La mucoviscidose est une maladie génétique autosomique causée par une mutation dans le gène CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator). Mon travail s’est décomposé en deux parties principales : d’une part j’ai réalisé une revue de la littérature sur l’analyse des génomes bactériens isolés de patients mucoviscidosiques comparativement aux génomes des mêmes espèces isolées dans d’autrescontextes et d’autre part j’ai analysé les génomes de trois espèces bactériennes (Microbacterium yannicii, Chryseobacterium oranimense et Haemophilus parahaemolyticus). L’analyse exhaustive des génomes bactériens issus de patients atteints de mucoviscidose a révélé une extraordinaire évolution de ces génomes en fonction du temps et des traitements reçus par ces patients qui témoigne de la capacité qu’ont ces bactéries à s’adapter à leur écosystème notamment par l’acquisition de nouveaux gènes par transfert latéral de gènes. Ce travail montre l’extraordinaire plasticité des génomes bactériens dans un milieu donné et à ce titre le poumon de patients atteints de mucoviscidose représente un modèle unique pour comprendre l’évolution des génomes bactériens. De plus, notre travail a permis d’identifier leurs mécanismes moléculaires de résistance aux antibiotiques. Les travaux à venir sur l’étude des métagénomes de prélèvements chez ces patients pourrait permettre de répondre à ces questions dans le futur. La découverte de nouvelles espèces et / ou émergentes va nous permettre d’avoir une image plus complète de la mucoviscidose qui pourrait conduire à une meilleure connaissance de la maladie et donc à une meilleure prise en charge thérapeutique. / Cystic fibrosis is an autosomal genetic disorder caused by a mutation in the CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) gene. Pulmonary infection is the major problem faced by patients with cystic fibrosis. My work is divided into two main parts: first I made a review of the literature on the analysis of bacterial genomes isolated from CF patients compared to the genomes of the same species isolated in autrescontextes and other part I analyzed the genomes of three species of bacteria (Microbacterium yannicii, Chryseobacterium oranimense and Haemophilus parahaemolyticus). The comprehensive analysis of bacterial genomes from cystic fibrosis patients revealed an extraordinary evolution of these genomes with time and treatment received by these patients reflects the ability of these bacteria to adapt to their particular ecosystem the acquisition of new genes by lateral gene transfer. This work shows the extraordinary plasticity of bacterial genomes in a given environment and as the lungs of patients with cystic fibrosis represents a unique model for understanding the evolution of bacterial genomes. In addition, our work has identified their molecular mechanisms of resistance to antibiotics. Future work on the study of metagenomes sampling in these patients could help to answer these questions in the future. The discovery of new species and / or emerging will allow us to have a more complete picture of cystic fibrosis which could lead to a better understanding of the disease and thus a better therapeutic management.

Les milliers d’espèces de microorganismes présentes dans les océans sont essentiellement connus pour être planctoniques ou benthiques. Moins décrits, de nombreux micro-organismes colonisent également la surface et le tube digestif des macro-organismes marins, formant des communautés appelées microbiomes. Ces microbiomes ont des conséquences cruciales sur la fitness de leur hôte. Les récents progrès en biologie moléculaire ont ouvert la voie à une caractérisation des différentes facettes de sa biodiversité, à la fois taxonomique, phylogénétique, et fonctionnelle. L’objectif de cette thèse est donc de caractériser la biodiversité des microbiomes cutanés des organismes marins, d’identifier ses échelles de variabilité, ses déterminants, et son importance à l’échelle de l’écosystème. Dans un premier temps j’ai mesuré l’efficacité d’indices de biodiversité à détecter des signaux écologiques dans le cas spécifique de communautés microbiennes. Puis, j’ai décrit le microbiome cutané des principaux grands clades d’animaux marins (poissons téléostéens, cétacés et invertébrés de plusieurs classes). J’ai démontré que le microbiome cutané était très différent des communautés présentes dans l’eau environnante. J’ai aussi montré qu’il était variable, à la fois entre individus et entre espèces, mais ne présentait pas de patron de phylosymbiose. Enfin, j’ai évalué la contribution de la diversité des microbiomes cutanés à la diversité de la communauté microbienne globale d’un écosystème corallien. J’ai ainsi démontré que les animaux marins hébergent collectivement une richesse microbienne presque vingt fois supérieure à celle de l’eau les environnant, et 75% de la richesse phylogénétique à l’échelle de l’écosystème. Dans un contexte d’érosion massive de la diversité des macro-organismes marins, ces résultats soulignent la nécessité d’évaluer plus exhaustivement la biodiversité microbienne marine et sa vulnérabilité face aux pressions anthropiques. / Oceans contain thousands of microbial species playing crucial roles for the functioning of the marine ecosystem. These microorganisms are present everywhere in the water column. Some microorganisms also colonize the surface and the digestive tract of marine macro-organisms, forming communities called microbiomes. These microbiomes have positive effects for their host’s fitness. The diversity of these marine animal surface microbiome is still largely understudied, despite recent progress in molecular biology that now permits to fully assess its different facets of biodiversity, i.e. taxonomic, phylogenetic and functional. The goal of this thesis is therefore to describe the diversity of the surface microbiome of marine animals, to assess its variability at different levels, as well as its determinants, and the significance of such diversity at the ecosystem’s scale. Firstly, I have assessed the efficiency of various diversity indices to detect ecological signals in the specific case of microbial communities. Secondly, I have described the surface microbiome of major marine animal clades (teleostean fishes, cetaceans and several classes of invertebrates). I found that these microbiomes are highly distinct from the surrounding planktonic communities. I demonstrated that these microbiomes are variable both between individuals from the same species and between species, but do not show a phylosymbiosis pattern. Last, I assessed the contribution of surface microbiomes to the global microbial community at the scale of a coral reef ecosystem. I demonstrated that marine animal surfaces host almost twenty times more microbial species than the water column, and 75% of the phylogenetic richness present in the ecosystem. In a context of massive erosion of marine macroscopic organisms, it is therefore urgent to exhaustively assess marine microbial biodiversity and its vulnerability facing anthropic pressures.

Vitis vinifera subsp. vinifera L., les principales espèces de raisins sont cultivées pour la production de fruits et la production de vin dans le monde est un hôte naturel d'une grande variété de micro-organismes procaryotes et eucaryotes qui interagissent avec la vigne, ayant des effets bénéfiques ou phytopathogènes. Ils pourraient également jouer un rôle majeur dans le rendement des fruits, la qualité du raisin, la protection des plantes et, finalement, dans le modèle de la fermentation du raisin et la production de vin. La phyllosphère (constituée des parties aériennes de la plante) est l'un des habitats microbiens les plus répandus sur terre et est un milieu assez négligé, en particulier dans les vignes et de nombreuses questions liées à cet habitat microbien sont toujours sans réponse.Cette thèse est un effort pour répondre à une question fondamentale en écologie microbienne: quels sont les facteurs qui déterminent le microbiome dans la phyllosphère de la vigne? Les communautés microbiennes de la phyllosphère (PMCs) vivent à l'interface plante-climat et sa capacité à s'établir, prospérer et se reproduire sur la surface des feuilles ou des fruits dépend de plusieurs caractéristiques fonctionnelles microbiennes, comme la capacité de se fixer sur la cuticule et d'utiliser la foliaire. nutriments ainsi que les conditions climatiques dominantes comme la température, l'humidité de l'air et la pluie. La chimie des feuilles ou des fruits, la physiologie et la structure morphologique diffèrent selon le génotype et l'espèce puisque tous ces traits ont une base génétique, et cette variation peut mener à une combinaison différente d'assemblage de PMC parmi les génotypes de plantes. Ainsi, le premier objectif de notre travail était d'évaluer les impacts des cultivars de vigne (variétés de Vitis vinifera L) et des espèces de vigne (espèces Vitis entièrement différentes) sur l'assemblage du microbiome dans la phyllosphère à un endroit géographique particulier (pour minimiser les effets environnementaux) . Plus tard, les impacts de certains cultivars et terroirs de vigne commercialement importants (représentés par trois zones climatiques françaises) ont également été évalués et comparés. Les impacts de la saison et des organes extérieurs de la plante (feuilles et baies) sur la structuration des taxons microbiens dans la phyllosphère ont également été évalués et présentés dans ce travail. De plus, des impacts spécifiques à l'espèce sur le microbiome de la phyllosphère ont également été testés et représentés.Dans l'ensemble, notre étude a évalué et comparé les nombreuses facettes des facteurs qui peuvent influencer structure du microbiome dans la phyllosphère avec un accent particulier sur la pression de sélection relative exercée par le génotype de la vigne et son interaction avec différentes conditions climatiques (ou terroir), ce qui peut améliorer nos chances de trouver des gènes contrôlant les PMCs sur la phyllosphère. les gènes sont réellement importants dans des environnements réalistes et probablement ces gènes nous donneraient de nouvelles idées pour la sélection de nouveaux cépages sains présentant de meilleurs caractères sur leur phyllosphère. De plus, considérant que les PMC végétales jouent un rôle crucial dans la santé et la forme des plantes car elles peuvent moduler la susceptibilité foliaire aux infections, cette étude pourrait également être utile pour développer des méthodes de biocontrôle innovantes et naturelles ou phytostimulation contre les pathogènes de la vigne. de variétés résistantes innovantes. / Vitis vinifera subsp. vinifera L., the main grape species are grown for fruit and wine production over the world is a natural host of a wide variety of prokaryotic and eukaryotic microorganisms that interact with grapevine, having either beneficial or phytopathogenic effects. They could also play a major role in fruit yield, grape quality, plant protection and, ultimately, in the pattern of grape fermentation and wine production. Phyllosphere (consists of the aerial parts of the plant) is one of the most prevalent microbial habitats on earth and is quite a neglected milieu, especially in grapevines and many questions related to this microbial habitat, are still unanswered.This thesis is an effort to answer a very fundamental question in microbial ecology- what are the drivers that shape the microbiome in the grapevine's phyllosphere? The phyllosphere microbial communities (PMCs) live at the plant-climate interface and its ability to establish, thrive and reproduce on the leaf or fruit surface depends on several microbial functional traits, such as the ability to attach to the cuticle and to use the foliar nutrients as well as well as to the prevailing climatic conditions like temperature, air humidity and rain. Leaf or fruit chemistry, physiology, and morphological structure differ among plant genotype and species as all these traits have a genetic basis, and this variation may lead to a different combination of PMCs assemblage among plant genotypes. Hence, the first objective of our work was to assess the impacts of grapevine cultivars (varieties of Vitis vinifera L) and grapevine species (entirely different Vitis species) on microbiome assemblage in the phyllosphere at a particular geographic location (to minimize the environmental effects). Later on, impacts of some commercially important grapevine cultivars and terroirs (represented by three French climate zones) were also assessed and compared. Impacts of the season and exterior plant organs (leaf and berries) on microbial taxa structuring in the phyllosphere was also assessed and presented in this work. Furthermore, species-specific impacts on phyllosphere microbiome were also tested and represented.Overall our study assessed and compared the many facets of the factors that may influence themicrobiome structure in the phyllosphere with a special focus on relative selection pressure exerted by grapevine genotype and its interaction with different climatic conditions (or terroir), which may improve our chances to find genes that controls PMCs on phyllosphere, and simultaneously increase our confidence that those genes are actually important in realistic environments and probably those genes would give us new insights for breeding new and healthy grape varieties displaying better traits on their phyllosphere. Moreover, considering that the plant PMCs plays a crucial role in plant health and fitness as it can modulate leaf susceptibility to infection, this study could also be helpful to develop innovative and natural biocontrol methods or phytostimulation against grapevine pathogens or rethink breeding schemes for the creation of innovative resistant varieties.

Les éponges Homoscleromorpha constituent l’une des grandes Classes des Porifera. Particulièrement bien distribuées dans les grottes sous-marines. Leur taxonomie et systématique sont particulièrement difficiles, à cause de l’absence fréquente de caractères diagnostiques. A partir d’une approche de taxonomie intégrative, couplant morphologie, cytologie et génétique, le premier objectif de cette thèse était d’améliorer la connaissance de la biodiversité des Homoscleromorpha. Les espèces nouvelles représentent 40% des éponges récoltées au cours de cette étude. Ce document présente 3 nouvelles espèces et 1 nouveau genre récemment publiés. L’ensemble des résultats acquis au cours de cette thèse appelle à une redéfinition des deux familles provocant un premier grand bouleversement de la Systématique de ce groupe.Un deuxième grand objectif de cette thèse était d’apporter des connaissances sur la diversité chimique et microbienne de ce groupe d’éponges. En étudiant un grand nombre de représentants nous avions l’ambition d’apporter des éléments de compréhension du succès écologique des Homoscleromorpha dans les grottes sous-marines. A l’aide d’approches metabolomiques et de metabarcoding, nous avons mis en évidence des patrons de diversité chimique et microbienne en fonction de différentes variables, traduisant pour certains un signal phylogénétique et dans d’autres une influence de l’environnement. Cette partie de la thèse était un pré-requis indispensable pour comprendre les capacités adaptatives des holobiontes Homoscleromorpha à travers l’expression de métabolites et/ou l’acquisition de microorganismes spécialisés, et leur évolution dans un environnement contraignant. / Homoscleromorpha sponges constitute one of the four Classes among Porifera. Their taxonomy and systematics are challenging due to the frequent absence of diagnostic characters. Particularly well distributed in cryptic habitats like submarine caves. Using an integrative approach based on morphology, cytology and genetics, the first objective of this thesis was to improve our knowledge on the biodiversity of Homoscleromorpha in submarine caves. New species represents 40% of the Homoscleromorpha collected. Here we present 3 new species and one genus recently published, 11 other new species being currently under description. Our results strongly support a redefinition of the two families of Homoscleromorpha. Our results represents a first grand overturn in the systematics of this group.A second objective of this thesis was to improve our knowledge on the chemical and microbial diversity of Homoscleromorpha but also its variability according to the environmental conditions. Our analysis provides preliminary data to address the question of the ecological success of Homoscleromorpha in submarine caves. Metabolomics and metabarcoding data defined patterns of chemical and microbial diversity according to different explicative variables like the taxonomy, the geographical origin or the ecology of the studied species. The patterns of diversity were supported by chemical and microbial markers and they explain a phylogenetic classification in few cases and a geographic origin in others. This study brings first insights into the understanding of the adaptive capacities of the Homoscleromorpha holobiont, through the expression of particular metabolites and/or microorganism.

Les bactéries sont une composante indissociable des réseaux de distribution d’eau potable qui, en les colonisant, forment des communautés complexes. Il est émis l’hypothèse que des variations de structure et de composition de ce microbiome pourraient refléter des changements de la qualité de l’eau liés à différents phénomènes (stagnation, biocorrosion, changement de pression, ...). Une importante campagne de prélèvements menée sur le réseau d’eau potable de Paris a permis d’apprécier la dynamique de ces communautés bactériennes selon trois méthodes différentes : la description de la communauté par metabarcoding, la culture de la flore hétérotrophe totale et la quantification par PCR de trois pathogènes opportunistes, Mycobacterium spp. L. pneumophila, et P. aeruginosa. Cette étude a mis en évidence une certaine diversité au sein des communautés bactériennes de l’eau potable malgré une prédominance des genres Hyphomicrobium et Phreatobacter. Les méthodes de culture et de PCR quantitative mettent également à jour l’importance écologique du genre Mycobacterium. L’intégration aux analyses des paramètres spatio-temporels et physico-chimiques de l’eau potable a permis de constater une relative stabilité des communautés bactériennes. Cependant, suite à d’importants évènements climatiques, des variations dans la structure des communautés sont visibles sans conséquence sur la qualité sanitaire de l’eau. Ces travaux suggèrent que l’utilisation en parallèle de différentes méthodologies, et notamment l’apport du metabarcoding, permet d’améliorer la connaissance sur le réseau de distribution d’eau potable et de mieux observer des changements fins, invisibles aux méthodes classiques. / Bacteria are an indivisible component of drinking water distribution systems which, by colonizing them, form complex communities. It is assumed that variations in the structure and composition of this microbiome could reflect a change in water quality related to different events (stagnation, biocorrosion, pressure change, etc.). A major sampling campaign was conducted within the Paris drinking water distribution systems allowing to assess the diversity and the dynamic of these bacterial communities using three different methods: description of the community by metabarcoding, heterotrophic plate count and quantification by PCR of three opportunistic pathogens, Mycobacterium spp. L. pneumophila, and P. aeruginosa. This study revealed some diversity within the drinking water bacterial communities. Culture and quantitative PCR methods also reveal the ecological importance of the Mycobacterium genus. The integration of spatio-temporal and physico-chemical parameters of drinking water into analyses has highlighted a relative stability of bacterial communities. However, variations in the structure of the communities are visible following important climatic events, without consequences on the sanitary quality of the water. Altogether, our work suggests that the use in parallel of different methodologies, particularly metabarcoding, has improved our knowledge of the bacterial communities within the Paris drinking water distribution systems and better observe subtle changes, invisible to conventional methods.

<p dir="ltr">Dietary fibers have been observed to modulate the gut microbiome in ways that prevent and moderate human diseases and confer health benefits onto their human host. How dietary fibers do this is through their structure; gut microbes are equipped with a variety of differ- ent carbohydrate-active enzymes (CAZymes) that allow some to hydrolyze glycosidic bonds, thereby utilizing the dietary fiber. The more complex the dietary fiber, the more diverse the maintained gut microbiota may be, as specialist species may be required for complete hydrol- ysis. Therefore, increasing structural complexity of dietary fibers may increase gut microbial diversity and help prevent diseases. To understand if structural features impact the gut mi- crobiome, a set of resistant glucans varying in structures, including mixed-linkage -glucans, resistant maltodextrins (similar to type IV resistant starch) and polydextroses, which are comprised entirely of glucose, were used as substrates in an in vitro sequential batch fermen- tation using fecal microbiota form three healthy donors as inocula. I measured metabolic outputs, growth curves, and community structures by 16S rRNA amplicon sequencing, which I analyzed for through alpha and beta diversity differences and taxa that overrepresented and increased in each treatment. My results show that, depending on the donor and the resistant glucan, structure does significantly impact the concentrations of short-chain fatty acids (SCFAs) and other metabolites that are produced. Resistant glucan structure also impacts alpha and beta diversity to a degree and linear discriminant analysis (by LEfSe) results also support that specific species have preference towards substrates as well. Next, resistant glucans were supplemented into a high-fat diet, and compared these diets to a low- fat diet (LFD), high-fat diet with cellulose (HFD), and high-fat without cellulose (HWC) in a mouse study using C57BL/6J mice over 4 weeks. Increasing microbial diversity will not only increase diversity in the gut microbiome, but it will also provide protective effects in behavior such as helping to prevent anxiety. I measured weight, metabolic outputs, 16S community structure, changes in alpha and beta diversity, and differential abundances of OTUs and taxa by discriminant analysis Effect Size (LEfSe) and Metastats, and anxiety behaviors using open field and light/dark box tests. Microbial community structure was significantly different in treatment groups from controls. Anxiety for mice in tapioca dextrin 01 (TD01), tapioca dextrin 03 (TD03), and resistant maltodextrin (RMF) treatment groups were gen- erally increased, suggesting that the chemical structure of these resistant dextrins may alter the gut microbiome in ways that may influence behavior.</p><p dir="ltr">My overall results support the hypothesis that the fine structural features of dietary fibers do significantly impact the gut microbiome by selecting for specific microbiota, and may even impact cognition and behavior.</p>

Le microbiote intestinal joue un rôle important dans la santé des chiens. Les changements dans la composition du microbiote conduisent au déséquilibre de ces micro-organismes qui est appelé dysbiose. Les objectifs de cette étude étaient d’évaluer l’impact de l’administration orale de Saccharomyces cerevisiae sur le microbiote fécal des chiens en bonne santé et d’évaluer le potentiel de Saccharomyces cerevisiae dans la prévention de la dysbiose induite par les antibiotiques. Les chiens ont été divisés en un groupe témoin (n=10) et un groupe probiotique (n=10). Le groupe probiotique a reçu 1 g/kg de S. cerevisiae par jour de D0 à D31. Les deux groupes ont reçu 15 mg/kg de métronidazole par voie orale toutes les 12h, de D11 à D17. Des écouvillons fécaux ont été prélevés sur les échantillons D0, 3, 11, 17, 20, 24 et 31 pour analyse du microbiote. Du sérum sanguin a été prélevé sur D0 et D24 pour des cytokines IL-2, IL-6, IL-8, IL-10, IL-12, IFN-Υ et TNF-α. Le séquençage de l’ADN pour l’analyse du microbiote a été effectué à l’aide de la plateforme Illumina MiSeq et les données ont été analysées à l’aide du logiciel Mothur. La supplémentation en S. cerevisiae a été associée à des changements dans la composition du microbiote après 3 jours (p-value=0,002). Comme on pouvait s’y attendre, le métronidazole a considérablement modifié la composition du microbiote des deux groupes à partir de D11 jusqu’à D17 (valeur p < 0,001). Même si les deux groupes ont changé de façon marquée de D11 à D17, il y avait une différence significative entre les groupes de D17 (p-value=0,012) et de D20 (p-value=0,036), suggérant que le probiotique utilisé a la capacité de moduler le microbiote des chiens confrontés à la dysbiose. Il n’y avait pas de différence significative entre les groupes pour le D24 (p-value=0,388), mais pour le D31, les chiens du groupe probiotique ressemblaient à leur microbiote de référence, tandis que certains animaux du groupe témoin demeuraient dans l’état dysbiotique (p-value=0,002). Le TNF-α avait considérablement diminué dans le groupe des probiotiques à partir de D0 jusqu’à D24 (p-value=0,002). La quantité de TNF-α observée dans le groupe témoin par rapport au groupe probiotique de D24 était également significativement plus élevée (p-value=0,04). Il n’y avait aucune différence significative entre les autres cytokines mesurées dans le sang. On a également observé qu’un sous-ensemble des échantillons de référence (avant la supplémentation en probiotiques) présentait une abondance plus élevée de pathobiogènes (bactéries potentiellement pathogènes comme Escherichia, Helicobacter et Pseudomonadaceae)., tandis que les autres chiens avaient une plus grande abondance d’organismes bénéfiques (tels que Fusobacteriaceae, Bacteroides, Faecalibacillus, Bacterioidaceae, et Ruminococcaceae). Trois jours après la supplémentation en probiotiques, les chiens transportant plus de pathobiogènes se sont rapprochés d’un profil microbiote plus sain. En conclusion, on a observé que l’utilisation de S. cerevisiae était associée à des changements dans la composition du microbiote chez un groupe de chiens malades. Il a également été observé que la supplémentation avec S. cerevisiae a été en mesure de moduler les changements dans le microbiote intestinal pendant la dysbiose induite par les antibiotiques chez les chiens. Mots clés : Saccharomyces cerevisiae, manipulation du microbiote, microbiote intestinal du chien, antibiotiques. / The gut microbiota plays an important role in the health of dogs. The changes in the microbiota composition lead to the imbalance of these microorganisms which is called dysbiosis. The objectives of this study were to evaluate the impact of oral administration of Saccharomyces cerevisiae on the fecal microbiota of healthy dogs and to evaluate the potential of S. cerevisiae in preventing dysbiosis induced by antibiotics. Dogs were divided in a control (n=10) and a probiotic group (n=10). The probiotic group received 1 g/kg of S. cerevisiae per day from D0 to D31. Both groups were given oral metronidazole 15 mg/kg every 12h from D11 to D17. Fecal swabs were collected on D0, 3, 11, 17, 20, 24, and 31 for microbiota analysis. Blood serum was collected on D0 and D24 for measurements of cytokines IL-2, IL-6, IL-8, IL-10, IL-12, IFN-Υ, and TNF-α. DNA sequencing for microbiota analysis was performed using the Illumina MiSeq platform and data was analyzed using the software Mothur. Supplementation with S. cerevisiae was associated with changes in the microbiota composition after 3 days (p-value=0.002). As expected, metronidazole markedly changed the microbiota composition of both groups from D11 to D17 (p-value<0.001). Even though both groups changed markedly from D11 to D17, there was a significant difference between groups on D17 (p-value=0.012) and on D20 (p-value=0.036), suggesting that the probiotic used has the capacity to modulate the microbiota of dogs facing dysbiosis. There was no significant difference between groups on D24 (p-value=0.388) but on D31, dogs from the probiotic group resembled their baseline microbiota while some animals from the control group remained in the dysbiotic state (p-value=0.002). TNF-α was significantly decreased in the probiotic group from D0 to D24 (p-value=0.002). The amount of observed TNF-α in the control group compared to the probiotic group on D24 was also significantly higher (p-value=0.04). There were no significant differences in the other measured cytokines from the blood. It was also observed that a subset of the dogs at baseline (before probiotic supplementation) carried higher abundances of pathobionts (potentially pathogenic bacteria such as Escherichia, Helicobacter, and Pseudomonadaceae), while the other dogs had higher abundances of beneficial organisms (such as Fusobacteriaceae, Bacteroides, Faecalibacillus, Bacterioidaceae, and Ruminococcaceae). Three days after probiotic supplementation, dogs carrying more pathobionts converted into a healthier microbiota profile. In conclusion, the use of S. cerevisiae was associated with beneficial shifts in the microbiota in a group of heathy dogs and the supplementation was able to modulate the dysbiosis caused by the use of antibiotics. Keywords: Probiotics, microbiota manipulation, intestinal dysbiosis, canine microbiome, antibiotics.

The composition of gut microbes affects host weight, immune function, and disease status, and is sensitive to diet, environment, and pharmaceutical exposure. The gut microbiome modulates the toxicity and bioavailability of chemical stressors, however the effects of chemicals on the gut microbiome of aquatic biota are largely unknown. The Waterloo and Kitchener wastewater treatment plants (WWTPs) release effluents containing antibiotics, pharmaceuticals, and other contaminants into the Grand River (ON) that may negatively affect the gut microbiome of downstream organisms. In this study done in Fall 2018, I collected freshwater mussels (Lasmigona costata), several species of insect larvae, and riparian spiders (Tetragnathidae) from sites upstream and downstream of these WWTPs. The gut microbiome was analyzed following the extraction, PCR amplification, and sequencing of bacterial DNA using the V3-V4 hypervariable regions of the 16S rRNA genetic barcode. Changes in the relative abundance of major gut microbiome phyla were observed in all targeted aquatic organisms downstream of WWTPs except Hydropsychidae. Shannon alpha diversity, a measure of bacterial abundance and evenness, differed significantly among sites for mussels (one-way ANOVA: F=7.894, p=0.001), spiders (F=4.788, p=0.01), Perlidae (F=3.1, p=0.0056), Hydropsychidae (F=3.674, p=0.0014), and Heptageniidae (F=2.715, p=0.0143), but not for Baetidae and Ephemerellidae. In sites downstream of the Waterloo WWTP, alpha diversity decreased in spiders, while in sites downstream of the Kitchener WWTP diversity decreased in mussels and Perlidae, while increasing for spiders. Bray-Curtis beta diversity, a measure of dissimilarity between bacterial communities, was significantly dissimilar among sites in all invertebrate taxa (Permanova: p<0.02). Upstream sites differed from downstream Waterloo sites in spiders, Perlidae, and Hydropsychidae (Adonis pairwise: p<0.05), while upstream mussels, spiders, Perlidae, and Hydropsychidae differed from downstream Kitchener sites (p<0.05). Additionally, effluent-derived bacteria were found in the microbiomes of aquatic invertebrates downstream of the WWTPs and not upstream. Taxa was also a significant driver of bacterial composition and diversity in invertebrates. These results indicate that the gut microbiome of downstream organisms differed from the bacterial composition observed in the same invertebrate taxa upstream of the WWTPs, potentially leading to altered host health. This adds to our understanding of how chemical stressors impact the gut microbiome of aquatic and riparian biota; however, future studies are needed to investigate linkages between the gut microbiome and health of these species. / Thesis / Master of Science (MSc)

L’étiologie des bronchopneumonies infectieuses (BPI) des jeunes bovins est multifactorielle, mettant en cause des agents infectieux comme des bactéries, virus ou parasites, et également des facteurs de risques liés à la conduite d’élevage et à l’environnement. Dans cette thèse nous nous sommes intéressés aux virus respiratoires bovins. Nous avons étudié le virome de l’appareil respiratoire superficiel et profond des jeunes veaux atteints de BPI par des approches de séquençage à haut débit pour mieux caractériser les co-infections virales et identifier de nouveaux virus. Par ailleurs nous nous sommes intéressés au contexte dans lequel les virus opèrent en analysant la structure, la diversité, et le dynamisme du bactériote respiratoire chez des veaux sains et atteints de BPI. Les résultats suggèrent que de nombreux virus agissent en interactions et montrent une prédominance du coronavirus bovin (BCoV) dans les cavités nasopharyngées et également dans les poumons des veaux atteints de BPI. L’étude phylogénétique des BCoV isolés indique une ségrégation entre souches européennes d’une part et américaines et asiatiques d’autre part qui semble résulter d’un phénomène de recombinaison dans les années 1960-70. Par ailleurs un astrovirus bovin a été clairement détecté pour la première fois principalement dans les poumons de veaux atteints de BPI. L’analyse du microbiote indique, elle, une disparité écologique entre cavités superficielles et profondes et des interactions possibles entre agents pathogènes connus et différentes communautés bactériennes de la flore résidente. Enfin une partie des travaux a concerné le virus influenza D (IDV), un nouveau virus respiratoire bovin émergent récemment identifié en France. Lors d’une infection expérimentale chez des veaux nous avons démontré que IDV possède un pouvoir pathogène respiratoire modéré et qu’il module la réponse immunitaire innée du veau. Nous avons aussi confirmé le caractère ubiquiste d’IDV en démontrant sa circulation sur le continent africain. En conclusion, grâce à des méthodes de séquençages à haut débit ce travail a permis une meilleure description et caractérisation des virus respiratoires bovins et de leur environnement immédiat. Il ouvre des perspectives pour mieux comprendre le rôle des interactions virales dans la genèse des signes cliniques respiratoires. / Bovine infectious bronchopneumonia (BIP) is a complex syndrome that affects young bovines, with a multifactorial etiology often involving one or several viruses and bacteria favored by altered host immunity and disturbed environmental factors. First, using viral metagenomics sequencing tools, we explored the upper (URT) and lower (LRT) respiratory tract viromes of calves with BPI and identified unexpected viruses. In addition, in the same calves, we characterized the structure, diversities and dynamism of the bacterial communities. Results showed different patterns of interactions between the different components of the microbiomes. Among the many detected viruses, the bovine coronavirus (BCoV), showed the highest prevalence in both nasal and pulmonary cavities. Evolutionary and phylogenic analysis of the isolated BCoV strains indicated a clear segregation between European and American/Asian strains, which seems to have resulted from a recombination event during the 1960-70’s. Furthermore, a bovine astrovirus was detected for the first time in the lungs of BIP affected calves. A disparity was noticed in the bacterial community structures between the upper and lower respiratory cavities. Also, there were associations between the presences of certain bacterial taxa and known respiratory pathogens. Finally, a part of the work focused on the emerging influenza D virus (IDV) recently identified in France. Carrying an experimental infection, we showed that IDV has a moderate respiratory pathogenicity and can modulate the innate immune response of the calf. We also showed that IDV circulates in Africa thus confirming its global distribution. In conclusion, thanks to high throughput sequencing methods, this piece of work allowed for a detailed characterization of the bovine respiratory virome and its interacting environment, and further opened new perspectives for a better understanding of viral interactions in bovine BIP.

La grippe est une infection respiratoire responsable de complications respiratoires ou neurologiques nécessitant une prise en charge rapide et adaptée. L’émergence des technologies de séquençage à haut débit (NGS) permet l’étude des communautés microbiennes résidentes ainsi qu’une étude approfondie du génome des pathogènes impliqués. Cette thèse a pour objectif de caractériser le microbiome respiratoire et la diversité génomique virale des patients infectés par les virus grippaux, en corrélant les données clinicobiologiques recueillies. Après recueil des prélèvements respiratoires d’enfants hospitalisés entre 2010 et 2014, le séquençage de leur microbiome respiratoire a mis en évidence une augmentation de la diversité microbienne ainsi qu’une signature microbienne différentielle entre formes cliniques. Une répartition différentielle de taxons (OTU) permet la prédiction de complications chez les enfants infectés. L’étude d’échantillons respiratoires de patients adultes permettra de compléter la signature prédictive. Après validation des processus analytiques et bioinformatiques par reconstitution artificielles de quasi espèces et recueil de 125 prélèvements cliniques respiratoires, le séquençage du génome entier par NGS des virus grippaux permet de différencier les diversités initiales en fonction de la nature du virus infectant et de la complication. En comparaison du prélèvement initial précoce les échantillons prélevés successivement mettent en évidence une diversification différentielle entre les différents segments des virus grippaux infectant les patients, que ce soit chez les patients immunocompétents ou chez un patient immunodéprimé à l’excrétion prolongé / Influenza is a respiratory infection responsible for respiratory or neurological complications and require rapid and adapted management. The emergence of next-generation sequencing (NGS) allows the study of resident microbial communities as well as an in-depth study of the genome of the pathogens. This thesis aimed to characterize the respiratory microbiome and the viral genomic diversity of influenza virus infected patients, correlating these data to the collected clinical data. After sampling of respiratory specimens from hospitalized children between 2010 and 2014, the sequencing of their respiratory microbiome revealed an increase in microbial diversity and a differential microbial signature between clinical forms. A differential taxon distribution (OTU) allows the prediction of complications in infected children. The study of adult respiratory samples will complete the predictive signature.After validation of the analytical and bioinformatic processes by artificial reconstitution of quasi-species and collection of 125 respiratory clinical specimens, the sequencing of the whole genome by NGS of the influenza viruses allow to differentiate the initial diversities according to the nature of the infecting virus and the complication. Compared to early samples, specimen sampled successively show a differential diversification between the different segments of influenza viruses, whether in immunocompetent patients or in an immunocompromised patient with prolonged excretion