transferts. Par des simulations, nous montrons la robustesse de la méthode aux erreurs présentes dans l'arbre des espèces et le nombre de familles de gènes nécessaires pour obtenir des arbres datés fiables. Enfin, pour confirmer nos résultats, je présente différentes approches permettant de comparer les temps de divergence découlant des transferts avec ceux estimés en utilisant des horloges moléculaires. Nous effectuons une analyse phylogénomique pour détecter des milliers d'événements de TLG dans quatres groupes: les cyanobactéries, les Deltaproteobactéries, les Archées et les Champignons. Nous trouvons un large accord entre les deux méthodes de datation, ce résultat étant robuste à l'utilisation de différentes prior sur les temps de divergence et différents modèles d'horloges moléculaires relâchées. Nous montrons également que certaines des dates indiquées par l'utilisation de TLG sont en désaccord avec les horloges moléculaires tout en étant soutenues par un grand nombre de TLG. Ces résultats suggèrent que l'utilisation des TLG pourrait permettre d'améliorer les méthodes de datation, notamment pour les phylogénies anciennes et ainsi conduire à d'importants changements de notre point de vue sur l'histoire de la vie / Having a dated genealogy of living organisms is one of the major goals of evolutionary biology. This enterprise faces two major challenges. The first one is the scarcity and incompleteness of the fossil record, virtually nonexistent for microbes and essential to provide a time scale of life history. The second one is the intrinsic difficulty of obtaining phylogenies in organisms whose genome has been extensively shaped by Lateral Gene Transfer (LGT). The acquisition of new genes from distant organisms creates important differences among genes trees and complicates the reconstruction of the species history. In this thesis work I show how we can use those differences to our advantage to infer ancient events of LGT and how they provide a temporal scale of evolution. Transfers can supply an important amount of information on divergence times in organisms whose fossils are very scarce, acting as a new dating source independent of the geological record and taking us a step closer to building a whole dated phylogeny of Life. In the first part, I perform genomic-scale analyses to show how phylogenetic reconciliations can be used to detect donor and recipient lineages of LGT events. Moreover, they also provide a detailed view of how gene families evolve along species trees. Using ALE, a probabilistic reconciliation software that accounts for the uncertainty in gene trees, we are able to map events of duplication, loss and transfer in phylogenies of cyanobacteria and fungi. We also show how methods that ignore the information contained in gene trees underestimate the real frequency of LGT. In the second part, I present in detail how LGT carries a temporal signal and how this signal can be used to infer dated trees. I explain a new method called MaxTiC, that finds the best dated tree by maximizing the number of transfers that are time-compatible with a phylogeny. By simulations we show how robust the method is to errors in the species tree and how many gene families are required to obtain reliable dated trees. Finally, to confirm our results I present different metrics to compare the divergence times inferred by transfers with those inferred by molecular clocks. We perform a phylogenomic analysis to detect thousands of LGT events in cyanobacteria, Deltaproteobacteria, Archaea and fungi and obtain their dated phylogenies. We find a broad agreement between both dating methods, a result robust to the use of different priors on divergence times and different models of relaxed molecular clock. We also show that some of the dates inferred by using LGT are not recovered by molecular clocks. These results altogether suggest that the use of LGT in future dating studies may have a big impact on the inferred dates of major evolutionary events and can lead to an important change of our view of the History of Life

La phytoremédiation, la technique de bioremédiation qui utilise les plantes, est considérée comme une technologie « verte » et efficace pour décontaminer des sols pollués aux hydrocarbures. Les plantes agissent essentiellement à travers la stimulation des microorganismes de la rhizosphère, où l’exsudation racinaire semble être le moteur majeur de l’activité microbienne qui s’y déroule. Beaucoup de gènes responsables de l’adaptation bactérienne, dans le sol contaminé ou dans la rhizosphère, semblent être portés par les plasmides conjugatifs et transférés entre les bactéries. Une meilleure compréhension de ce phénomène pourrait améliorer le développement de techniques de manipulation du microbiome rhizosphérique afin d’accélérer la bioremédiation. Le but de cette recherche est d’étudier le plasmidome, soit le contenu total en plasmides, de la rhizosphère de saules provenant d’un sol contaminé aux hydrocarbures. Des analyses métagénomiques, de données obtenues à partir d’un séquençage Illumina, ont été utilisées pour étudier les fonctions portées par les plasmides. Nos résultats ont indiqué un fort effet de la contamination aux hydrocarbures sur la composition des plasmides. De plus, les plasmides contenaient des gènes impliqués dans de nombreuses voies métaboliques, telles que la biodégradation d’hydrocarbures, la production d’énergie, la transduction du signal, le chimiotactisme, et les métabolismes des sucres, acides aminés et métabolites secondaires. À ce jour, c’est la première étude de métagénomique comparative documentant la diversité des plasmides dans un contexte de phytoremédiation. Ces résultats fournissent de nouvelles connaissances sur le rôle du transfert latéral de gènes dans l’adaptation bactérienne dans la rhizosphère et dans le sol contaminé aux hydrocarbures. / Phytoremediation, a bioremediation technique that uses plants, is considered to be an effective and affordable “green technology” to clean up hydrocarbon contaminated soils. Plants essentially act indirectly through the stimulation of rhizosphere microorganisms. Root exudation is thought to be one of the predominant drivers of microbial communities in the rhizosphere and is therefore a potential key factor behind enhanced hydrocarbon biodegradation. Many of the genes responsible for bacterial adaptation in contaminated soil and the plant rhizosphere are thought to be carried by conjugative plasmids and transferred among bacteria. A better understanding of these phenomena could thus inform the development of techniques to manipulate the rhizospheric microbiome in ways that improve hydrocarbon bioremediation. This research aims to study the plasmidome (the overall plasmid content) in the rhizosphere of willow growing in hydrocarbon contaminated and non-contaminated soils, as compared with unplanted soil. Metagenomic analyses based on Illumina sequencing were used to highlight functions carried by plasmids. Our results indicate a strong effect of hydrocarbon contamination on plasmid composition. Furthermore, plasmids harbored genes involved in several metabolic pathways, such as hydrocarbon biodegradation, energy production, signal transduction, chemotaxis, metabolisms of carbohydrates, amino acids and secondary metabolites. To date, this is the first comparative soil metagenomics documenting the plasmidome diversity in a phytoremediation system. The results provide new knowledge on the role of lateral gene transfer in the bacterial adaptation in rhizosphere and in hydrocarbon contaminated soil.

Les personnes vivant avec une lésion de la moelle épinière (LMÉ) dépendent de l'utilisation d'un fauteuil roulant (FR) pour les déplacements de la vie quotidienne. Une des activités, associée à l'utilisation du FR, la plus exigeante est le transfert latéral en position assise, nécessaire pour entrer et sortir du FR. Cette activité, de part sa sollicitation importante des membres supérieurs et les nombreuses répétitions, expose les personnes vivant avec une LMÉ à plusieurs risques de blessures, dont les troubles musculo-squelettiques (TMS) et le risque de chute. Ce travail de doctorat vise à évaluer l'exposition à ces risques, pendant le transfert latéral parallèle, et plus particulièrement, comment l'environnement peut influencer cette exposition. L'évaluation mise en place utilise des outils d'analyse de mouvement (système de capture de mouvement, plateformes de force et électromyographie) pour calculer les positions articulaires, les efforts externes et internes, les activations musculaires et les stratégies de contrôle postural mis en oeuvre pour la réalisation du transfert. Une analyse statistique des résultats est utilisée pour déterminer les différences apportées par l'utilisation et la hauteur d'un accoudoir. Les résultats sont synthétisés et combinés afin d'aboutir à une conclusion intégrative sur l'exposition aux risques de blessures durant les transferts, réalisés par les personnes vivant avec une LMÉ. / People living with spinal cord injury (SCI) depend on a wheelchair for daily life mobility. One of the most strenuous activities associated with wheelchair use is the performance of lateral sitting transfers, needed to get in and out of their wheelchair. Through the high demand on the upper extremities and many repetitions, this activity exposes people living with SCI to injury risks, between which the development of musculoskeletal disorders and traumatic lesions due to falls. This PhD thesis aims to evaluate the exposure to these risks during parallel lateral sitting transfers, and more in particular how the environment might influence this exposure. The evaluation realized uses instruments for human movement analysis (motion capture, force plates and electromyography) to calculate joint angles, external and internal mechanical efforts, muscular activation and postural control strategies used to perform transfers. A statistical analysis of the results determines the modifications induced by the use and the height of an armrest. The results are synthesized and combined to generate an integrative conclusion on the injury exposure risk during transfers realized by people living with SCI.

L'ingénierie tissulaire est reconnue comme une méthode potentielle pour réparer ou régénérer les tissus endommagés. Malgré de grandes avancées dans l'ingénierie tissulaire, la réussite de la construction de tissus complexes avec des réseaux vascularisés reste un défi. Dans les modèles d'angiogenèse actuels, les cellules endothéliales sont ensemencées au hasard, n'offrant pas de structure organisée. La technologie de bioimpression par laser offre une résolution d'impression précise. Par cette technique, les structures microvasculaires peuvent être construites pour la fabrication d'organes complexes, ou pour modéliser la progression de la maladie ou les modèles de réponse aux médicaments. Dans cette étude, des techniques de bio-impression au laser ont été utilisées pour étudier le guidage de l'angiogenèse in vitro. Deux techniques basées sur le laser, le transfert direct induit par laser (LIFT) et le transfert latéral induit par laser (LIST) sont utilisées. Comparée à LIFT, la technologie LIST offrait des conditions idéales pour l'impression cellulaire telles que la concentration cellulaire requise pour la formation du tubes endothéliaux et l'uniformité du motif désiré. Nous avons réalisé le modelage de la formation de structures de type capillaire dans des motifs organisés via l'impression LIST. Les constructions de type capillaire formées présentent des motifs uniformes. Les structures formées ont été analysées par microscopie confocale et reconstruction d'images 3D. Bien que le développement de la lumière endothéliale soit incomplet, la technique développée possède le potentiel d'atteindre une stabilisation et un développement de la lumière si l'on recrute un deuxième type de cellule tel que les fibroblastes ou les péricytes. / Tissue engineering has been well acknowledged as a potential method to repair or regenerate damaged tissues in the human body, fulfilling the limitations and shortage in autologous and organ transplantations. Despite great advances in engineering tissues with simple geometry and low requirement for oxygen and blood supply such as cartilage, skin and cornea, success in constructing 3D complex tissues with vascularized networks remains a major challenge. Angiogenesis plays an important role in vascular development in vivo. In current angiogenesis models, endothelial cells are seeded randomly not offering precise and desired patterning. Laser-based bioprinting technology offers precise and high cell printing resolution. By using laser-based bioprinting technology, microvascular structures can be constructed as a platform for complex organ fabrication, disease progression and drug response models. In this study, laser-based bioprinting techniques are employed to study angiogenesis guidance in vitro by patterning endothelial cells. Two laser-based techniques, Laser-Induced Forward Transfer (LIFT) and Laser-Induced Side Transfer (LIST) are used as patterning tools. Compared to LIFT, LIST technology provided ideal conditions for cell printing such as required cell concentration for endothelial tube formation and pattern uniformity. In this study, we achieved the guidance of capillary-like structure formation in desired patterns via LIST printing. The formed capillary-like constructs featured precise patterns and uniformity. The structures were analyzed by confocal microscopy, 3D image reconstruction and frozen section procedure. Though lumen development was incomplete, it possesses the potential to attain further stabilization and lumen development if recruiting a second cell type such as fibroblast or pericyte.