Evolution des cyanobactéries à l'origine du chloroplaste

par Thomas Bacchetta

Projet de thèse en Évolution

Sous la direction de Purificacion Lopez-garcia et de David Moreira.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants , en partenariat avec Écologie, systématique et évolution (Orsay, Essonne ; 2002-....) (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    La photosynthèse oxygénique a une origine unique dans l'histoire évolutive. L'évolution de cette capacité métabolique chez l'ancêtre des cyanobactéries a complétement bouleversée la planète. D'un point de vue géologique, elle a eu pour conséquence l'oxygénation de l'atmosphère et celle des minéraux à la surface de la Terre. D'un point de vue biologique, elle a eue des conséquences écologiques et évolutives très importantes. Cela a favorisé l'apparition des organismes aérobies (respirant de l'oxygène) et facilité l'expansion des eucaryotes. Mais aussi, les cyanobactéries sont, à travers un phénomène d'endosymbiose, à l'origine des eucaryotes photosynthétiques. En effet, le chloroplaste des eucaryotes photosynthétiques dérive d'un seul évènement d'endosymbiose d'une cyanobactérie dans un hôte eucaryote hétérotrophe. Cette endosymbiose primaire a donné lieu aux Archaeplastida (glaucophytes, algues rouges, algues vertes et plantes) et, plus tard, des endosymbioses secondaires des algues rouges ou vertes dans d'autres hôtes hétérotrophes ont été à l'origine du reste d'algues eucaryotes. Toutefois, jusqu'à très récemment, si l'on reconnaissait que l'ancêtre du chloroplaste était une cyanobactérie, l'identité phylogénétique de cet ancêtre au sein des cyanobactéries était fortement débattue. En 2012, nous avons isolé, à partir des microbialites lacustres, Gloeomargarita lithophora, une espèce représentant une nouvelle lignée de cyanobactéries capables de produire des inclusions intracellulaires de carbonates amorphes de Sr-Ba-Ca-Mg (Couradeau et al, 2012; Moreira et al, 2017), une propriété découverte après dans d'autres lignées de cyanobactéries (Benzerara et al, 2014). Bien que Gloeomargarita est le seul représentant cultivé d'une lignée basale de l'arbre phylogénétique de cyanobactéries, l'analyse des séquences d'ARNr 16S montre que des membres de cette lignée sont associées aux biofilms des systèmes d'eau douce/terrestres et aux tapis microbiens, souvent thermophiles, avec une distribution cosmopolite (Ragon et al, 2014). Des analyses phylogénétiques multi-gène placent Gloeomargarita comme lignée sœur de celle du chloroplaste et suggèrent que la photosynthèse eucaryote a probablement évolué dans des écosystèmes d'eau douce/terrestres au niveau de biofilms ou tapis microbiens (Ponce-Toledo et al, 2017). Cette découverte ouvre beaucoup de questions. Est-ce qu'il reste à découvrir d'autres lignées microbiennes plus proches encore de celle du chloroplaste ? L'ancêtre du chloroplaste, était-il capable de produire des carbonates intracellulaires ? Cette capacité, était-elle ancestrale chez les cyanobactéries ? Fut-elle transférée à l'ancêtre des eucaryotes photosynthétiques ? Pour y répondre, nous proposons de chercher des Gloeomargaritales et d'autres lignées basales de cyanobactéries dans des tapis mésophiles et thermophiles des écosystèmes variés. Nous combinerons des approches culturelles avec des analyses métagénomiques et des méthodes microscopiques de haute résolution. Des données génomiques des cyanobactéries basales seront obtenues par des méthodes de séquençage haut débit (e.g. Illumina HiSeq 2500) à partir des espèces isolées en culture ou bien assemblées à partir des métagénomes à l'aide des méthodes de binning (emerging self-organizing maps). La précipitation des carbonates intracellulaires sera suivie par microscopie électronique à balayage pour guider les enrichissements et pour identifier des patterns de formation minérale et caractérisés par la diffraction à rayons x et par microscopie des rayons x (synchrotron-based scanning transmision x-ray microscopy, STXM). Des gènes potentiellement impliqués dans la précipitation des carbonates seront recherchés dans des « bins » cyanobactériens, des métagénomes et aussi chez des eucaryotes photosynthétiques. Des analyses de recrutement à partir des génomes de cyanobactéries basales seront réalisés dans des métagénomes de tapis microbiens. Nous espérons identifier d'autres lignées basales, potentiellement carbonatogéniques, dans l'arbre phylogénétique de cyanobactéries. Leur étude pourra aider à mieux comprendre l'histoire évolutive des eucaryotes photosynthétiques et fournir des pistes sur les mécanismes de biominéralization intracellulaires chez les cyanobactéries. Ce projet est profondément interdisciplinaire, à la frontière de la biologie et la géologie. L'étudiant bénéficiera de notre collaboration de longue date avec Karim Benzerara (Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie, Université Pierre et Marie Curie), expert en biominéralisation.

  • Titre traduit

    Evolution of chloroplast-related cyanobacteria


  • Résumé

    Oxygenic photosynthesis evolved only once in evolutionary history. The acquisition of this metabolic ability by the ancestor of cyanobacteria had a tremendous impact on the planet. From a geological standpoint, it led to the oxygenation of the atmosphere and the concomitant oxidation of minerals on the Earth's surface. From a biological perspective, it had huge ecological and evolutionary consequences, leading to the appearance of oxygen-respiring organisms and facilitating the expansion of eukaryotes, but also, via endosymbiosis, cyanobacteria led to the evolution of photosynthetic eukaryotes. The chloroplast of photosynthetic eukaryotes derives from a single original endosymbiosis of a cyanobacterium within a heterotrophic host. This primary endosymbiosis gave rise to the Archaeplastida (glaucophytes, red algae, green algae and plants) and, subsequently, secondary endosymbiosis of red or green algae within a heterotrophic host led to the rest of eukaryotic algae. Although the ancestor of the chloroplast was known to be a member of the cyanobacteria, its precise phylogenetic affinity within cyanobacteria was hotly debated until recently. In 2012, we enriched the cyanobacterium Gloeomargarita lithophora from lake microbialites that had the ability of producing intracellular amorphous Sr-Ba-Ca-Mg carbonates, a property hitherto unknown for cyanobacteria (Couradeau et al, Science 2012, 336:459), although later shown more widespread than thought (Benzerara et al, PNAS 2014, 111:10933). Gloeomargarita is the only cultured representative of an early-branching lineage in phylogenetic trees of cyanobacteria, but environmental 16S rRNA gene sequencing reveals members of this lineage associated to freshwater/terrestrial biofilms and, particularly, microbial mats, often thermophilic, in many locations around the world (Ragon et al. Front Microbiol 2014, 5:331). Multigene phylogenetic analysis shows that Gloeomargarita represents the closest-known lineage to eukaryotic chloroplasts and suggest that photosynthetic eukaryotes likely evolved in freshwater/terrestrial microbial biofilms/mats (Ponce-Toledo et al Curr Biol 2017, 27:386). This opens many questions. Do other cyanobacterial lineages exist that are phylogenetically even closer to chloroplasts? Was the chloroplast ancestor able to produce intracellular carbonates? Was this property ancestral in cyanobacteria? Was it transferred to the ancestor of photosynthetic eukaryotes? To try answering these questions, we propose to look for Gloeomargaritales and other deep-branching cyanobacterial lineages in mesophilic and thermophilic microbial mats from various ecosystems. We will combine culturing approaches with direct metagenomics and high-resolution microscopies. Genomic data for early-diverging cyanobacteria will be obtained by high-throughput (Illumina HiSeq2500) sequencing of isolated strains and/or assembled from community metagenomes using binning techniques (emerging self-organizing maps). Intracellular carbonate precipitation will be monitored in microbial mats by scanning-electron microscopy to guide enrichments and identify patterns of mineral formation and further explored x-ray diffraction and synchrotron-based scanning transmision x-ray microscopy (STXM) at the C K-edge and Ca L2,3-edges. Genes potentially involved in carbonate precipitation will be mined for in cyanobacterial bins, metagenomes and, comparatively, in primary photosynthetic eukaryotes. Recruitment analyses with deep-branching cyanobacterial genomes will be carried out in sampled microbial mat metagenomes. We hope to identify cyanobacterial lineages, potentially calcifying intracellularly, that are basal in the cyanobacterial phylogeny. Their study will allow refining the evolutionary history of photosynthetic eukaryotes and provide clues to understand the mechanism of intracellular mineralization in bacteria. This project is genuinely interdisciplinary at the imbricated boundary between geology and biology. The PhD student will greatly benefit from our long-term collaboration with Dr Karim Benzerara (Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie, Université Pierre et Marie Curie), mineralogist, expert in biomineralization.