Etude de l'évolution du potentiel génétique de populations bactériennes dégradant l'atrazine

429 Pages·2017·11.19 MB·French

by  Frédérique Changey

Etude de l’évolution du potentiel génétique de
populations bactériennes dégradant l’atrazine
Frédérique Changey
To cite this version:
Frédérique Changey. Etude de l’évolution du potentiel génétique de populations bactériennes
dégradant l’atrazine. Sciences agricoles. Université de Bourgogne, 2011. Français. ￿NNT: 2011DI-
JOS099￿. ￿tel-00806324￿
HAL Id: tel-00806324
https://theses.hal.science/tel-00806324
Submitted on 29 Mar 2013
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L’UNIVERSITE DE BOURGOGNE

INRA-DIJON

THESE

Pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de Bourgogne
Discipline : Ecologie Microbienne

Par

Frédérique CHANGEY

Le 16 décembre 2011

ETUDE DE L’EVOLUTION DU

POTENTIEL GENETIQUE DE

POPULATIONS BACTERIENNES

DEGRADANT L’ATRAZINE

Directeur de thèse
Fabrice MARTIN LAURENT

Co-directeur de thèse
Marion DEVERS-LAMRANI
Devant le jury composé de :

BATISSON Isabelle Maître de conférences, Université Blaise Pascal, Clermont-Ferrand Rapporteur

SIMONET Pascal Directeur de recherche, Ecole Centrale, Lyon Rapporteur

GUZZO Jean Professeur, Université de Bourgogne, Dijon Examinateur

PESCE Stéphane Chargé de Recherche, CEMAGREF, Lyon Examinateur

JOUANNEAU Yves Directeur de Recherche, CNRS, Grenoble Examinateur

DEVERS-LAMRANI Marion Ingénieur de recherche, INRA, Dijon Examinateur

MARTIN-LAURENT Fabrice Directeur de Recherche, INRA, Dijon Examinateur

« Si c’était à refaire, recommenceriez-

vous ? dit la chanson ; jamais on ne

recommencerait, à moins d’être gâteux ou

d’ignorer le goût de l’expérience »

Boris Vian

Aux utopistes
A mon père

Remerciements
Je remercie par avance et m’excuse auprès de celles et ceux dont le nom n’apparaît pas dans cette
page et qui m’ont aidée d’une manière ou d’une autre dans la réalisation de cette thèse.
J’exprime mes remerciements à Philippe Lemanceau pour m’avoir accueillie dans son laboratoire
Je tiens à remercier mon directeur de thèse Fabrice, qui a su me laisser la liberté nécessaire à
l’accomplissement de mes travaux, tout en y gardant un œil critique et avisé. Je garderai un très
bon souvenir des discussions scientifiques qui ont permis de faire progresser le travail et de
solutionner les aléas de la paillasse.
Je remercie également Marion, ma co-encadrante de thèse, pour m’avoir parfois botté les fesses et
m’avoir appris que l’éparpillement nuit gravement à la thèse. Je la remercie aussi de m’avoir aidée
à prendre conscience de l’aspect humain d’une équipe de recherche, sur le tard certes. J’ai été
contente de retrouver ce dynamisme que j’apprécie tant à la paillasse et ailleurs.
Je remercie l’ensemble de l’équipe EMGICO, en particulier Laurent Phillipot pour son aide et ses
conseils au cours de ma thèse. Merci beaucoup aussi à Nadine, Marie-Christine, Jérémie, David
pour leur aide et leur gentillesse.
Je remercie également Dominique et Alain pour les discussions tardives et les conseils précieux
tout au long de cette thèse.
Je remercie mes compagnons de galère en thèse ou autres : Aude, Anne-Laure, Farhan (avec un
merci supplémentaire pour l’aide bibliographique), Johan, La Loose, Didine, Pierre et tous les
autres qui m’ont été d’un grand soutien.
Je remercie aussi l’ensemble des chaleureux permanents de l’INRA pour toujours avoir fait
preuve d’une grande gentillesse : merci à Marie-Reine, Colette, Géraldine, Cécile, Amadou, Abdel,
Najoi, Nico et les autres.
Je remercie mes parents ainsi que Petro pour m’avoir toujours soutenue malgré un cursus
universitaire qui a pu leur sembler long et tortueux.
Je remercie l’équipage de l’Invincible pour m’avoir soutenue et choyée surtout durant les derniers
mois : mille mercis à JB, Cyrille, Julie, Jean-Sauveur et Kapopic.
Je remercie tous les membres de l’association Kir pour cette belle aventure : grand merci surtout
à Sheb, Delphine, Thomas et Elise pour le moral que ce soit les jours de blues ou les jours de
fêtes.
Je remercie l’équipe de Radio-Campus Dijon pour les bouffées d’air musicales et en particulier
Antoine pour les premiers pas « sur scène » et à l’antenne.
Je remercie tous mes amis d’ici et d’ailleurs (Anne-Morwenn, Guigui, Jojo) pour m’avoir soutenue
pendant cette thèse (promis maintenant je viendrai vous voir plus souvent).
Et merci à Mallory pour les corrections, le soutien mais surtout pour le reste.
Merci à tous………..Ne changez rien.

Résumé
L’atrazine, un des herbicides les plus utilisés pour contrôler le développement des plantes adventices dans les
cultures, a conduit à la contamination de l’environnement. L’exposition chronique à cet herbicide a conduit à
l’émergence de populations microbiennes du sol capables de dégrader l’atrazine et de l’utiliser comme une
source d’azote pour leur croissance. Ces populations microbiennes sont responsables de la biodégradation
accélérée (BDA) de l’atrazine, un service écosystémique contribuant à diminuer la persistance decet herbicide
dans l’environnement. L’objectif de ce travail était d’étudier les mécanismes génétiques et physiologiques
responsables du fonctionnement et de l’amélioration de ce service écosystémique. Nous avons appliqué une
démarche expérimentale allant des gènes codant la dégradation à des communautés microbiennes afin
d’identifier les processus adaptatifs impliqués dans l’évolution de la fonction de BDA de l’atrazine.
Le premier volet a consisté à évaluer l’importance de mutations accumulées dans le gène atzA dans la
transformation de l’atrazine en hydroxyatrazinecatalysée par AtzA. Le séquençage de gènes atzAde différents
isolats bactériens dégradant l’atrazine (Pseudomonas sp. ADP WT, Pseudomonas sp. ADP Ps et différents
Chelatobacter heintzii) a montré que la séquence du gène atzA était très conservée. Toutefois quatre
mutations non silencieuses ont pu être identifiées (1 chez Pseudomonas sp. ADP MSE et 3 chez Chelatobacter
heintzii). La modélisation de la structure de la protéine AtzA a permis de montrer que trois des mutations
étaient situées dans des régions importantes (site actif, poche de liaison avec l’atrazine et liaison avec le métal
Fe2+). Afin de caractériser l’importance de ces mutations, l’activité de dégradation des différentes isoformes
d’AtzA et de protéines obtenues par une approche de mutagénèse dirigée a été mesurée. Ces études montrent
que la mutation observée chez Pseudomonassp. ADP Psdiminue l’activité de dégradation d’AtzA par rapportà
celle de Pseudomonas sp. ADP WT tandis que les mutations observées chez C. heintzii diminuent l’activité de
dégradation de l’atrazine mais favorise celle de dégradation de la simazine. La fixation de ces mutations
pourrait être expliquée (i) par le relâchement de la pression de sélection exercée sur atzA pour la population
Pseudomonas sp. ADP Ps et (ii) par la sélection de populations capables d’accéder à deux s-triazines,
respectivement.
Le second volet a consisté à étudier la plasticité de la voie de biodégradation de l’atrazine dans deux conditions
opposées: (i) la première visait à évaluer la persistance de la capacité de dégradation en absence de pression
de sélection et (ii) la seconde visait à évaluer l’évolution de la capacité de dégradation en présence d’une
pression de sélection élevée. Pour conduire ces études, des manipulations d’évolution expérimentale sur
Pseudomonas sp. ADP ont été menées. (i) L’exposition à l’acide cyanurique, intermédiaire métabolique de
l’atrazine, a conduit à la sélection d’une population nouvellement évoluée capable de croître plus rapidement
dans un milieu de culture ne contenant que l’acide cyanurique comme source d’azote. Cette population est
caractérisée par une délétion d’une région de 47 kb du plasmide ADP1 contenant les gènes atzABC. Les
analyses conduites ont permis de conclure que le gain de compétitivité de la population évoluée résidait dans
la perte du fardeau génétique représenté par la région de 47 kb, la capacité de dégradation de l’acide
cyanurique restant inchangée. (ii) L’exposition à l’atrazine a conduit à la sélection d’une population
nouvellement évoluée caractérisée par l’insertion du plasmide ADP1 en quasi-totalité sur le chromosome
bactérien. Cet événement génétique ne contribue à améliorer ni la croissance ni la dégradation de l’atrazine.
Le gain de compétitivité de la souche évoluée pourrait résider dans la stabilité de la transmission verticale de la
fonction de biodégradation. Ces deux expériences montrent que la plasticité des génomes microbiens
contribue à l’adaptabilité de la fonction de biodégradation de l’atrazine.
Le troisième volet a consisté à développer un outil permettant d’évaluer, à l’échelle d’une communauté
microbienne synthétique, l’évolution du potentiel génétique dégradant. Pour ce faire quatre souches
dégradantes dont une,Arthrobacter sp. TES6,isolée au cours de cette étude, ont été choisies. Présentant des
fonds génétiques et potentiels dégradants différents, elles ont été manipulées afin de leur conférer des
résistances à des antibiotiques permettant de les sélectionner.Une expérience d’évolution a été initiée afin de
valider l’outil. Les premières analyses montrent qu’il est fonctionnel et, qu’à terme, il devrait permettre
d’étudier l’évolution du potentiel génétique dégradant d’un consortium placé dans différentes conditions
environnementales.
Ces travaux montrent que la fonction de biodégradation accélérée de l’atrazine est très versatile et qu’elle est
en constante évolution. Il met en évidence que le principal facteur pilotant cette évolution est le niveau
d’exposition des populations dégradantes au pesticide.
Mots clefs:biodégradation,atrazine, évolution expérimentale, gène atz, séquences d’insertion