Evolution des cyanobactéries à l'origine du chloroplaste

Evolution of chloroplast-related cyanobacteria

• Auteur / Autrice : Thomas Bacchetta
• Direction : Purificación López-García, David Moreira
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Évolution
• Date : Soutenance le 05/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie, systématique et évolution (Orsay, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Life Sciences and Health (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Corinne Cassier-Chauvat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annick Wilmotte, Jean-François Humbert, Sébastien Duperron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annick Wilmotte, Jean-François Humbert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules eucaryotes

Photosynthèse

Cyanobactéries

Chloroplastes

Endosymbiose

Mots clés libres

Endosymbiose

Plastes

Cyanobactéries

Eucaryotes

Gloeomargaritales

Photosynthèse

Endosymbiosis

Plastids

Cyanobacteria

Eukaryotes

Gloeomargaritales

Photosynthesis

Résumé

Les plastes, permettant à plusieurs groupes d'eucaryotes d'effectuer la photosynthèse oxygénique, proviennent d'une endosymbiose au cours de laquelle un ancêtre des Archaeplastida aurait internalisé une cyanobactérie. Il a été démontré que les plastes de l'ensemble des eucaryotes photosynthétiques, à l'exception de Paulinella, descendent de cet endosymbiose mais l'identité de l'ancêtre des plastes a jusque récemment été sujet à discussion. La découverte en 2017 du lien évolutif entre l'ordre des Gloeomargaritales et les plastes a ouvert un nouveau chapitre dans la compréhension de la relation plastes-cyanobactéries. Cependant les informations que nous avions concernant les Gloeomargaritales n'étaient regroupées qu'au sein d'une seule et unique espèce isolée et de quelques séquences environnementales d'ADNr 16S, il s'avérait donc indispensable d'approfondir nos connaissances sur ces organismes. Nous avons donc recherché la présence de Gloeomargaritales dans une collection d'échantillons disponibles au laboratoire puis par le biais d'approches moléculaires nous avons été capables d'en reconstituer 5 nouveaux génomes auxquels sont venus s'en ajouter deux autres en provenance de travaux d'équipes extérieures. Nous avons également isolé et mis en culture une seconde souche à partir de tapis microbiens d'une source chaude de Vancouver Island. Cette souche a été nommé Gloeomargarita ahousahtiae VI4D9. Par la même occasion nous en avons profité pour générer des séquences génomiques appartenant à d'autres lignées de cyanobactéries "basales" car ces dernières ont souvent souffert d'un manque de représentation faces aux autres groupes plus apicaux. D'après les données collectées, les Gloeomargaritales seraient un groupe de cyanobactéries unicellulaires de petite taille, vivant pour la plupart au sein de communautés thermophiles bien que certaines aient pu être retrouvées à plus faibles températures. Les protéomes inférés pour ces organismes ont servi à renforcer les preuves quant au lien entre les Gloeomargaritales et les plastes. Par la phylogénie tout d'abord, l'ajout de nouvelles informations côté Gloeomargaritales confirme leur positionnement en tant que groupe frère des plastes, si ce n'est que nous avons pu mettre en évidence la présence de différentes lignées en leur sein et notamment une lignée "basale" qui est assez éloignée du groupe principal. Puis, les analyses comparatives menées dans l'optique d'estimer la contribution des Gloeomargaritales au pool de gènes d'origine cyanobactérienne d'Archaeplastida ont à leur tour confirmé cette relation. Malgré la faible représentation de ce groupe par rapport aux ordres de cyanobactéries à émergence plus apicale, cela s'est avéré suffisant pour leur attribuer approximativement entre 31 et 49% de ces gènes, contredisant ainsi les travaux similaires menés il y a quelques années et qui concluaient en une origine des plastes au sein d'un groupe de cyanobactéries filamenteuses et fixatrices d'azote. Nous avons également pu observer une faible quantité de gènes vraiment spécifiques aux Gloeomargaritales en comparaison à d'autres lignées de cyanobactéries "basales" comme les Gloeobacterales ou les Thermostichales et très peu d'entre eux ont pu se voir attribuer une fonction. Nous avons cependant pu ressortir quelques points intéressant comme le fait qu'un sous-groupe des Gloeomargaritales pouvait fixer le N₂ alors que le reste du clade en était incapable. Autre point, l'étonnante découverte qui avait été faite chez la première Gloeomargaritales mise en culture, c'est-à-dire sa capacité à produire des carbonates intracellulaires et y incorporer du barium et strontium a été retrouvée chez la deuxième espèce isolée, mais le gène supposé impliqué dans leur genèse semble être manquant au sein des génomes de Gloeomargaritales "basales". Tout cela n'a fait que renforcer l'attractivité de cet ordre de cyanobactéries, lié évolutivement aux plastes et dont beaucoup reste encore à apprendre.

The plastids, which allow several groups of eukaryotes to perform oxygenic photosynthesis, come from an endosymbiosis during which an ancestor of Archaeplastida would have internalized a cyanobacterium. The plastids of all photosynthetic eukaryotes, except for Paulinella, have been shown to descend from this endosymbiosis, but the identity of the ancestor of the plastids has until recently been a matter of debate. The discovery in 2017 of the evolutionary links between the Gloeomargaritales order and plastids has opened a new chapter in the understanding of the plastid-cyanobacteria relationship. However, the information we had about the Gloeomargaritales was only grouped within a single isolated species and a few environmental 16S rDNA sequences, so it was essential to deepen our knowledge about these organisms. We therefore searched for the presence of Gloeomargaritales in a collection of samples available in the laboratory and then, through molecular approaches, we were able to reconstruct 5 new genomes to which were added two others from the work of external teams. We also isolated and cultured a second strain from microbial mats from a Vancouver Island hot spring. This strain was named Gloeomargarita ahousahtiae VI4D9. At the same time, we took the opportunity to generate genomic sequences belonging to other lineages of "basal" cyanobacteria since they have often suffered from a lack of representation compared to other more apical groups. According to the data collected, Gloeomargaritales would be a group of unicellular cyanobacteria of small size, living for the most part within thermophilic communities although some have been found at lower temperatures. The inferred proteomes for these organisms were used to strengthen the evidence for the link between Gloeomargaritales and plastids. By phylogeny first, the addition of new information from Gloeomargaritales confirm their positioning as a sister group of the plastids. We also could highlight the presence of different lineages inside the Gloeomargaritales and notably a "basal" lineage that is quite distant from the main group. Comparative analyses conducted to estimate the contribution of Gloeomargaritales to the cyanobacterial gene pool of Archaeplastida have also confirmed this relationship. Despite the low representation of this group in comparison with late-branching orders of cyanobacteria, this was sufficient to attribute them approximately 31-49% of these genes, thus contradicting similar work conducted a few years ago that concluded in an origin of the plastids within a group of filamentous and nitrogen-fixing cyanobacteria. We have also observed a small number of genes that are specific to Gloeomargaritales compared to other basal cyanobacterial lineages such as Gloeobacterales or Thermostichales and very few of them could be assigned a function. However, we were able to highlight some interesting points such as the fact that a subgroup of the Gloeomargaritales could fix N₂ while the rest of the clade was unable to do so. Another point, the astonishing discovery that had been made in the first Gloeomargaritales cultured, i.e. its ability to produce intracellular carbonates and incorporate barium and strontium, was found in the second species isolated, but the gene supposedly involved in their biomineralization seems to be missing in the genomes of "basal" Gloeomargaritales. All this has only reinforced the attractiveness of this order of cyanobacteria evolutionarily linked to plastids and of which much remains to be learned.