Bacterial communities are composed of many species that can interact in intricate ways. However, how the environment affects bacterial interactions and coexistence over time is still poorly understood. This PhD thesis aims to provide answers to this question by investigating the impact of a single compound that creates a nutrient-toxic gradient on community dynamics. We used a small synthetic community composed of Agrobacterium tumefaciens (At), Comamonas testosteroni (Ct), Microbacterium saperdae (Ms) and Ochrobactrum anthropi (Oa). These four species can degrade Metal Working Fluids (MWF), oil-based fluids used in manufacturing that is designed to be toxic for bacteria. A former study found that inter-species interactions within this community were consistent with the predictions of the Stress Gradient Hypothesis (SGH), which posits that positive interactions are more likely to arise in harsh environments.
To reduce the complexity of the MWF chemical composition, we designed a chemically-defined system. We tested the effect of several MWF compounds on the four species and chose to focus on Linoleic acid (LA), which was a nutrient for At and Ct at low concentration, and toxic for At but not for Ct at high concentration. We combined mathematical models and lab experiments to test the predictions of the SGH. Our model predictions and experimental results were consistent: in co-culture, competition for the single nutrient source occurred at low LA concentration. Instead, facilitation arose at high LA concentration, because as Ct consumed LA to grow, its concentration decreased, allowing At to survive and grow.
Next, we investigated the mechanism behind LA toxicity and found that reactive oxygen species (ROS) were accumulating over time as a consequence of LA oxidation. By quantifying ROS, we found that at high LA concentration, it was high in At’s monoculture, but low in the presence of Ct (both mono- and co-culture). This result proved that facilitation towards At occurred because Ct reduced ROS concentration. Furthermore, removing ROS from the high LA medium using an antioxidant rescued At in monoculture and reverted the interaction sign back to competition in the co-culture with Ct. This meant that, in absence of toxicity, negative interactions prevailed once again.
Finally, we tested whether the two species could coexist on the single LA resource. The mathematical model predicted that only short-term coexistence was possible and that only Ct would survive in the long- term, as expected from the competitive exclusion principle, whereby coexistence between two species is not possible on a single nutrient source. The experimental results of a transfer experiment at both low and high LA concentrations confirmed model predictions.
Overall, we have shown that one can manipulate interactions just by changing the concentration of a single compound that has a toxic effect. We have advanced our understanding of the role of toxicity in determining inter-specific interactions. We also highlight that further exploration of the impact of ROS on community dynamics is needed to better understand the circumstances under which the SGH operates.
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Les communautés bactériennes sont composées de nombreuses espèces qui peuvent interagir de manière complexe. Cependant, la façon dont l’environnement affecte les interactions entre bactéries et leur coexitence au fil du temps est encore mal comprise. Cette thèse de doctorat vise à apporter des réponses à cette question en étudiant l’impact d’un seul composé à l’origine d’un gradient à la fois toxique et nu- tritif, sur la dynamique des communautés. Nous avons utilisé une petite communauté synthétique composée d’Agrobacterium tumefaciens (At), Comamonas testosteroni (Ct), Microbacterium saperdae (Ms) et Ochro- bactrum anthropi (Oa). Ces quatre espèces peuvent dégrader le metal working fluid (MWF), un fluide à base d’hydrocarbure utilisé dans l’industrie et conçu pour être toxique pour les bactéries. Une étude antérieure a montré que les interactions interspécifiques au sein de cette communauté correspondaient aux prédictions de l’hypothèse de gradient de stress, qui prédit que les interactions positives comme la facilitation sont plus susceptibles de se produire dans des environnements stressants ou toxiques.
Afin de réduire la complexité de la composition chimique du MWF, nous avons conçu un système défini chimiquement. Nous avons testé l’effet de plusieurs composés du MWF sur les quatre espèces et avons choisi de nous concentrer sur l’acide linoléique (AL), qui est un nutriment pour At et Ct à faible concentration, et est toxique pour At, mais pas pour Ct, à forte concentration. Nous avons combiné des modèles mathématiques et des expériences de laboratoire pour tester les prédictions de l’hypothèse de gradient de stress. Les prédictions de notre modèle et les résultats expérimentaux concordent : à faible concentration en AL, on observe une compétition entre At et Ct pour la source unique de nutriment. Inversement, à haute concentration en AL, on observe de la facilitation, car à mesure que Ct consomme l’AL pour sa croissance, sa concentration diminue, permettant ainsi la survie et la croissance de At. Nous avons ensuite étudié le mécanisme à l’origine de la toxicité de l’acide linoléique et montré que son oxydation conduit à une accumulation en espèces réactives de l’oxygène (ROS). En quantifiant les ROS, nous avons constaté qu’à une concentration élevée en acide linoléique, leur quantité était élevée dans la monoculture d’At, mais faible en présence de Ct (mono- et co-culture). Ce résultat montre que le mécanisme de la facilitation de At par Ct est la réduction de la concentration de ROS par Ct. De plus, en éliminant les ROS à forte concentration en AL à l’aide d’un antioxydant, At survi en monoculture, et est en compétition avec Ct en co-culture. Cela signifie qu’en absence de toxicité, les interactions négatives dominent.
Enfin, nous avons testé si les deux espèces peuvent coexister avec l’acide linoléique comme seule ressource. Le modèle mathématique prédit que seule la coexistence à court terme est possible et que seul Ct devrait survivre à long terme, comme prédit par le principe d’exclusion compétitive, selon lequel la coexistence entre deux espèces n’est pas possible en présence d’une seule source de nutriments. Les résultats expérimentaux d’une expérience de transfert par dilutions sérielles à des concentrations en AL faibles et élevées ont confirmé les prédictions du modèle.
Dans l’ensemble, nous avons montré que l’on peut manipuler les interactions entre deux espèces en modifiant la concentration d’un seul composé qui a un effet toxique. Nous avons fait progresser notre compréhension du rôle de la toxicité dans la détermination des interactions interspécifiques. Nous soulignons également qu’une exploration plus approfondie de l’impact des ROS sur la dynamique des communautés microbiennes serait nécessaire pour mieux comprendre les circonstances dans lesquelles l’hypothèse du gradient de stress opère.