On vit dans un monde dominé par des êtres minuscules : les bactéries. Ces microorganismes peuvent vivre dans n’importe quel environnement: du sol gelé en permanence des régions arctiques jusqu’aux lacs acides situés dans les cratères de volcans actifs. Mais cela n’est pas nécessaire d’aller si loin: les bactéries vivent aussi dans nos intestins, où elles constituent le microbiote intestinal. Ici, les bactéries sont organisées en communautés de plusieurs espèces parmi lesquelles peuvent coexister aussi bien des bactéries extrêmement similaires que des complétement différentes. Le principe de l'exclusion compétitive stipule que plus deux espèces sont similaires, moins elles ont de chances de coexister dans le même environnement. Ceci est dû au fait qu'elles ont des exigences similaires et se disputent l'espace et les nutriments jusqu'à qu'une des deux exclue l’autre. Mais comment les espèces étroitement liées du microbiote intestinal peuvent coexister? Et est-ce-que ces espèces, si similaires, ont toutes la même fonction? Pour répondre à ces questions, dans cette thèse j’ai utilisé comme modèle des bactéries du microbiote intestinal des abeilles mellifères qu'on appelle Lactobacillus Firm5. Différentes variétés de Firm5 existent: ces bactéries se divisent en quatre espèces qui se divisent en différentes souches. En réalisant des expériences durant lesquelles j’ai colonisé des abeilles sans microbiote avec des souches de différentes espèces, j’ai démontré que celles-ci peuvent coexister grâce au partage des différents composants du pollen, la principale source alimentaire des abeilles, évitant ainsi l’exclusion compétitive. Au contraire, j’ai observé qu’il y a moins de chance que les souches de la même espèce coexistent. Pourtant, certaines souches de la même espèce peuvent coexister, ce qui indique que la coexistence de différentes souches pourrait être spécifique à la souche et non à l'espèce à laquelle la souche est associée. Enfin, j’ai observé que différentes espèces et souches de Firm5 peuvent avoir des fonctions différentes, ce qui pourrait avoir un impact sur les autres membres de la communauté et sur l’hôte.
En résumé, dans cette thèse j'ai souligné l'importance d'étudier les bactéries étroitement liées dans les communautés bactériennes naturelles, car en dépit d'être très similaires, elles peuvent toujours se comporter très différemment. En étudiant de cette façon les communautés bactériennes naturelles, on obtient des connaissances qui peuvent nous aider à mieux comprendre leurs fonctions dans le contexte de l’hôte et éventuellement des autres environnements naturels qu’elles occupent.
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Bacterial communities colonize nearly all environments on our planet. One of the most remarkable feature of many of these communities is that they are highly diverse, and that closely related species and strains of the same species often co-exist. How such diversity has emerged and is maintained in natural microbial communities, and to what extent interactions at the species-level differ from those at the strain-level has largely remained elusive. In this thesis, I addressed these questions focusing on the honey bee gut symbiont Lactobacillus Firm5. This bacterial clade is one of the most abundant and widely distributed gut symbiont of social bees and has diverged into four species which coexist in honey bees and harbor a large extent of strain-level diversity. The experimental tractability of the bee system allowed me to investigate interactions of Lactobacillus Firm5 in vitro and in vivo at the species- and strain-level and to identify causes and consequences of bacterial coexistence.
In the first chapter (Chapter I) we investigated whether the coexistence of the four Lactobacillus Firm5 species in the honey bee gut is dependent on the diet of the host. We selected one strain for each species and passaged them in vivo and in vitro under two different nutrient conditions, i.e. in the presence of simple sugars only or in the presence of pollen. We found that the four species were able to coexist only in the presence of pollen. Metatranscriptomics and metabolomics analysis showed that the four species utilize distinct carbohydrates present in pollen suggesting that resource partitioning of the bee diet facilitates the coexistence of the four related Firm5 species.
In Chapter II we turned the focus towards the question of whether there are differences in interaction and coexistence between strains that belong to the same (conspecific) or a different (allospecific) species. We hypothesized that conspecific strains of Lactobacillus Firm5 would engage in stronger negative interactions than allospecific strains and be less likely to coexist when compared to allospecific strains. To test this, we colonized microbiota-depleted bees with all possible pairwise combinations of twelve strains (three strains of each species). The vast majority of strains mutually inhibited each other independent of the species affiliation. However, conspecific strains had less symmetrical abundances than allospecific strains in these two-member communities. Moreover, serial passaging of a subset of these communities through gnotobiotic bees revealed that allospecific pairs, were more likely to stably coexist than conspecific pairs. However, this was not the case for all pairs highlighting that sometimes strain-specific features and not species identity determine coexistence. These results reproduce the co-occurrence patterns observed in the microbiota of honey bees in nature, and suggest that the divergence of Firm5 into the four different species was driven by adaptation to different ecological niches provided by the pollen diet in the honey bee gut.
Finally, in Chapter III we addressed the question whether the presence of four different Lactobacillus Firm5 species and divergent strains of these species has any functional consequences. We used the same strains as studied in Chapter II to colonize microbiota-depleted (MD) bees, and assessed the production of different short chain fatty acids (SCFAs) in the gut and the hemolymph of the host. While we did not detect any accumulation of SCFAs in colonized (CL) vs MD bees in the hemolymph, five out of the six detected SCFAs had elevated levels in CL vs MD bees in the gut. While some SCFAs (acetate and succinate) were accumulated by all strains, others (lactate, butyrate and formate) were produced in a species- or strain-specific way. These results indicated that different species and strains of Lactobacillus Firm5 produce different metabolites in the gut. As SCFAs are key metabolites for the interaction with other bacteria and with the host, our results suggest that the presence of different species and strains of Lactobacillus Firm5 has functional consequences for the bee gut microbiota and the host.
In summary, our results show that resource partitioning of dietary nutrients plays a key role in facilitating the coexistence of closely related bacterial species in the animal gut. We find that sometimes strain identity rather than species identity determines the outcome of bacterial interactions in the gut. Moreover, closely related species and different strains within these species can generate different fermentation products. This is likely to be relevant for the interactions with bacterial communities and the impact on the host. Therefore, our findings highlight the importance of studying natural bacterial communities at the level of individual species and strains.
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Les communautés bactériennes colonisent presque tous les environnements de notre planète. L'une des caractéristiques les plus remarquables de la plupart de ces communautés est qu'elles sont très diverses et que des espèces et des souches de la même espèce étroitement apparentées coexistent souvent. Comment une telle diversité a-t-elle émergé et s’est maintenue dans les communautés microbiennes naturelles, et dans quelle mesure les interactions au niveau de l'espèce diffèrent-elle de celles au niveau de la souche sont des questions restées largement insaisissables. Dans cette thèse, j'ai abordé ces questions en me concentrant sur le symbiote intestinal de l'abeille mellifère Lactobacillus Firm5. Firm5 est l'un des symbiotes intestinaux les plus abondants et les plus largement distribués des abeilles sociales. Il a divergé en quatre espèces qui coexistent chez les abeilles mellifères et abritent une grande diversité au niveau des souches. La traçabilité expérimentale de l'abeille comme organisme model m'a permis d'étudier les interactions de Lactobacillus Firm5 in vitro et in vivo aussi bien au niveau de l'espèce que de la souche et également d'identifier les causes et les conséquences de la coexistence bactérienne.
Dans le premier chapitre (Chapitre I), nous avons examiné si la coexistence des quatre espèces de Lactobacillus Firm5 dans l'intestin de l'abeille dépendait du régime alimentaire de l'hôte. Nous avons sélectionné une souche pour chaque espèce et les avons passées in vivo et in vitro dans deux conditions nutritionnelles différentes, c'est-à-dire en présence uniquement de sucres simples ou en présence de pollen. Nous avons constaté que les quatre espèces ne pouvaient coexister qu'en présence de pollen. L'analyse métatranscriptomique et métabolomique a montré que les quatre espèces utilisent des glucides distincts présents dans le pollen, ce qui suggère que la répartition des ressources du régime alimentaire des abeilles facilite la coexistence des quatre espèces Firm5 apparentées.
Dans le Chapitre II, nous nous sommes concentrés sur la question de savoir s'il existe des différences d'interaction et de coexistence entre des souches appartenant à la même espèce (conspécifique) ou à une espèce différente (allospécifique). Nous avons émis l'hypothèse que les souches conspécifiques de Lactobacillus Firm5 s'engageraient dans des interactions négatives plus fortes que les souches allospécifiques et seraient moins susceptibles de coexister par rapport aux souches allospécifiques. Pour tester cela, nous avons colonisé des abeilles appauvries en microbiote avec toutes les combinaisons possibles par paires de douze souches (trois souches de chaque espèce). La grande majorité des souches s'inhibaient mutuellement indépendamment de l'affiliation à l'espèce. Cependant, les souches conspécifiques avaient des abondances moins uniformes que les souches allospécifiques dans ces communautés à deux membres. De plus, le passage en série d'un sous-ensemble de ces communautés à travers des abeilles gnotobiotiques a révélé que les paires allospécifiques étaient plus susceptibles de coexister de manière stable que les paires conspécifiques. Cependant, ce n'était pas le cas pour toutes les paires, soulignant que parfois des caractéristiques spécifiques à la souche et non l'identité de l'espèce déterminent la coexistence. Ces résultats reproduisent les modèles de cooccurrence observés dans le microbiote des abeilles mellifères dans la nature et suggèrent que la divergence de Firm5 dans les quatre espèces différentes est due à l'adaptation à différentes niches écologiques fournies par le régime pollinique dans l'intestin des abeilles mellifères.
Enfin, dans le Chapitre III, nous avons abordé la question de savoir si la présence de quatre espèces différentes de Lactobacillus Firm5 et de souches divergentes de ces espèces a des conséquences fonctionnelles. Nous avons utilisé les mêmes souches que celles étudiées au chapitre II pour coloniser des abeilles appauvries en microbiote (MD) et évalué la production de différents acides gras à chaîne courte (AGCC) dans l'intestin et l'hémolymphe de l'hôte. Bien que nous n'ayons détecté aucune accumulation d'AGCC chez les abeilles colonisées (CL) vs MD dans l'hémolymphe, cinq des six AGCC détectés présentaient des niveaux élevés chez les abeilles CL vs MD dans l'intestin. Alors que certains AGCC (acétate et succinate) ont été accumulés par toutes les souches, d'autres (lactate, butyrate et formiate) ont été produits d'une manière spécifique à l'espèce ou à la souche. Ces résultats indiquent que différentes espèces et souches de Lactobacillus Firm5 produisent différents métabolites dans l'intestin. Comme les AGCC sont des métabolites clés pour l'interaction avec d'autres bactéries et avec l'hôte, nos résultats suggèrent que la présence de différentes espèces et souches de Lactobacillus Firm5 a des conséquences fonctionnelles pour le microbiote intestinal de l'abeille et l'hôte.
En résumé, nos résultats montrent que la répartition des ressources des nutriments alimentaires joue un rôle clé en facilitant la coexistence d'espèces bactériennes étroitement apparentées dans l'intestin des animaux. Nous constatons que parfois l'identité de la souche plutôt que l'identité de l'espèce détermine le résultat des interactions bactériennes dans l'intestin. De plus, des espèces étroitement apparentées et différentes souches au sein de ces espèces peuvent générer différents produits de fermentation. Ceci est susceptible d'être pertinent pour les interactions avec les communautés bactériennes et l'impact sur l'hôte. Par conséquent, nos résultats soulignent l'importance d'étudier les communautés bactériennes naturelles au niveau des espèces et des souches individuelles.