En raison de la fonte pluriannuelle des glaces dans l'Océan Arctique et de la fonte de la calotte glaciaire du Groenland, les communautés microbiennes sont exposées à de plus grandes fluctuations de salinité au cours de la saison de croissance et dans de vastes zones géographiques. Les Eaux du Nord très productives ont subi des changements marqués dans les tendances saisonnières de la chlorophylle de surface observées grâce à la télédétection et les données in situ, mais l'interprétation de ces données en termes d'espèces reste difficile puisque la phénologie de la communauté et la variabilité spatio-temporelle sont encore inconnues. Il est essentiel de bien comprendre la dynamique des assemblages de phytoplancton et d'autres espèces microbiennes pour comprendre les réponses des écosystèmes face au changement global. De plus, les grandes fluctuations de salinité ou stress salin et le choc osmotique sont parmi les principaux facteurs environnementaux limitant la croissance et la productivité des plantes et des microorganismes. Pour combler ce manque de connaissance, nous avons premièrement appliqué le séquençage d'amplicon à haut débit pour étudier les communautés microbiennes d'eucaryotes arctiques d'été et d'automne des deux côtés du nord de la baie de Baffin sur plus de 12 ans (2005 à 2018). Ces communautés sont soumises à des régimes de stratification et de courants opposés. Deuxièmement, nous avons étudié la réponse transcriptionnelle d'une microalgue associée à la glace exposée à des salinités progressivement décroissantes afin de mieux comprendre la capacité génétique de cette algue à tolérer les fluctuations de salinité, ainsi que d'identifier les gènes de stress clés. Enfin, nous avons combiné une approche métagénomique comparative avec le séquençage des amplicons d'ARNr 18S pour étudier les capacités fonctionnelles, la diversité et la dynamique des microorganismes dans la colonne d'eau supérieure du nord de la baie de Baffin pendant deux étés consécutifs (2017-2018). Nous avons constaté que la saisonnalité était un facteur majeur déterminant les assemblages de communauté des eaux de surface estivales avec le complexe d'espèces Chaetoceros socialis-gelidus et Micromonas polaris dominant le phytoplancton, et les Alpha et Gammaproteobactéries dominant la communauté bactérienne. En automne, les dinoflagellés d'eau libre non-cultivés et non-décrits étaient favorisés. Nos résultats suggèrent que la production automnale de l'Arctique, due à des conditions d'eau libre plus longue, pourrait ne pas refléter une floraison printanière dominée par les diatomées, comme le prévoient certains scénarios des saisons sans glace plus longues. Par ailleurs, une réponse progressive et une adaptation spécifique aux conditions arctiques froides et salines ont été observées avec l'expression différentielle de plusieurs protéines antigel, comme la protéine de liaison à la glace et une acyl-estérase toutes deux impliquées dans l'adaptation au froid. Nos résultats suggèrent que la protéine de liaison à la glace peut également jouer un rôle crucial dans l'adaptation à un changement rapide de salinité et à la survie cellulaire. Par ailleurs, grâce à l'annotation fonctionnelle, nous avons examiné les gènes impliqués dans la protection des photosystèmes, la régulation osmotique et les protéines antigel, cruciales pour l'acclimatation à un environnement froid. L'utilisation de la génomique comparative permettrait de révéler les évolutions des familles de gènes conférant l'adaptation des microorganismes aux transitions entre eau salée et eau douce. Ce travail de thèse aura des implications non seulement pour l'Arctique où les communautés de surface sont soumises à de grandes fluctuations de salinité, de température et de lumière, mais il contribuera également aux connaissances fondamentales dans les domaines de la production de biocarburants et de la prévision des efflorescences algales potentiellement nuisibles. / As the Arctic Ocean freshens due to multiyear ice and Greenland Ice Sheet melt, the microbial communities are being exposed to greater salinity fluctuations over the growth season and across wide geographic areas. Although remote sensing and limited in situ data have shown that the highly productive North Water has undergone marked changes in the seasonal patterns of surface chlorophyll. Interpreting this data in terms assemblages of species is difficult since the community phenology and spatiotemporal variability is unknown. Understanding the dynamics of phytoplankton and other microbial species assemblages is critical to understand ecosystem responses to global change. Moreover, greater salinity fluctuations or salt stress and osmotic shock are among the main environmental factors limiting the growth and productivity of plants and microorganisms. To address this knowledge gap, firstly, high throughput amplicon sequencing was applied to investigate summer-fall Arctic microbial communities from two sides of Northern Baffin Bay over 12 years (2005 to 2018), that are subjected to very different stratification and major current regimes. Secondly, we investigated the transcriptional response of an ice-associated microalga exposed to progressively decreasing salinities to gain a deeper understanding of the genetic capacity of this alga to tolerate salinity fluctuations, as well as to identify key stress genes. And lastly, we combined comparative metagenomic approach with 18S rRNA amplicon sequencing to investigate the functional capacities, diversity and dynamics of the microorganisms in upper water column of the Northern Baffin Bay during two consecutive summers (2017-2018). We found that seasonality was a major factor determining communities with summer species complex Chaetoceros socialis-gelidus and Micromonaspolaris dominating phytoplankton and Alpha and Gammaproteobacteria dominating bacterial community. In autumn uncultured undescribed open water dinoflagellates were favored. Our results suggest that Arctic autumn production due to longer open water conditions may not mirror a diatom dominated spring bloom as projected in some scenarios of longer ice-free seasons. Furthermore, a gradual response and specific adaptation to cold saline Arctic conditions were seen with differential expression of several antifreeze proteins, an ice-binding protein and acyl-esterase involved in cold adaptation. Our results suggest that ice-binding protein may also have a crucial role for the adaptation of a rapid change of salinity, by providing survival advantage to the cells. Moreover, through functional annotation, we examined potential genes involved in photosystem protection, osmotic regulation and antifreeze proteins, to be crucial for acclimatization to cold environment. The use of comparative genomics would reveal evolutions of gene families conferring adaptation of microorganisms to transitions between salt and fresh water. The combination of these several methodologies provides invaluable insights into the composition, the metabolic repertoire and putative functional profile of a microbial assemblage. This thesis work will have implications not only for the Arctic where surface communities are subject to large fluctuations in salinity and light but will also contribute to fundamental knowledge in the fields of biofuel production and harmful algal bloom prediction.

Les archées halophiles sont des procaryotes vivant dans des conditions d’extrême salinité. Ces micro-organismes colonisent les environnements hypersalins et synthétisent des peptides antimicrobiens appelés halocines, qui pourraient leur conférer un avantage sélectif sur leurs compétiteurs. Parmi les peptides antimicrobiens d’archées halophiles décrits, on distingue l’halocine C8, initialement purifiée à partir de la souche halophile Natrinema sp. AS7092. Ce travail de thèse a permis de montrer que la production d’halocine C8 était conservée chez plusieurs archées halophiles appartenant aux genres : Natrinema, Haloterrigena, Haloferax et Halobacterium. Une activité antimicrobienne associée des particules supérieures à 100 kDa non infectieuses suggère que l’halocine C8 pourrait être localisée dans des vésicules membranaires. Ce travail présente des résultats qui déboucheront sur une meilleure compréhension des compétitions microbiennes dans les environnements hypersalins et du rôle écologique des halocines. / Halophilic archaea are prokaryotes living in extremely high salinity conditions. Those microorganisms thrive in hypersaline environments and produce antimicrobial peptides named halocins, which may confer them a selective advantage over competitors. Among the known antimicrobial peptides produced by halophilic archaea, halocin C8 had been initially purified from the halophilic strain Natrinema sp. AS7092. This work demonstrates that halocin C8 production is conserved among several halophilic archaea belonging to genera Natrinema, Haloterrigena, Haloferax and Halobacterium. An antimicrobial activity has been associated with non-infectious particles larger than 100 kDa, suggesting that halocin C8 could be localized in membrane vesicles. Results obtained from this work will lead to a better understanding of microbial competitions arising in hypersaline environments and the ecological role of halocins

L'approche écologique est une des stratégies de recherche de substances actives. Cette approche porte sur les plantes extrêmophiles, incluant les plantes halophytes et xérophytes, végétaux natifs des biotopes salins et arides. De par leur capacité à subsister dans un environnement contraignant, qui se traduit, entre autres, par l'acquisition d'un système antioxydant puissant, elles se révèlent être des réservoirs en biomolécules, notamment en composés phénoliques. Dans cette étude, nous nous sommes ainsi intéressés à huit plantes halophytes et xérophytes Tunisiennes pouvant avoir des activités biologiques en santé humaine et en santé du végétal. Limonium virgatum (Willd.) Fourr. (Plumbaginaceae), plante halophyte, a montré des activités antioxydantes et antibactériennes intéressantes qui se trouvent respectivement liées à un contenu en polyphénols élevé et à la présence de phénylpropanoïdes. Cirsium scabrum (Poir.) Bonnet & Barratte (Asteraceae), plante xérophyte, a montré une activité cytotoxique selective envers la lignée cancéreuse J774 mettant en avant l'efficacité de triterpènes de type cycloartane ; mais également un pouvoir antibactérien sur des souches de Dermabacter hominis, qui serait lié à la présence de flavones glycosylées. Juncus maritimus Lam. (Juncaceae), plante halophyte, s'est montrée être une source de dérivés phénanthréniques à activités originales. Le juncunol, a montré une activité prometteuse sur une souche de Streptococcus pyogenes résistante à l'amoxicilline. L'effusol actif sur le pathogène de la septoriose du blé (Zymoseptoria tritici), serait stimulé dans les rhizomes de la plante en conditions de salinité élevées. Enfin, le dehydrojuncusol s'est montré être un nouvel inhibiteur de la réplication du virus de l'hépatite C, capable d'agir sur des formes de résistance à certains traitement disponibles sur le marché. / Research strategies of active natural products include ecological approaches. Extremophile plants, and in particular, halophytes and xerophytes, salt and drought-resistant plants, are a case in point. As they develop an arsenal of adaptation responses, including a powerful antioxidant system, they prove to be a promising source of biomolecules, especially in phenolic compounds. In this study, an assessment of biological activities was carried out on eight Tunisian halophyte and xerophyte plants that would offer new applications in public health-care, as well as in agriculture. Limonium virgatum (Willd.) Fourr. (Plumbaginaceae), a halophyte plant, showed interesting antioxidant and antibacterial activities in accordance to a high polyphenol content and to the presence of phenylpropanoides, respectively. Cirsium scabrum (Poir.) Bonnet & Barratte (Asteraceae), a xerophyte plant, revealed a cytotoxic potential involving cycloartane-type triterpenes, and a promising activity against Dermabacter hominis strains which is linked to the presence of glycosylated flavones. Juncus maritimus Lam. (Juncaceae), a halophyte plant, should be referred to a source of phenanthrene derivativeswith original biological activities. Juncunol showed a high activity against an amoxicillin-resistant strain of Streptococcus pyogenes. Effusol was highly active against the wheat pathogen (Zymoseptoria tritici), for which high salinity conditions would stimulate its activity in the rhizomes of the plant. Most interestingly, dehydrojuncusol, has been introduced as a novel inhibitor of hepatitis C virus replication that is effective against resistant mutants for which some treatments available on the market became ineffective.