Context-dependent phenotypic switching and non-genetic memory in heterogeneous bacterial populations

par Orso Maria Romano

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Chris Bowler.

Le président du jury était Olivier C. Martin.

Le jury était composé de Chris Bowler, Olivier C. Martin, Marc Lefranc, Silvia de Monte, Carine Douarche, Nicolas Desprat.

Les rapporteurs étaient Marc Lefranc, Rosalind Allen.

  • Titre traduit

    Rôle des switch phénotypiques et de la mémoire non-génétique dans l'hétérogénéité des populations bactériennes


  • Résumé

    Pseudomonas fluorescens «switchers », souches évolués artificiellement au Rainey Lab, sont un système modèle pour les switch phénotypiques. Ces populations sont typiquement caractérisées par les fréquences de deux phénotypes alternatifs liés à la production d’une capsule d’acide colanique autour de la paroi cellulaire. Bien qu'on s’attende que telles fréquences soient définies d’une manière univoque par le génotype, elles varient au long de la croissance de la population, ce qui indique une possible dépendance des taux de transition à l’égard de la démographie. J’ai développé un modèle mathématique où les cellules sont représentées comme systèmes bistables contrôlés par une concentration intracellulaire et où les taux de transition dépendent de l’état de la croissance de la population.Le modèle reproduit quantitativement la dynamique de la composition phénotypique de la population (dépendante de l’histoire), et fournie des prédictions à propos de son quasi équilibre en phase exponentielle en fonction du taux de croissance de la population - prédictions ensuite qualitativement confirmées par les résultats de mon travail expérimental.Pour conclure, on ne peux pas caractériser une population croissante de « switchers » que par l’état asymptotique des fréquences de ses phénotypes alternatifs, puisque le switch est étroitement lié à la démographie.Dans une perspective évolutive, la persistance transgénérationnelle du phénotype, influencée par des concentrations intracellulaires, pourrait être à l’origine de l’émergence de stratégies comme le « bet-hedging ».


  • Résumé

    Pseudomonas fluorescens “switchers”, artificially evolved in Rainey Lab, are a model system for phenotypic switching.Populations can be characterized by the frequencies of two alternative states related tothe production of a colanic acid capsule around the cell wall. Expected to be at an equilibrium underpinned by the genetic background, such frequencies vary during population growth, hinting to a dependence of the switching rates on demography, and appear to be dependent on the history of the preculture. I thus developed a mathematical model with individual cells as bistable systems controlled by an intracellular concentration, where transition rates depend on the growth state of the population.The model quantitatively reproduces the history-dependent dynamics of the phenotypic composition of the population, and provides qualitative predictions on its quasi-steady state in exponential phase as a function of the growth rate — then corroborated by the results of my experimental work. I conclude that agrowing population of switching cells cannot be fully characterized only by the asymptotic steady state of the phenotypes’ frequencies,because phenotypic switching is inextricably intertwined with demography. From an evolutionary perspective, trans-generational inheritance of the phenotype mediated by internal concentrations may be at the basis of the emergence of bet-hedging-like strategies.


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