Les bactéries sont des êtres vivants capable de survivre et de coloniser des environnements particulièrement hostiles, des profondeurs océaniques jusqu’aux sources chaudes et aux solutions polluées par les métaux lourds. Cependant, elles colonisent également des environnements bien plus accueillants, tels que les intestins des animaux, et en particulier ceux des mammifères. L’humain, et notamment son colon, est à ce jour l’endroit le plus fortement colonisé par les bactéries, à un tel point que l’humain moyen a en réalité plus de cellules bactériennes dans son corps que de cellules portant son ADN. Cette communauté bactérienne, aussi appelée microbiote, agit comme un véritable organe et les différents membres qui la composent interagissent à la fois entre eux et avec l’hôte. Etant donnée la complexité du microbiote intestinal humain, il est difficile de comprendre les rôles individuels des bactéries en son sein.
Dans ce contexte, nous avons par conséquent besoin de modèles expérimentaux plus simples. L’abeille domestique, Apis mellifera, dotée d’un microbiote intestinal simple et stable, est devenu l’un des modèles de référence pour étudier les interactions microbiennes, en particulier au sein des intestins. Chez l’abeille, les tâches de maintien de la colonie sont divisées entre les ouvrières, qui sont, à tour de rôle, chargée du nettoyage, de la nutrition des larves, de la construction des alvéoles, de la défense de la ruche et de la récolte des ressources. Ces tâches sont associées à des comportements distincts, des régimes spécifiques qui dépendent des besoins de l’abeille, mais également à des physiologies particulières.
Dans cette thèse, j’ai souhaité étudier les influences de deux de ces états comportementaux sur le microbiote intestinal bactérien de l’abeille à plusieurs niveaux. Tout d’abord, l’influence sur la composition même de ce microbiote, en particulier, quelles souches sont associées avec ces états et quelles sont leurs capacités métaboliques. Ensuite, j’ai voulu évaluer si ces deux états étaient associés avec des différences en terme d’activité des bactéries. Pour finir, j’ai utilisé des abeilles élevées en laboratoire afin de d’essayer de répliquer expérimentalement les observations faites précédemment avec deux souches de la bactérie Snodgrassella alvi.
A partir de mes observations, j’ai pu conclure que l’état comportemental de l’hôte était lié à des compositions de microbiotes spécifiques et que l’unité de ces changements était la souche bactérienne. Je souligne également l’importance de considérer l’état comportemental des abeilles lors d’études sur le microbiote intestinal des abeilles.
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Microbiota compositions and functions are susceptible to changes in their natural environment. Such changes in natural microbial communities are hard to understand for two major reasons: (I) the environments often change in non-controlled, non- reproducible manners, which include large amounts of parameters, and (II) microbial communities are often highly complex and most studies focused on the changes at the taxonomic level, while ignoring the functional level.
In this thesis, we used as a model the honeybee Apis mellifera. The honeybee worker gut microbiota has a simple, stable, abundant and experimentally tractable bacterial community, which has been reported to have important effects on host health, ranging from metabolizing toxic sugars to influencing its behavior. With its limited diet variety, the limited genetic diversity inside a hive, the relative cheapness of samples and the possibility to generate gut microbiota-depleted animals, honeybee workers offer an increasingly popular model to study the gut microbiota. In addition, their diet and activity are dictated by the specific tasks that they perform to maintain the colony, which presents the opportunity to study naturally occurring communities following relatively controlled conditions. These behavioral states include cleaning, building the combs, feeding the brood, guarding the hives and foraging.
The aim of this thesis was to assess the extent of the influence of two of the behavioral states of the honeybee worker host, larvae-feeding nurse and pollen forager, on its gut microbiota. To that end, we have used multiple omics and sequencing approaches: metagenomics, metatranscriptomics, amplicon sequencing and metabolomics.
In the first chapter of this thesis (Chapter I), we investigated the role of host behavioral states on the composition its gut bacterial community in samples of honeybee workers coming from different apiaries across Western Switzerland. While changes at the genus level have already been associated with the transition from nurses to foragers, no previous study has looked at the changes at finer scales, such as species, strains or functional gene content. Using metagenomic sequencing, we observed the composition of the microbiota from the species level down to level of strains. We were able to find consistent differences between the nurse gut microbiota and the forager gut microbiota in terms of strain composition. We also linked these changes to shifts in functional gene content related to the use of alternative environmental resources and competition.
In a second chapter (Chapter II), we investigated the gut microbiota response to the nurse to forager transition at the transcriptional level. Using the same samples as in Chapter I, we carried out RNA sequencing and determined the genes differentially regulated between nurse and forager samples across the core members of the bee gut microbiota. We found that an important part of the upregulated genes in the nurse samples were related to carbohydrate breakdown (notably pollen polysaccharides), to energy metabolism and to defense mechanisms. These findings indicate that the gut microbiota of bees responds in a consistent manner to the nurse to forager transition and we were able to identify many gene families that seem to have specific roles in one or the other behavioral state.
In Chapter I, we identified strains of same species that were specifically associated with one of the two behavioral states. Therefore, in a last chapter (Chapter III), we wanted to test if we could recapitulate this specific association using gnotobiotic bees in the laboratory. We have chosen two strains from the same species, Snodgrassella alvi. We took advantage of the fact that gut microbiota-depleted honeybees still seem to undergo different behavioral states in captivity. Using a combination of mono and co-colonization of the guts, we have been able to show the potential of such colonization experiments to determine the specific viability of strains. However, potential contaminations of our experiment and low statistical power prevented us from drawing definitive conclusions on the role of the host behavioral state on the strain viability.
In summary, through this thesis and our results, we have been able to show the importance of the honeybee worker behavioral state in the composition and activity of their gut microbial communities in a natural setting. We therefore encourage future research on the honeybee worker gut microbiota to consider this factor. More broadly speaking, we have found that strains within species change consistently to a complex environmental change in a natural host-associated bacterial community. We have also observed that this community undergoes consistent transcriptional changes, with some of the upregulated genes specifically directed at one of the parameters of the environmental change. This emphasizes the need to consider multi-omic approaches when studying natural microbiota and reactions to environmental changes instead of relying on e.g. the 16S rRNA gene amplicon sequencing.
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Les compositions et fonctions des microbiotes sont susceptibles de changer dans leur environnement naturel. De tels changements au sein de communauté bactériennes sont difficiles à comprendre pour deux raisons principales : (I) les environnements changent généralement de façons incontrôlées et non-reproductibles, qui incluent de nombreux paramètres, et (II) les communautés microbiennes sont souvent hautement complexes et la plupart des études se sont concentrées sur les variations d’ordre taxonomique, ignorant les aspects fonctionnels.
Dans cette thèse, nous avons utilisé comme modèle l’abeille domestique Apis mellifera. Le microbiote intestinal de l’abeille ouvrière comporte une communauté bactérienne simple, stable, abondante et expérimentalement malléable, dont les effets sur l’hôte peuvent être importants, et vont du métabolisme de sucres toxiques à l’influence du comportement. Avec son régime alimentaire restreint, sa variabilité génétique limitée au sein d’une même ruche, le coût faible d’échantillonnage et la possibilité de générer des hôtes dépourvus de microbiote intestinal. De plus, leurs régimes alimentaires et activités leur sont dictés par les tâches spécifiques qu’elles accomplissent pour entretenir la colonie, ce qui offre l’opportunité d’étudier des communautés naturelles dont les conditions environnementales sont relativement contrôlées. Ces états comportementaux que l’abeille suit vont du nettoyage des cellules au butinage, en passant par la construction des alvéoles, l’alimentation des larves et la défense de la ruche.
L’objectif de cette thèse était d’évaluer l’influence de deux états comportementaux de l’abeille ouvrière, la nourricière de larves et la butineuse de pollen, sur son microbiote intestinal. Dans ce but, nous avons utilisé de multiples approches omiques et de séquençage : la métagénomique, la métatranscriptomique, le séquençage d’amplicons et la métabolomique.
Dans un premier chapitre de cette thèse (Chapitre I), nous avons étudié le rôle de l’état comportemental de l’hôte sur la composition de sa communauté bactérienne intestinale au sein d’échantillons d’abeilles domestiques ouvrières provenant de diférents ruchers de Suisse occidentale. Bien que des changements de compositions aient déjà été identifiés au niveau du genre taxonomique, aucune étude précédente n’a observé les changements à des échelles plus petites, comme les espèces, les souches ou le contenu génétique fonctionnel. En utilisant le séquençage métagénomique, nous avons observé la composition du microbiote intestinal du niveau des espèces au niveau des souches. Nous avons été capables de trouver des différences stables entre le microbiote intestinal des nourricières et celui des butineuses en termes de souches bactériennes le composant. Nous avons également associé ces changements aux variations de contenu génétique fonctionnel provenant de l’utilisation de ressources alternatives et de compétition.
Dans le deuxième chapitre (Chapitre II), nous avons étudié la réponse du microbiote intestinal des abeilles ouvrières relative à la transition de nourricière à butineuse au niveau transcriptionnel. En utilisant les mêmes échantillons que ceux du Chapitre I, nous avons conduit un séquençage ARN et déterminé les gènes différemment régulés entre les nourricières et les butineuses au sein des principaux membres du microbiote intestinal des abeilles. Nous avons découvert qu’une partie importante des gènes régulés à la hausse au sein des nourricières étaient liés à la dégradation des hydrates de carbone (notamment des polysaccharides du pollen), au métabolisme de l’énergie et aux mécanismes de défense. Ces découvertes indiquent que le microbiote intestinal des abeilles répond de manière stable à la transition des nourricières aux butineuses et nous avons été capables de d’identifier de nombreuses familles de gènes qui semblent avoir des rôles spécifiques dans l’un ou l’autre des états comportementaux.
Dans le Chapitre I, nous avons identifié des souches d’une même espèce qui étaient spécifiquement associées à l’un des états comportementaux. Par conséquent, dans un dernier chapitre (Chapitre III), nous voulions tester si nous pouvions récapituler ces associations spécifiques en utilisant des abeilles gnotobiotiques au laboratoire. Nous avons choisi deux souches d’une même espèce, Snodgrassella alvi. Nous nous sommes servis du fait que les abeilles dépourvues de microbiote intestinal en captivité semblent toutefois aussi avoir des états comportementaux. En utilisant une combinaison de mono et co-colonisations des intestins, nous avons été capables de montrer le potentiel de telles expériences de colonisations pour déterminer la viabilité spécifique des souches. Cependant, des contaminations potentielles de notre expérience et une puissance statistique faible nous ont empêché de tirer des conclusions définitives sur le rôle de l’état comportemental de l’hôte sur la viabilité des souches.
En résumé, au travers de cette thèse et de nos résultats, nous avons été capables de montrer l’importance de l’état comportemental de l’abeille ouvrière dans la composition et l’activité de leurs communautés microbiennes intestinales dans un environnement naturel. Nous encourageons par conséquent les futures recherches sur le microbiote intestinal des abeilles ouvrières à tenir compte de ce facteur. Plus généralement parlant, nous avons découvert que des souches au sein d’espèces sont modulées de façon stable face à un changement environnemental complexe dans une communauté bactérienne associée à un hôte. Nous avons également observé que cette communauté subit des modulations stables de la transcription, avec certains des gènes régulés à la hausse et dirigés spécifiquement contre l’un des paramètres du changement environnemental. Cela souligne le besoin de considérer des approches multi-omiques lors d’études de microbiotes naturels et de leur réaction à des changements environnementaux, plutôt que de se reposer, par exemple, sur des séquençages d’amplicons de l’ARNr 16S.