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

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.

Durant leur cycle de vie, les organismes sont exposés à des variations environnementales capables d'induire des changements physiologiques, morphologiques et comportementaux, résultant d’une plasticité phénotypique. La plasticité phénotypique est la capacité d'un génotype à générer un nouveau phénotype suite à un stress. Ici, nous avons étudié la plasticité phénotypique d’un Cnidaire symbiotique et non-calcifiant, l’anémone de mer Anemonia viridis, à de multiples niveaux de complexité structurale, in vivo et in vitro. In vivo, nous avons identifié les mécanismes sous-jacents de la plasticité phénotypique potentiellement induits par les futurs changements climatiques (acidification et réchauffement des océans). Nos résultats montrent des modifications dans l'utilisation du carbone inorganique par A. viridis exposée à une forte pCO2 lors d’un stress chronique in natura ou lors d’un stress court en conditions contrôlées. Nous avons ainsi observé une diminution des activités anhydrase carbonique, une enzyme clé des mécanismes de concentration du carbone chez les Cnidaires. Nous avons aussi démontré que l'augmentation concomittante de la température modifie la réponse observée lors d'une élévation seule de la pCO2. In vitro, nous avons établi une culture de cellules primaires viables issue de tentacules d’A. viridis en régénération. Nous avons déterminé l'origine gastrodermale des cellules cultivées et validé l'utilisation de ce nouvel outil pour l'étude de la réponse au stress au niveau cellulaire. Ce nouvel outil ouvre une multitude de perspectives pour l'étude des réponses cellulaires aux stress exogènes (changement climatique) et endogènes (contraintes dues à la symbiose) / During the course of their life cycle organisms are exposed to natural environment variations capable of inducing physiological, morphological and behaviour changes, thus a phenotypic plasticity. Phenotypic plasticity is the ability of a genotype to generate a new phenotype following exogeneous or endogeneous stress. Here, we investigated the phenotypic plasticity of the non-calcifying symbiotic cnidarian Anemonia viridis at multiple levels of structural complexity, in vivo and in vitro. In vivo, we determined the mechanisms behind the phenotypic plasticity under expected future climate change (i.e. ocean acidification and ocean warming). Our results show physiological changes in the inorganic carbon use of the sea anemone A. viridis exposed to high pCO2 during a long-term stress in natura or a short-term stress in controlled conditions. We then observed an equivalent decrease in carbonic anhydrase activity, a key enzyme of cnidarian carbon concentrating mechanisms. Also, we demonstrated that an increase in seawater temperature modified the response observed during a high pCO2 scenario. In vitro, we established a viable primary cell culture from regenerating tentacles of A. viridis. We determined the gastrodermal tissue origin of the cultivated cells and validated the use of this new tool to the in vitro study of stress response at the cellular level. The set-up of this powerful in vitro tool will open a multitude of perspectives for the study of cellular responses to exogeneous stress (as global change perturbations) and to endogeneous stress (as the symbiosis constraints experienced by symbiotic cnidarians)

L’endosymbiose trophique établie entre un hôte Cnidaire et ses symbiotes Dinoflagellés photosynthétiques est à l’origine du succès évolutif des écosystèmes coralliens. Les symbiotes sont internalisés par un mécanisme de phagocytose et maintenus dans les cellules du gastroderme de l'hôte. La symbiose est régie par un dialogue moléculaire intime entre les deux partenaires, interrompu lors de perturbations environnementales ou anthropiques, responsables du déclin mondial des récifs coralliens. Les objectifs de mon projet de recherche sont de définir les acteurs moléculaires localisés à l’interface symbiotique chez l’anémone de mer, Anemonia viridis. Premièrement, nous avons étudié les mécanismes cellulaires impliqués dans différents types de rupture de la symbiose et mis en évidence des phénomènes d’apoptose, nécrose et symbiophagie. Parallèlement, nous avons caractérisé chez l’anémone les gènes npc1 et npc2, impliqués chez les vertébrés dans le transport endosomal de stérols, et dont l’expression est modulée par l’état symbiotique. Nous avons pu montrer que le gène npc2d est issus d’une duplication et vraisemblablement d’une sub-fonctionnalisation et que les protéines NPC1 et NPC2 sont exprimées au voisinage des symbiotes. Nous proposons donc que la protéine NPC2-d soit utilisée comme marqueur de l’état de santé des Anthozoaires symbiotiques et que la protéine NPC1 soit un marqueur de la membrane périsymbiotique. Nous avons également développé un protocole afin d’identifier les protéines associées à l’interface symbiotique entre les deux partenaires. A terme, les cibles identifiées permettront une meilleure compréhension des mécanismes qui régulent la relation symbiotique. / The trophic endosymbiosis interaction between a cnidarian host and its photosynthetic dinoflagellatessymbionts form the basis of coral reef ecosystems. Cnidarians host their symbionts in gastrodermis cells, in a phagocytosis-derived vacuole. Establishment and maintenance of the symbiotic interaction depend on an intimate molecular communication between the two partners. However, environmental and/or anthropogenic disturbances can lead to the breakdown of the symbiotic association, which is responsible for the worldwide decline of coral reefs. The main objectives of my research project are to improve the knowledge regarding symbiosis maintenance and disruption mechanisms, but also to define the molecular key players involved at the symbiotic interface in the sea anemone, Anemonia viridis. First, we have described the cellular mechanisms involved in the different types of symbiosis breackdown. Meanwhile, the characterization of npc1 and npc2 genes (involved in endosomal sterol transport), showed a duplication and a sub-functionalization of the npc2d gene. Both NPC1 and NPC2 proteins are expressed around symbionts. We therefore suggest that the duplicated protein NPC2-d is a biomarker of symbiosis health and that NPC1 protein is a marker of the perisymbiotic membrane. We then developed a protocol to characterize the proteome of the symbiotic interface between the two symbiotic partners. The newly-identified symbiotic key players will increase the general knowledge on the symbiotic interaction and its regulation during both stable and bleaching conditions.