La mer Méditerranée est une des zones océaniques les plus oligotrophes de la planète pour laquelle la fixation biologique d’azote a été proposée comme jouant un rôle important dans les flux de carbone et d’azote. Comme les organismes planctoniques potentiellement responsables de cette activité n’y ont jamais été étudiés, les objectifs de cette thèse étaient de caractériser la diversité (abondance et richesse spécifique), la distribution spatio-temporelle, et les facteurs de contrôle des diazotrophes, en s’axant particulièrement sur les cyanobactéries unicellulaires (UCYN). Pour cela, des hybridations in situ (TSAFISH)sur différentes fractions de taille en combinaison avec des comptages microscopiques et des analyses phylogénétiques sur les gènes 16S ADNr et nifH ont été réalisées, à la fois lors d’un cycle saisonnier à la station côtière SOMLIT de Marseille, et lors du transect Méditerranéen BOUM. Alors que les cyanobactéries filamenteuses Richelia intra cellularis et Trichodesmium sp. ont été détectées seulement ponctuellement dans le temps et dans l’espace, en très faible concentration (0.02 filament.ml-1), la communauté des cyanobactéries diazotrophes était dominée à 99,9% par du picoplancton hybridé avec la sonde Nitro821, spécifique aux UCYN. Ces cellules, de petite (0.7-1.5 μm) ou de grande (2.5-3.2 μm)taille, ont été retrouvées en faible concentration (1-6 cellule.ml-1) dans toute la Méditerranée et tout au long de l’année, à l’exception de l’été 2006 lorsque la concentration des petites cellules a atteint 5300 cellule.ml-1 au cours d’un évènement exceptionnel de pollution atmosphérique urbaine. Des efflorescences similaire sont été observées suite à des enrichissements en poussières sahariennes à une station côtière en Corse et au large au centre de la Méditerranée, simultanément avec des augmentations de l’activité de fixation d’azote.L’affiliation des petites cellules aux UCYN-A a été confirmée par phylogénie dans les eaux du large de la Méditerranée occidentale. Les librairies de clones nifH de la fraction de taille picoplanctonique étaient dominées par des séquences d’α-protéobactéries appartenant à un nouveau groupe marin de Bradyrhizobium. D’autres groupes de rhizobia et des γ-protéobactéries ont été détectés ponctuellement.Alors que l’absence de Trichodesmium sp. au large pourrait être liée aux faibles concentrations en phosphate et en fer, les facteurs inhibant le développement des UCYN-B et –C restent inconnus. Lesdiazotrophes picoplanctoniques (Bradyrhizobium, rhizobia, UCYN-A) pourraient avoir développé des stratégies spécifiques, telles que des associations avec des eucaryotes ou des particules inertes, et/ou la capacité de photosynthèse, pour acquérir le carbone nécessaire au soutien du processus de la diazotrophie / The Mediterranean Sea is one of the most oligotrophic marine areas on earth where nitrogenfixation has been formally believed to play an important role in carbon and nitrogen fluxes. Although thisview is under debate, the diazotrophs responsible for this activity have still not been investigated. The aimsof this PhD were to characterise the diversity (abundance and species richness) and the spatio-temporaldistribution of diazotrophs, as well as factors controlling their development, with a particular focus onunicellular cyanobacteria. A combination of microscopic counts with size fractionated in situ hybridization(TSA-FISH), and 16S rDNA and nifH phylogenies were done, either over a year and a half seasonal cycle atthe coastal SOMLIT station off Marseilles, and across the entire Mediterranean Sea during the BOUMtransect. Low concentrations of diazotrophic cyanobacteria were detected and this community wasdominated at 99.9% by picoplankton hybridized with Nitro821 probe, specific for unicellular diazotrophiccyanobacteria (UCYN). Among filamentous cyanobacteria, only 0.02 filament ml-1 of Richeliaintracellularis and Trichodesmium sp. were detected sporadically in time and space. Small (0.7-1.5 μm) andlarge (2.5-3.2 μm) Nitro821-targeted cells were recovered in low concentrations (1-6 cell ml-1) across theentire Mediterranean Sea and all the year long, except over a month period in summer 2006 whenconcentrations of small cells reached 5300 cell ml-1, during an exceptionally high urban pollution event.Similar blooms of small and large cells were reported after Saharan dust inputs off Corsica and at open Sea,simultaneously with increases in N2 fixation rates. The affiliation of the small Nitro821-targeted cells toUCYN-A was confirmed by 16S and nifH phylogenies offshore in the western Mediterranean Sea. Rhizobiasequences, including the ones of a new marine group of Bradyrhizobium, were dominating nifH clonelibraries from picoplanktonic size fractions. A few sequences of γ-proteobacteria were also detected incentral Mediterranean Sea. While low phosphate and iron concentrations could explain the absence ofTrichodesmium sp. offshore, the factors that prevent the development of UCYN-B and C remain unknown.It is proposed that the dominating Mediterranean picoplankters (Bradyrhizobium, rhizobia, UCYN-A)probably developed specific strategies, such as associations with protists or particles, and/or photosyntheticactivity, to acquire carbon for sustaining diazotrophy.

Ce travail de thèse a pour but d'étudier la fixation d'azote marine dans les environnements riches mais déficitaires en azote (N), comparé au phosphore (P) dans un rapport N:P<16, grâce à l'utilisation d'approches complémentaire en culture in vitro et sur le terrain in situ. La première partie de ce travail a consisté à évaluer la réponse de la fixation d'azote de la cyanobactérie unicellulaire diazotrophe Crocosphaera watsonii face à des concentrations micromolaires en azote inorganique dissous (DIN) supposées inhiber l'activité de fixation d'azote : - suite à un apport sporadique, ou, - après une longue période d'acclimatation. Les résultats de ces études n'ont pas permis d'observer une inhibition des activités de fixation d'azote de cet organisme, laissant supposer que ce processus pourrait être actif dans une zone de l'Océan ayant ces même caractéristiques biogéochimiques : le Sud Est Tropical de l'Océan Pacifique (ETSP). En effet, cette zone est une des trois plus grandes zones de minimum d'oxygène (OMZ) de l'Océan et d'intenses processus de pertes de N (dénitrification et anammox) y ont lieu, résultant en un déficit de N par rapport au P. Des études présumaient que des processus inverses, de gains de N par la fixation d'azote, pourraient y être actifs mais aucune mesure à l'échelle du bassin n'y avait été faite car la fixation d'azote n'était supposée se produire que dans les environnements oligotrophes, comme les gyres subtropicaux. Dans le cadre d'un projet international, des missions océanographiques ont pu avoir lieu dans cette zone en Février 2010 pendant un évènement El Niño et en Mars-Avril 2011 pendant un évènement La Niña. / The objectif of these thesis was to study dinitrogen fixation in marine environments rich but deficient of nitrogen (N) compared to phosphorus (P) in a ratio N:P<16, by using complementary approaches in culture in vitro and in the field in situ. The first part of this work was to evaluate the response of nitrogen-fixing unicellular Cyanobacteria Crocosphaera watsonii faced with micromolar concentrations of dissolved inorganic nitrogen (DIN) supposed to inhibit nitrogen fixation activity : - after sporadic input, or, - after a long period of acclimatization. The results of these studies have failed to observe the inhibition of nitrogen fixation activities of this organism, suggesting that this process could be active in an area of the Ocean with these same biogeochemical characteristics : the Eastern Tropical South Pacific (ETSP). Indeed, this area is one of the three largest oxygen minimum zones (OMZ) of the Ocean, where intense processes of N losses (denitrification and anammox) took place, resulting in a deficit of N compared to P. Studies assumed that the inverse process, gain of N by nitrogen fixation, could be active in the ETSP but no measurements across the basin have been performed because nitrogen fixation was assumed to occur only in oligotrophic environments, such as the subtropical gyres. In the framework of an international project, cruises took place in this area in February 2010 during a El Niño event and in March-April 2011 during a La Niña event. Results of these two cruises have confirmed that nitrogen fixation was unexpectedly active with an intensity comparable to those reported in oligotrophic areas.