Soutenance de thèse de Adrien VILLAIN

Les diatomées sont des micro-algues ubiquitaires dans les environnements aquatiques qui contribuent à hauteur de 25% environ à la production primaire planétaire grâce à leur photosynthèse. Au delà de ce rôle primordial dans l’environnement, certaines espèces sont développées dans un contexte biotechnologique pour leurs capacités métaboliques. Étudiées en laboratoire et dans leur environnement naturel, les diatomées sont dans les deux cas très souvent entourées de bactéries. Cette co-habitation est plus souvent envisagée comme une contamination indésirable que comme un partenariat potentiellement bénéfique, bien que de nombreuses interactions aient été documentées. Ces communautés pourraient donc être étudiées sous l’angle de l’holobionte, qui considère à la fois un macro-organisme hôte et les micro-organismes qui lui sont associés. Cela serait d’autant plus pertinent que les génomes des diatomées modèles Thalassiosira pseudonana et Phaeodactylum tricornutum contiennent de nombreux gènes dont l’origine prédite est bactérienne. Nous avons étudié Asterionella formosa, une diatomée pennée présente dans de nombreux lacs et cours d’eau douce. Sans recourir à la séparation préalable des bactéries co-isolées, la communauté a été caractérisée par des approches omiques. L’utilisation de la métagénomique a permis la reconstruction de 30 génomes bactériens très complets, dont le potentiel métabolique a été prédit et comparé aux interactions diatomées-bactéries précédemment caractérisées. Cette analyse suggère que de nombreuses interactions potentielles ont lieu au sein de cette population qui s’est également révélée très dynamique. En effet, le séquençage de la sous-unité 16S de l’ARN ribosomique a montré que l’abondance respective des bactéries variait au cours des phases de croissance de la diatomée. Par ailleurs, certaines bactéries semblent préférentiellement attachées à la diatomée, alors que d’autres sont retrouvées libres. En complément du séquençage métagénomique, un séquençage longue lectures Pacbio a été mené en vue d’établir la séquence de référence du génome d’A. formosa. Ce travail, par le biais d’une collaboration, a conduit à une prédiction plus poussée des interactions métaboliques potentielles entre la diatomée et son environnement bactérien. Enfin, l’impact des bactéries sur les diatomées a été abordé sous l’angle de l’évolution et des transferts horizontaux de gènes, qui ont été prédits à partir des données transcriptomiques d’une centaine de diatomées marines. Ce travail représente une étape préliminaire à l’étude approfondie de la communauté bactérienne associée à Asterionella formosa. L’identification précise des espèces en présence et la reconstruction de leurs génomes a rendu possible l’élaboration d’hypothèses de travail sur les interactions en place. Une validation expérimentale ainsi que l’utilisation de méthodes plus poussées (transcriptomique, métabolomique) sont maintenant envisageables. Par ailleurs, les nouvelles séquences de référence que nous mettons à disposition et notre contribution à l’analyse de nombreux transcriptomes participent à l’effort global de caractérisation génomique des diatomées.

Diatoms are ubiquitous microalgae that contribute to approximately 25% of the net primary production worldwide. Besides their high environmental impact, diatoms are promising in the context of biotechnologies thanks to their unique metabolic capacities. Whether diatoms are studied in the laboratory or in the natural environment, many bacteria are usually found in their immediate vicinity. Numerous interactions, either positive, neutral or negative, have been documented between diatoms and bacteria. In other organisms the holobiont concept is often used to describe meta-organisms comprised of a macro-organism and all associated micro-organisms. This approach might be worth investigating in the case of the diatoms, especially as the genomes of the model species Thalassiosira pseudonana and Phaeodactylum tricornutum harbor numerous genes of putative bacterial origin. We are studying Asterionella formosa, a pennate diatom found in a lot of freshwater streams and lakes. Without isolating the bacteria associated with the diatom, we characterized the community using a combination of omics and laboratory techniques. The main result lies in the reconstruction of the genome of the diatom as well as 30 individual genomes from co-cultured bacterial species. We investigated the metabolisms that could support diatom-bacteria interactions within the culture. Additionally, 16S rRNA sequencing revealed that the abundance of some bacterial species was highly variable over the course of A. formosa growth. Meanwhile, some species seemed preferentially attached to the diatom while others were mainly free-living. Building on these preliminary results, the reference sequence of the A. formosa genome was improved by additional long-read (Pacbio) sequencing. This formed the basis of a new collaboration with system biologists which aims at comparing the metabolic networks of many diatoms and their complementarities with bacterial metabolisms. Last, relationships between diatoms and bacteria were investigated at a broader evolutionary scale, by looking at horizontal gene transfers using transcriptomic data of a hundred marine diatoms. This work is a first step in the study of the dynamic and complex bacterial community associated with the diatom A. formosa. The accurate identification and the reconstruction of the genome of these bacteria enables future in silico predictions based on metabolic networks and experimental work, including the use of other omics techniques such as transcriptomic or metabolomic. In the meantime, the new reference sequences we provide as well as our contribution to the analysis of a vast transcriptomic dataset are meaningful contributions to the global effort to study diatoms by the means of genomics.