L’ubiquité de la symbiose bactérienne, et sa présence à tous les niveaux de l’organisation biologique, bouleverse toute la science du vivant. Aujourd’hui, malgré le profond renouvellement de la biologie, de la médecine et de la philosophie de la biologie, il manque une approche de la relation symbiotique même, de son établissement et de son évolution. Au cours de ce travail, nous montrons que l’ubiquité de la symbiose et sa diversité rendent difficile la détermination d’un modèle particulier pour répondre à toute la complexité de la relation. Pour pallier cette difficulté, proposons de suivre un caractère particulier : le métabolisme syntrophique, solution évolutionnaire commune à toutes les symbioses et l’utilisons comme base de l’analyse. Par une approche évolutionnaire des mécanismes moléculaires et cellulaires, nous démontrons le caractère obligatoire de toute symbiose en établissant la dépendance des partenaires les uns aux autres. Le microbiote, formé des communautés bactériennes symbiotiques, est un organe évolutionnaire intégré fonctionnellement à l’organisme hôte. Les bactéries symbiotiques sont des agents d’homéostasie qui permettent aux organismes hôtes de s’adapter aux fluctuations des conditions environnementales. Cette fonction homéostatique est à l’origine d’une structuration réciproque entre les partenaires symbiotiques, donnant lieu à un holobionte avec une reproduction hybride et une héritabilité étendue. En analysant la symbiose intestinale bactérienne chez l’humain, nous établissons l’interaction codéveloppementale et coévolutionnaire des partenaires, et démontrons l’extension de la structuration réciproque métabolique vers une structuration cognitive qui passe par les systèmes immunitaire et neurologique chez les organismes supérieurs. En démontrant l’intrication du métabolisme avec l’information nous proposons une perspective informationnelle de la symbiose. L’échange d’informations significatives entre l’hôte et son microbiote définit l’organisation informationnelle du holobionte. / The pervasiveness of bacterial symbiosis and its omnipresence at every level of the biological organization deeply trouble life sciences. Today, despite biological, medical and philosophical renewal, a relational perspective analyzing the symbiotic relation, and the establishment and evolution of symbiosis is still lacking. In this work, we reveal difficulties to adopt an appropriate symbiosis model covering the complexity of the diverse and ubiquitous relation, and we propose to analyze the syntrophic metabolism as a common feature to all symbiosis. We apply an evolutionary approach to study molecular and cellular mechanisms, and we demonstrate the reciprocal dependency of symbiotic partners determining an obligatory symbiosis. The microbiota composed of symbiotic bacterial communities is an evolutionary homeostatic organ, functionally integrated in its host organism. Symbiotic bacteria are homeostatic agents that allow host organisms to adapt to fluctuations in environmental conditions. This homeostatic function enables the reciprocal scaffolding between symbiotic partners, resulting in a holobiont characterized by a hybrid reproduction and an extended inheritance. The analysis of bacterial symbiosis in human gut demonstrates the partner’s coevolutionary and codevelopmental interaction and determines the extension of the reciprocal metabolic scaffolding to a cognitive scaffolding based on immune and neurological systems in higher organisms. We demonstrate the entanglement of metabolism and information, and propose an informational perspective to define the symbiosis. This establishes an informational organization of the holobiont through the exchange of significant information between the host and its microbiota.

Les interactions isopodes terrestres-Wolbachia féminisantes constituent un excellent modèle d'étude des interactions multipartites complexes. A ce jour, trois Wolbachia féminisantes, issues d'histoires évolutives différentes, ont été identifiées chez l'hôte Armadillidium vulgare. L'objectif de cette thèse est d'avoir une vue plus complète du microbiote d'A. vulgare et de l'impact des souches de Wolbachia sur cette communauté bactérienne. Dans ce but, des approches quantitative et métagénomique ont été combinées afin de caractériser le microbiote d'A.vulgare à plusieurs niveaux d'intégration: (i) dans des populations naturelles et des lignées contrôlées de laboratoire, (ii) au sein de différents tissus hôtes et (iii) en relation avec le statut d'infection par Wolbachia. Aucun microbiote coeur n'a été mis en évidence malgré une relative homogénéité des communautés symbiotiques dans les tissus de l'hôte. De plus, les bactéries environnementales avaient un impact important sur le microbiote symbiotique. Chez les animaux infectés, Wolbachia représente la bactérie dominante et le facteur majeur de la structuration de la communauté symbiotique. Nous avons également mis en évidence la présence d'un autre constituant majeur du microbiote dans tous les tissus de l'hôte: Candidatus Hepatoplasma crinochetorum, un symbiote facultatif réputé jusque-là pour être seulement associé aux glandes digestives de l'intestin. Afin d'éclairer les interactions potentielles entre hôte et ce symbiote relativement peu connu, la séquence du génome de Ca. H. crinochetorum a été obtenue. Une analyse préliminaire des interactions fonctionnelles des voies métaboliques impliquées dans la digestion de la cellulose nous a permis d'identifier des enzymes cellulolytiques spécifiques de l'hôte et du symbiote. Cette étude ouvre de nouvelles perspectives dans l'étude de la symbiose chez les isopodes. / In recent years, there has been a shift of focus in symbiosis studies, away from the traditional 'one host-one symbiont' concept towards a more holistic, community-based approach. This concept takes into account that a host is not only associated with one bacterium, but harbours and interacts with a diverse bacterial community, the microbiome. Terrestrial isopods represent an excellent model system for the understanding of complex multipartite symbioses due to their well-characterised association with feminizing Wolbachia bacteria. To date, three different feminizing Wolbachia strains have been identified in Armadillidium vulgare, presumably representing different host-symbiont co-evolutionary histories. The aim of this PhD was to get a more complete picture of the terrestrial isopod microbiome and the role of Wolbachia within the bacterial community. In order to achieve this, quantitative and metagenomic techniques were combined to characterize the microbiome of A. vulgare on multiple levels: (i) Field vs. lab populations, (ii) in different host tissues, and (iii) in relation to Wolbachia infection status, i.e. presence/absence of Wolbachia as well as infection with different Wolbachia strains. Wolbachia represented the predominant member of the bacterial community in infected individuals and was identified as an important factor influencing bacterial community structure. Apart from Wolbachia, we detected a second highly abundant bacterium: Candidatus Hepatoplasma crinochetorum, a facultative symbiont previously reported from the midgut caeca, was for the first time observed in all tested host tissues. The potential interactions of Wolbachia and Ca. H. crinochetorum constitute an interesting example for symbiont-symbiont relationships between two highly abundant members of a diverse bacterial community.

L'usage efficient de matières résiduaires devient essentiel lorsque les ressources se raréfient. Afin de répondre à cette problématique par une approche industrielle, des stratégies à adopter sont plus efficientes lorsqu'elles sont développées à des échelles systémiques, notamment par des symbioses industrielles territoriales (SIT), plutôt qu'à un niveau individuel ou isolé. Un projet de SIT invite ainsi différentes activités économiques présentes sur un territoire à s'engager de manière collective afin de modifier structurellement le métabolisme territorial. Ce type de projet peut être impulsé par des organisations ou individus légitimés par le réseau d'acteurs de la SIT en devenir. Une équipe facilitatrice peut initier la démarche en se basant sur la formulation d'une promesse plausible de bénéfices, progressivement adaptée avec la participation des acteurs qui concourent à la conception, puis l'implémentation des scénarios, dépendamment de leurs "modèles de décision", lesquels incluent entre autres des dimensions environnementales. Alors que l'évaluation environnementale de produits a fait l'objet d'intenses efforts de développements, la considération concrète de conséquences environnementales de projets de SIT reste très vaguement explorée et l'Analyse du cycle de vie (ACV) est présentée comme une méthode de choix pour l'évaluation environnementale de SIT. L'ACV n'intègre cependant ni le caractère subjectif de l'environnement pour appréhender le modèle de décision des acteurs, ni les changements structurels industriels pluriannuels induits par une SIT et leur effets sur l'environnement dans le temps. Partant de ces constats, et nous basant sur des recherches en sciences sociales, nous proposons une approche de conception anthropocentrée de l'environnement invitant à conceptualiser l'environnement comme un système de relations complexes sujet-objet, et pour lequel nous identifions des éléments clés de représentation de conséquences environnementales. L'identification de ces éléments clés nous a permis de constituer une base logique composée de trois environnements, permettant donc de couvrir la perception de --et donc de considérer conséquences sur-- l'environnement du point de vue des acteurs. Nous présentons une méthode participative qui intègre cette base logique et permet successivement 1) d'identifier les phénomènes environnementaux d'intérêt du projet de SIT, 2) de concevoir des indicateurs afférents au regard des connaissances relatives au territoire dans sa dimension biophysique et des mécanismes biophysiques mis en jeux, 3) d'estimer les conséquences environnementales du projet. Nous illustrons l'application de ces propositions méthodologiques pour un projet de gestion territorialisée de résidus organiques valorisés en agriculture à la Réunion. / Efficient use of by-products is essential as natural ressources are increasingly scarce. Industrial strategies to adress this issue are more efficient when they are developed on a system-based level, such as with regional industrial symbioses,rather then with individual or isolated approaches.Regional industrial symbiosis projects involve different industrial activities based on a territory and that are to be engaged collectively in order to make structural changes within the regional metabolism. This kind of project might be promoted by individuals or organisations legitimated by the whole of industrial symbiosis'actors. A facilitator group initiates the project, catalysing changes, based on a plausible promise of benefits. Those considered changes are gradually adapted and refined by the involved actors. In such a way, plausible benefits must match to their model of choice that comprises environmental, among others, dimensions.While methods and tools dedicated to environmental assessment of product were developped under strong research effort, the issue of environmental assessment fo regional industrial symbioses so far as has been weakly studied. For that purpose Life-cycle assessment (LCA) is presented as an ultimate environmental assessment method. However, LCA was not elaborated in oder to account for individual environmental perspective, nor to address structural system changes induced consequently to the implementation of a regional industrial sysbiosis nore its temporal effects on the environment, but instead LCA addresses global environmental issues related to a product. Starting from this analysis, and dealing with outcomes from social sciences, we propose to adopt an anthropocentric conception of the environment, as a system of complex subject-object relationships, for which we identify key elements of the perception of environemental consequences. Those key elements enable to build a logical basis composed of three environments that enable to cover, and thus to consider, actors' perception of environmental consequences related to the project. We present a participatory method that embeds this logical basis and suggests successively to 1) identify the environmental phenomena of interest related to the project, 2) design corresponding indicators considering concomitantly available data about the biophysical characteristics and scientific knowledge about the impact chains, 3) assess the environmental consequences. We illustrate the method and its epistemological foundations with a case study: a project that aims to recycle organic residues in agriculture in Réunion Island.

La sporulation est un phénomène présent chez de nombreux microorganismes, généralement impliqué dans les mécanismes de dispersion et/ou résistance en conditions environnementales défavorables. La sporulation observée chez certaines souches de Frankia (genre actinobactérien fixateur d'azote) lors de leur interaction symbiotique avec les plantes actinorhiziennes est donc paradoxale dans un contexte où la bactérie bénéficie d'une niche écologique favorable à son développement. Ces souches particulières de Frankia, dites Sp+, représentent un modèle unique de symbiote capable de sporulation au sein même des cellules de son hôte. Le rôle écologique et le sens évolutif de cette sporulation in-planta reste à ce jour peu élucidé. Les deux principaux objectifs de ce travail de thèse visent donc à (i) comprendre l'influence de la sporulation in-planta sur les capacités symbiotiques des souches Sp+, en termes d'infectivité et de compétitivité et (ii) appréhender l'impact de cette sporulation sur le fonctionnement du complexe symbiotique par une méthode de profilage métabolique. Ces travaux ont permis de confirmer les particularités symbiotiques des souches Sp+ (infectivité et compétitivité accrues) et de montrer des différences significatives dans le métabolisme primaire et secondaire du complexe symbiotique associées à la présence de spores de Frankia / Sporulation is a phenomenon present in many microorganisms, usually involved in the mechanisms of dispersion and/or resistance to unfavorable environmental conditions. Sporulation occurs in some Frankia strains (a diazotrophic actinobacteria) during their symbiotic interaction with actinorhizal plants, which is paradoxical in a context where the bacterium has a favorable ecological niche for its development. These particular Frankia strains, called Sp+, represent a unique model of symbiont capable of sporulation within the host cells. The ecological role and the evolutionary meanings of this in-planta sporulation still remain understood. The two main objectives of this thesis aimed to (i) understand the influence of in-planta sporulation on the symbiotic capacity of Sp+ strains in terms of infectivity and competitiveness and (ii) understand the impact of this sporulation on the functioning of the symbiotic complex by a metabolic profiling approach. These studies have confirmed the symbiotic characteristics of Sp+ strains (greater infectivity and competitiveness) and have shown significant differences in the primary and secondary metabolism of the symbiotic complex associated with the presence of Frankia spores

Certains symbiotes intracellulaires résident dans le cytoplasme des cellules et manipulent le système reproductif de leurs hôtes. Du fait de leur transmission maternelle, ces parasites sont sélectionnés pour optimiser la survie et la reproduction de leurs hôtes femelles. Chez les arthropodes, la bactérie Wolbachia infecte au moins 66% des espèces d’insectes mais peuvent aussi infecter des nématodes. Cette large distribution dans les populations hôtes confère à Wolbachia un potentiel important en tant que moteur d’évolution. En particulier, elle pourrait être utilisée comme vecteur transgène dans les espèces nuisibles. Mais la dynamique évolutive des infections à l’échelle des communautés est mal connue, en particulier la fréquence des transferts de parasites entre hôtes de différentes espèces et la stabilité évolutive des associations. Mon travail de thèse a porté sur la détection et dynamique des infections de Wolbachia à une échelle micro-évolutive, c’est-à-dire, dans des communautés d’arthropodes avec moins de 5 My. L’objectif de ce travail était à la fois la caractérisation des communautés géographiques d’arthropodes et celle des infections par Wolbachia de ces communautés. Nous avons également examiné l’existence de transferts horizontaux récents de ces symbiotes entre des taxa distantes ainsi que les routes écologiques potentielles pour ces transmissions / Sexual parasites are intracellular symbionts capable of manipulating the reproduction of their hosts. They are widespread in Arthropods where they display a wide range of reproductive manipulations; these can be potentially involved in the evolution of mating systems, speciation, gene acquisition and sex determination. In particular, Wolbachia is thought to infect more than 66% of insect species and is also found in nematodes. However, little is known about the dynamics of Wolbachia infections at the community level. Although at the intra-population level, invasion dynamics have been extensively studied, the same is not true at the community level where the turnover of infections remains largely uncharacterised. The question of how often are new infections acquired through horizontal transfers between distantly related hosts remains also open. Moreover, as Wolbachia is seen as a good candidate for a transgenic vector against pests, understanding its dynamic at the community level is crucial. We proposed to address them by performing an exhaustive characterisation of sexual parasites in simplified systems, using the opportunity offered by small arthropod communities in isolated islands

Les microorganismes agissent comme un puits et une source de N et Pdisponibles car ils sont responsables des cycles biogéochimiques de N et P. La bouclemicrobienne, basée sur la prédation des bactéries par les microprédateurs tels que lesnématodes bactérivores, est considérée comme un facteur majeur de la minéralisation de Net de P dans les écosystèmes terrestres. Cependant, peu de données sont disponibles surl'impact de la prédation par les nématodes sur la nutrition minérale des plantes ligneusesectomycorhizées. Différentes expérimentations ont été conduites pour quantifier le rôle dela prédation des bactéries par les nématodes sur l'architecture et la croissance racinaire, lanutrition minérale (N et P) d'une espèce ligneuse, Pinus pinaster, associée ou non avec lebasidiomycète ectomycorhizien Hebeloma cylindrosporum. Les plantes ont été cultivéesdans un système expérimental simplifié et stérile, et inoculées ou non avec Bacillus subtiliset des nématodes bactérivores (de la famille des Rhabditidae ou des Cephalobidae) isolés àpartir d'ectomycorhizes et de sol provenant d'une plantation de Pin maritime. L'effet de laprédation sur la croissance des plantes et le devenir du 15N bactérien vers les partiesaériennes dépend très fortement de la disponibilité en P du milieu. De plus, la prédationdes bactéries est indispensable pour permettre à la plante d'utiliser le P du phytate, unesource de P organique très peu disponible pour la plante mais très facilement utilisable parB. subtilis car cette bactérie est capable de libérer de la phytase dans le milieu. Cesrésultats ouvrent de nouvelles perspectives pour améliorer l'utilisation du phytate pour lanutrition phosphatée des plantes. / Soil microorganisms act as a sink and a source of available N and P bymediating key processes in the biogeochemical N and P cycling. The microbial loop, basedupon the grazing of bacteria by predators such as bacterial-feeding nematodes, is thoughtto play a major role in the mineralization of nutrients such as nitrogen (N) and phosphorus(P) in terrestrial ecosystems. However, little is known about the impact of grazing bynematodes on mineral nutrition of ectomycorrhizal woody plants. Different studies wereundertaken to quantify the role of nematode grazing on bacteria on the root growth andarchitecture, mineral nutrition (N and P) of a woody species, Pinus pinaster, whether ornot associated with the ectomycorrhizal basidiomycete Hebeloma cylindrosporum. Plantswere grown in a sterile simplified experimental system, whether inoculated or not withBacillus subtilis and bacterial-feeding nematodes (belonging to Rhabditidae orCephalobidae families) that were isolated from ectomycorrhizae and from soil of a P.pinaster plantation. The effect of nematode grazing on plant growth and the fate ofbacterial 15N towards plant shoots was strongly dependent upon medium P availability. Inaddition, nematode grazing was required to enable the plant to access P from phytate, awell-known poorly available P source to plants but that was used by bacterial populationsof B. subtilis due to its ability to release phytase in the medium. These results open analternative route to increase the use of phytate for plant P nutrition.

Frankia est une actinobactérie capable d'établir une symbiose racinaire avec les plantes actinorhiziennes dont le genre Alnus. Seulement certaines souches de Frankia sont capables de sporuler in planta, ce qui est illustré par la présence (Sp+) ou l'absence (Sp–) de sporanges dans les cellules végétales de la nodosité. C’est à notre connaissance un cas unique de sporulation endophyte. Cependant la description et l’interprétation écologique de ce trait d’histoire de vie (THV) original étaient incomplètes. Notre contribution à l’étude de la sporulation in planta des Frankia infectives de l’aulne intègre des approches théorique, descriptive et expérimentale, pour préciser (i) l’influence relative de la souche bactérienne, de l’espèce de la plante-hôte et des conditions pédoclimatiques sur ce THV, (ii) le rôle de la variabilité environnementale sur la distribution, la diversité et la sélection du trait, ainsi que (iii) les coûts et bénéfices associés pour les deux partenaires. Nous avons démontré pour la première fois que la sporulation in planta est un THV (i) spécifique de certaines lignées de Frankia, (ii) majeur pour en comprendre l'histoire évolutive et (iii) significativement corrélé à des caractéristiques génétiques des souches. Nous avons également confirmé que l’occurrence du trait varie selon l’environnement. Nous avons enfin établi un modèle de l'évolution du trait abordant sa valeur adaptative. L’ensemble des réflexions menées et des résultats obtenus nous permet de discuter de la sporulation in planta dans le cadre d’un continuum de stratégies symbiotiques, et plus généralement de discuter de l’écologie évolutive des symbioses entre microorganismes et plantes / Frankia sp. is a telluric actinobacteria able to establish a root symbiosis with actinorhizal plant such as Alnus sp. Only some Frankia strains are able to sporulate in-planta, as spores can be present in (Sp+) or absent from (Sp–) the vegetal cells of the root nodule. It is to our knowledge a unique case of endophytic sporulation. However, the description and the ecological interpretation of this original life-history trait (LHT) were scarce. Our contribution to the study of the in-planta sporulation of Alnus-infective Frankia sp. combines theoretical, descriptive and experimental approaches to precise (i) the relative effect of the bacterial strain, the host-plant species and the pedoclimatic conditions on this LHT, (ii) the effect of the of the environmental variability on the distribution, diversity and selection of the trait, and (iii) the associated costs and benefits for the two symbiotic partners. We demonstrated for the first time that the in-planta sporulation is a LHT (i) specific to some Frankia lineages, (ii) major to understand their evolutionary history and (iii) significantly correlated to particular genetic features. We also shown that the occurrence of the trait varies according to the environment We also proposed a model of the evolution of the trait taking its fitness into account. We bring all the previous considerations and results to discuss the inplanta sporulation trait within a continuum of symbiotic strategies and more generally to discuss the evolutionary ecology of plant-microbe symbioses

Les concentrations de métaux lourds retrouvées dans les sols augmentent considérablement depuis la révolution industrielle et s’accumulent quotidiennement dans la biosphère. Ces composés métalliques persisteront pendant plusieurs années au niveau des différents écosystèmes affectés et voyageront dans les chaînes alimentaires par bioaccumulation. Les activités humaines, telle que l’industrie minière contribuent activement à cette problématique environnementale. En effet, l’excavation minière perturbe la roche-mère et favorise l’oxydation des métaux lourds sulfurés qui, lentement, produiront de l’acide sulfurique. Cette acidification peut mobiliser les éléments métalliques stables en condition neutre ou alcaline. Ces phénomènes induisent la formation du drainage minier acide (DMA) qui peut contaminer les cours d’eau ou les nappes phréatiques à proximité. Plusieurs mines sont situées en Abitibi-Témiscamingue en raison de l’abondance de divers minerais dans la roche mère tels que l’or. Une importante quantité de déchets industriels est produite lors de l’excavation du minerai, dont les résidus miniers entreposés dans des bassins de rétention extérieurs. Ces bassins prennent de l’expansion quotidiennement autour du site minier substituant la place de la végétation saine et des territoires. Une mise en végétation des sites miniers du Québec est exigée depuis 1995 afin de redonner une apparence naturelle aux sites et limiter le phénomène d’érosion. Depuis 2013, un plan de réaménagement et de restauration des sites exploités est obligatoire selon la loi sur les mines. Ces bassins seront donc ciblés pour effectuer des essais de revégétalisation par l’entremise de plantes actinorhiziennes. Les plantes actinorhiziennes sont des végétaux robustes pouvant coloniser nombreux habitats perturbés et hostiles. L’aulne est une plante actinorhizienne pouvant établir une relation symbiotique avec l’actinobactérie fixatrice d’azote du genre Frankia. La symbiose actinorhizienne est une interaction équitablement profitable entre la plante et la bactérie. Cette symbiose repose sur la capacité de la bactérie à transformer, au niveau des nodules, l’azote atmosphérique en ammonium assimilable grâce à une enzyme spécifique, la nitrogénase. Lorsque la symbiose est bien établie, elle donnera un avantage significatif aux plantes pour leur développement et leur croissance, et ce, même dans un substrat pauvre en nutriments ou contaminé. En effet, la symbiose actinorhizienne permet d’améliorer la structure physicochimique d’un sol et de l’enrichir en azote grâce à la fixation de l’azote atmosphérique. Dans la région de l’Abitibi-Témiscamingue, la mine Doyon est une mine d’or qui détient des sols acidogènes contenant des traces non négligeables de métaux lourds. Ce projet de recherche en microbiologie environnementale avait comme objectif principal d’évaluer la capacité des aulnes rugueux et des aulnes crispés à coloniser des résidus miniers acidogènes aurifères (concentrations différentes de 0 %, 35 %, 65 % et 100 %) avec ou sans l’aide de Frankia. La dispersion des contaminants par les feuilles a aussi été étudiée afin d’évaluer le risque environnemental de l’utilisation des aulnes sur le terrain à des fins de revégétalisation. Les objectifs préliminaires avaient comme but d’évaluer la résistance, de manière individuelle, de la souche ACN10a du genre Frankia (par extrait aqueux) puis des espèces d’aulne aux résidus miniers non stérilisés. Par le fait même, la microflore des résidus miniers a été étudiée dans le but d’isoler des espèces symbiotiques d’endophytes écoadaptées aux conditions arides du site minier Doyon. Concernant les objectifs préliminaires, les résultats ont démontré que la souche ACN10a résiste bien jusqu’à 35 % d’extrait aqueux de résidus miniers de la mine Doyon. Pour les concentrations supérieures à 50 %, Frankia (souche ACN10a) a démontré une respiration cellulaire et des concentrations protéiques décroissantes en raison de la présence d’éléments toxiques biodisponibles dans l’extrait aqueux. Par ailleurs, les aulnes rugueux et crispés ont démontré une tolérance jusqu’à la concentration de 35 % de résidus miniers non stérilisés sans la présence de Frankia. Par la suite, les résultats d’isolement n’ont pas démontré la capacité des aulnes à recruter des bactéries symbiotiques à partir des résidus miniers de la mine Doyon. Concernant l’objectif principal, les résultats ont démontré que l’aulne rugueux résiste mieux que l’aulne crispé jusqu’aux concentrations de 35 % de résidus miniers lorsqu’inoculés en manifestant une meilleure biomasse sèche totale, une plus grande concentration de chlorophylle dans les feuilles et un plus grand nombre spécifique de nodules. L’établissement symbiotique a été affecté par la présence des résidus miniers acidogène révélant que le nombre de site d’infection racinaire diminuait en fonction des concentrations de résidus miniers croissantes (0 %, 35 %, 65 % et 100 %). Ensuite, une analyse des éléments chimiques des feuilles a démontré que le transfert des métaux lourds des résidus miniers vers les feuilles était minime. Les plantes révélant de hautes teneurs en métaux lourds dans leurs feuilles ont développé par le fait même, une faible biomasse aérienne limitant ainsi la dispersion de contaminants lors de la perte des feuilles à l’automne. Le modèle expérimental aulne-Frankia possédait un seuil de tolérance visible à la concentration de 35 % de résidus miniers acidogènes aurifères de la mine Doyon. De plus, la présence de la symbiose actinorhizienne a modulé la distribution de certains éléments chimiques dans les feuilles en comparaison avec les aulnes non-inoculés (molybdène, nickel). Puis, une similarité a été notée dans la composition chimique des feuilles d’aulnes inoculés s’étant développés dans 0 % (témoin positif) et 35 % de résidus miniers.

Les patrons de distribution chez les micro-organismes reposeraient sur leurs capacités à disperser dans le temps et dans l'espace, en lien avec des facteurs abiotiques comme les propriétés du sol, le climat, et des interactions biotiques, notamment avec l'hôte dans le cas des symbiontes, mais aussi sur les traits d'histoire de vie propres aux micro-organismes, telle que la capacité à sporuler. Frankia sp. est une actinobactérie sporulante et fixatrice d'azote à la biogéographie complexe, car vivant à la fois de façon saprophytique dans le sol, en symbiose racinaire (nodosité) avec les plantes actinorhiziennes dont les aulnes (Alnus, Betulaceae). Deux types de souches de Frankia génétiquement différentes ont été décrites dont la distinction phénotypique majeure réside dans la capacité à maintenir (Sp+) ou non (Sp-) leur sporulation in planta. Cette sporulation endophytique est à notre connaissance unique dans un contexte symbiotique et son implication dans la biogéographie de Frankia, reste peu connue. Ces travaux de thèse intègrent à la fois des approches descriptives et expérimentales, sur le terrain et au laboratoire, afin d'accroître la compréhension du rôle écologique de la sporulation in planta de Frankia. Dans un premier temps, nous avons étendu la description de la phylobiogéographie des souches de Frankia Sp+ afin de tester la validité du patron de distribution centré sur les milieux froids des zones de haute altitude et de haute latitude de l'hémisphère nord. Un intérêt tout particulier a été porté sur les aires géographiques où une plus forte diversité de Frankia était attendue, dans la zone d'origine de l'aulne et ses refuges glaciaires. Dans un second temps, nous avons étudié l'influence du partenaire végétal dans la distribution observée des Frankia Sp+ et l'implication du trait Sp+ dans la capacité d'association à l'hôte. Des croisements expérimentaux ont été réalisés au laboratoire afin de découpler les effets de l'espèce-hôte et du climat, et tester les implications du trait Sp+ en termes d'infectivité, compétitivité et spectre d'hôte. Enfin, nous avons étudié les conséquences écosystémiques de l'expansion subalpine du complexe symbiotique Alnus/Frankia, au niveau de la diversité microbienne et du fonctionnement du cycle de l'azote, en fonction du phénotype de sporulation des souches associées. Des analyses pédologiques, en association avec des mesures de nitrification, dénitrification et fixation d'azote, ainsi que des analyses de diversité microbienne (globale et fonctionnelle), ont été réalisées dans différentes aulnaies Sp+, Sp- ou mixte, à différents stades de colonisation de l'aulne. Les résultats obtenus démontrent une prédominance des souches Sp+ associées aux espèces d'aulne des milieux froids sur les 3 continents de la zone Holarctique, avec une diversité nouvelle dans l'aire d'origine et les zones refuges de l'aulne. Les croisements effectués révèlent une infectivité et compétitivité plus forte des Sp+ par rapport aux Sp-. De plus, contrairement aux Sp- à spectre d'hôte très large, les Sp+ présentent un spectre limité entraînant des incompatibilités d'association suggérant une dépendance forte à une espèce-hôte donnée. Les modifications des communautés microbiennes du sol en réponse à l'expansion du complexe symbiotique Alnus/Frankia ont été démontrées, en lien avec la stimulation du cycle de l'azote dans les milieux sub-/alpins. Les premiers résultats sur l'efficience comparée de la fixation d'azote in natura des souches Sp- par rapport aux Sp+ suggèrent que 100% de l'azote de l'aulne est obtenu par le biais de la fixation. Aucun patron n'est mis en évidence entre souches Sp+ et Sp-, suggérant un effet plus complexe de la saisonnalité, de l'âge de l'arbre et de celui de la nodosité. Les résultats obtenus nous permettent de mieux appréhender les facteurs guidant la biogéographie de Frankia et de discuter de l'évolution de ces patrons de distribution en réponse au réchauffement climatique / Microbial biogeography would be based on the ability of microorganisms to disperse across time and space, as a function of abiotic factors such as soil properties, climate, and of biotic interactions, in particular with the host in the case of symbionts, but also on life history traits such as the ability to sporulate. Frankia sp. is a spore-forming and nitrogen-fixing actinobacterium that has a complex biogeography given its abilities for both saprophytic life and root symbiotic interaction with actinorhizal plants such as alders (Alnus, Betulaceae). Two distinct groups of Frankia lineages have been described according to a major phenotypic divergence, based on the presence (Sp+) or the absence (Sp-) of spores in planta.. To the best of our knowledge, this endophytic sporulation is an original trait in a symbiotic context and very little is known about its incidence in Frankia biogeography. This work integrates descriptive and experimental approaches on both field and laboratory areas, in order to improve the understanding of the ecological role of Frankia in planta sporulation. First, we have extended the description of the phylobiogeography of Sp+ Frankia strains to validate the previously proposed distribution pattern focused on cold environements at high altitude or high latitude. A phylogeny has been computed using a large number of nodular strains coming from the 3 continents of the Northern Hemisphere and 10 different Alnus species. Special attention was paid to geographic areas where a higher diversity was expected, in Asia, and in its glacial refuges. Second, we studied the influence of the host-plant on the distribution of Fankia Sp+ and the incidence of Sp+ in the symbiotic interaction. Experimental crosses have been performed to disentangle host and climate effects and to test the incidence of the Sp+ trait in terms of infectivity, competitiveness and host-range. Finally, we studied the ecological consequences of the Alnus/Frankia symbiotic complex, on the microbial diversity and on the nitrogen cycle functionning, with respect to the sporulation of Frankia and to the Alnus expansion on sub-/alpine grasslands. Soils analyses were performed in association with measures of nitrification and denitrification, as well as global and functional microbial diversity analyses, in Sp+, Sp- or mixed alder stands and at different colonization stages. In each part of this work, alder ectomycorhizae were analyzed to compare the distribution pattern between the two symbionts and to highlight potential interactions with the Sp+ trait of Frankia. Our results show the dominance of Sp+ strains in nodules of alder species from cold environments over the 3 continents of the Holarctic zone, with original diversity patterns in alder area of origin and in glacial refuges. Even if these strains are genetically homogenous, host-specific clusters were observed in the phylogeny. Crosses revealed that Sp+ strains were more infective and competitive than Sp- strains. Moreover, unlike Sp- strains that harbor a wide host-range, Sp+ strains have a narrower specificity leading to association’s incompatibilities and suggesting strong host dependence. For the first time, modifications of microbial communities were revealed in response to the Alnus-Frankia symbiotic complex colonization and were linked to a stimulation of the nitrogen cycle in the sub-/alpine grasslands. The first comparative results of nitrogen fixation between Sp+ and Sp- strains in natura suggest a maximal efficiency of fixation, representing almost 100% of the alder nitrogen. However, unlike previous reports in literature, no pattern was observed between Sp+ and Sp- strains, suggesting a complex effect of seasonality, alder age as well as that of nodules. Altogether, the previous results contribute to a better understanding of the Frankia biogeography drivers and allow us to discuss the expected evolution of distribution pattern in response to the global warming

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Untersuchung des Typ III-Sekretionssystem (T3SS) bei Bradyrhizobium japonicum USDA110. Im ersten Teil der Arbeit wird die Regulation der Gene des Typ III-Sekretionssystems in B. japonicum beschrieben. Dabei wurde die tts-Box, als neuartige Promotorsequenz für die Gene des T3SS und sekretierter Proteine charakterisiert. Mittels Expressionsanalysen konnte die Aktivität von 34 Genregionen downstream der tts-Boxen in Abhängigkeit von Flavonoiden gezeigt werden. Auch in Symbiose, in frühen Infektionsstadien und in reifen Knöllchen von verschiedenen Wirtspflanzen wurde die Expression ausgewählter Gene nachgewiesen. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Analyse der sekretierten Proteine von B. japonicum. Über 100 Proteine wurden im Überstand von Kulturen nachgewiesen, wovon 68 Proteine durch Massenspektrometrie identifiziert werden konnten. Zusätzlich wurden 12 Proteine identifiziert, die in Abhängigkeit des T3SS sekretiert werden. Im dritten Teil der Arbeit wurden die sekretierten Proteine NopE1 und NopE2 näher untersucht und als bona-fide Effektoren nachgewiesen. Die rekombinant produzierten Effektoren NopE1 und NopE2 wurden biochemisch charakterisiert. Für die Domäne unbekannter Funktion (DUF1521) wurde eine spezifische Selbstspaltungsaktivität in Gegenwart von Calcium gezeigt. Nachweislich ist diese Aktivität relevant für die Symbiose. Somit konnte der Proteindomäne mit bisher unbekannter Funktion eine biochemische Funktion zugeordnet werden. Im letzten Teil der Arbeit wurden die Untersuchungen an dieser Domäne auf weitere Proteine ausgedehnt. Für das putative Effektorprotein VIC_001052 aus V. coralliilyticus, dem Verursacher der Korallenbleiche bei Pocilla damicornis, wurde ebenfalls die in vitro Calcium-induzierte Selbstspaltungsaktivität gezeigt. Aufgrund der konservierten Selbstspaltungsfunktion wurde die DUF1521-Domäne in metal-ion inducible autocleavage- (MIIA)- Domäne umbenannt.:I. Einleitung Rhizobien-Leguminosen-Interaktion Proteinsekretionssysteme II. Zusammenfassung der Forschungsergebnisse 1. Untersuchung der Expression des Typ III-Sekretionssystems in Knöllchen und Analyse des tts-Box-Promotors 2. Identifizierung sekretierter Proteine von Bradyrhizobium japonicum 3. Untersuchung der sekretierten Proteine NopE1 und NopE2 4. Untersuchung von konservierten MIIA-Domänen III. Diskussion IV. Zusammenfassung V. Literaturverzeichnis VI. Anhang VII. Publikationen