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Diversité des métabolites secondaires produits par les cyanobactéries et leurs effets écotoxicologiques chez le poisson médaka

par Séverine Le Manach

Thèse de doctorat en Biologie et écotoxicologie aquatique

Sous la direction de Séverine Zirah et de Benjamin Marie.

Thèses en préparation à Paris, Muséum national d'histoire naturelle , dans le cadre de École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris) depuis le 24-09-2013 .


  • Résumé

    Depuis plusieurs décennies, les évènements d’efflorescences de cyanobactéries n’ont cessé d’augmenter en raison de l'augmentation de l’eutrophisation des milieux aquatiques et des changements climatiques globaux. Dans les eaux douces, le genre Microcystis est le plus fréquemment rencontré lors des épisodes d’efflorescences de cyanobactéries. Ces cyanobactéries sont capables de produire une grande diversité de métabolites secondaires potentiellement toxiques, y compris les microcystines (MCs) qui sont les cyanotoxines les plus souvent rencontrées. Dans ce contexte, les travaux de ma thèse se sont intéressés à la diversité chimique associée aux cyanobactéries du genre Microcystis ainsi qu’à l’étude de leurs effets écotoxicologiques sur le poisson modèle médaka (Oryzias latipes). Les objectifs principaux ont été traités d’une part à travers l’élaboration d’une base de données via une étude bibliographique, comprenant environ 700 métabolites secondaires produits par les cyanobactéries d’eaux douces et par une approche globale de comparaison de la diversité chimique de 24 souches de cyanobactéries du genre Microcystis. D’autre part, compte tenu de la complexité associée aux processus d'exposition des organismes aquatiques aux cyanobactéries étudiées, nous avons dans un premier temps évalué le potentiel toxique d’extraits complexes de cyanobactéries aux chémotypes distincts vis à vis du poisson médaka de façon chronique (28 jours). Ensuite, nous avons menés des expérimentations d'expositions des poissons à des cultures clonales de Microcystis productrices ou non productrices de MCs durant 21 jours en microcosmes, ou alternativement durant 4 jours en mésocosmes. Les résultats obtenus décrivent la grande diversité des composés, principalement oligopeptidiques, et potentiellement bioactifs, produits par le genre Microcystis. D’une façon générale nous avons pu observer des réponses distinctes entre les femelles et mâles médaka exposés aux différentes cyanobactéries. Les extraits contenants des MCs ont induits des dommages hépatocellulaires conséquents et les analyses de protéomiques et métabolomiques ont mis en évidence des dérégulations de protéines impliquées notamment dans la régulation de l’homéostasie et divers processus métaboliques. Les résultats des expérimentations de l'exposition des poissons à des cellules vivantes de cyanobactéries montrent que les souches productrices mais également non productrices de MCs induisent des dommages hépatocellulaires et des dérégulations de voies moléculaires principalement impliquées dans la production d’énergie, la régulation de l’homéostasie et le métabolisme des stéroïdes. Par la combinaison d’approches « omiques » et histopathologiques, ce travail de thèse montre pour la première fois d’importants dysfonctionnements du métabolisme hépatique associés à une toxicité cellulaire issu de l’exposition à différentes souches clonales de Microcystis. Ces résultats suggèrent également que l’exposition environnementales aux cyanobactéries puisse à moyen terme être responsable de perturbations de la reproduction de certaines espèces de poissons. Par ailleurs, ces résultats mettent en avant que des métabolites délétères autres que les MCs sont produits par les cyanobactéries et qu’il est important dans l’évaluation des risques environnementaux de prendre en considération la complexité et la richesse métabolique des cyanobactéries plutôt que l’effet d’une seule cyanotoxine.

  • Titre traduit

    Secondary metabolites of cyanobacteria and their ecotoxicological impacts on medaka fish


  • Résumé

    Over the past few decades, massive cyanobacterial blooms have been increasing due to the interactive effects of eutrophication and climate change. In freshwater, the cyanobacterium Microcystisis an important bloom-forming and toxin-producing genus. Microcystis is known to produce a large proportion of secondary metabolites potentially toxic, comprising the well-known microcystin cyanotoxins (MCs) that have attracted more attention due to their worldwide distribution. In this general context, my thesis focuses on the diversity of Microcystis natural products and their ecotoxicological effects on medaka fish (Oryzias latipes). The main objectives were on the one hand investigated through the establishment of a database of above 700 secondary metabolites produced by freshwater cyanobacteria and a global comparison of the chemical diversity of 24 Microcystis strains. On the other hand, given the complexity related to the exposure of the aquatic organisms to cyanobacterial blooms, we initially assessed the toxic potential of complex cyanobacterial extracts exhibiting various chemotypes on medaka fish chronically exposed (28 days). Then, we also perfom experimentations with medaka fish that were exposed to MCs-producing and non-MC-producing living strains for 21 days in microcosms or for 4 days in mesocosms. Our results described a high diversity of potentially bioactive compounds which are mainly oligopeptide classes produced by Microcystis genus. Overall, sex-dependent responses of medaka fish were observed after all cyanobacterial treatments. Complex extract containing MCs induced clear hepatocellular damages and both proteomic and metabolomic analyses highlighted the disturbance in the regulation of homeostasis and various metabolic processes. Our results of the living strains exposure revealed that both non-MC and MC-producing strains were able to induce hepatocellular damages and dysregulations of molecular pathways involved in energy production, regulation of homeostasis and steroids metabolism. This combination of histological and molecular approaches exhibit the cellular impairments associated with clear biological disruptions in the liver as a result of Microcystis exposures. In addition these results suggest that, in natural environment, cyanobacterial exposition may ultimately impact the reproduction process of some species. Furthermore, these results highlight that deleterious metabolites, other than MCs, are produced by cyanobacteria such as Microcystis and the importance of considering cyanobacterial cells and the richness of their metabolite diversity as a whole to assess the realistic environmental risk of cyanobacteria on fish.