Les bactéries symbiotiques jouent un rôle important chez les vertébrés, allant des mutualismes aux pathogènes infectieux à l'origine de maladies (Casadevall & Pirofski 1999; Rosenberg et al. 2007; Staubach et al. 2013). Malgré la facilité avec laquelle les embryons de poisson peuvent être étudiés sous des conditions naturelles ou de laboratoire, notre compréhension de l'écologie et du rôle évolutif de leurs communautés microbiennes reste encore pauvre (Magnadottir et al. 2005; Clark & Wedekind 2011; Liu et al. 2014). Au cours de cette thèse, nous avons décidé de changer ceci et ainsi de faire la lumière sur les interactions entre les embryons de salmonidés hôtes et leurs microbiomes associés. Une compréhension approfondie des interactions entre les hôtes et leurs bactéries symbiotiques requiert de connaître les communautés de bactéries associées à ces hôtes ainsi que les facteurs qui les façonnent (Staubach et al. 2013). Ainsi, nous avons étudié la composition typique des communautés bactériennes sur des œufs fertilisés de salmonidés issus de différentes espèces de corégones et de truites venant directement des sites naturel de frai mais également, et concernant uniquement la truite, sous des conditions expérimentales de laboratoire. Afin d'obtenir une vision complète des interactions entre les embryons hôtes et leurs bactéries associées, nous avons cherché des évidences d'effets parentales agissant sur la composition des assemblages bactériens des œufs de leurs portées. De plus, nous avons également étudié les gènes exprimés dans les embryons de corégone qui ont été infectés par différentes souches d'une bactérie opportuniste pathogène spécifique aux poissons afin d'analyser la capacité des embryons à déclencher une réponse immunitaire précoce. Hormis la quantification de gènes de l'immunité candidats, la réponse transcriptomique des embryons a été profilée. Nous avons profité des récentes avancées technologiques de séquençage nouvelle génération et des outils bioinformatiques pour caractériser la taxonomie des communautés de bactéries, ainsi que l'expression génique de l'hôte. Les résultats de cette thèse sont reportés en six chapitres :
Dans le Chapitre 1, nous avons trouvé des évidences quant aux effets du stade de développement des hôtes et de la température sur les communautés de bactéries symbiotiques sur les œufs de salmonidés naturellement fertilisés. Les communautés bactériennes issues des eaux environnantes de six populations séparés de corégones (Coregonus fattoi, C. suidteri, et C. palaea) étaient significativement différentes dans leur composition. Alors que la diversité bactérienne a considérablement diminué au cours du développement embryonnaire des œufs de corégone, ce même schéma n'a pas été retrouvé dans les eaux environnantes. Dans le Chapitre 2, la diversité de bactéries sur les fraies naturelles de truite (Salmo truttà), est positivement corrélé avec la température locale sur les sites de frai. Les bactéries associées avec les œufs de truites semblent construire une communauté de base qui est semblable chez les différentes populations et les différents habitats de la truite. Cependant, la corrélation avec la température met en évidence l'importance de ce facteur environnemental sur la diversité bactérienne. Lorsque les espèces bactériennes des eaux plus chaudes ont été comparées à celles des eaux plus froides, plus de taxons de bactéries pathogènes ont pu être détectés dans le premier groupe.
L'incubation expérimentale des œufs de truite avec des ressources bactériennes élevées a augmenté la mortalité embryonnaire et a été associée avec les changements dans la composition de la communauté bactérienne dans les Chapitres 3 et 4. Nous avons trouvé des effets paternel et maternel significatifs expliquant une partie de la variance dans la composition de la communauté bactérienne symbiote sur leur descendance dans le Chapitre 3. Comme dans notre système les effets du père sont exclusivement génétiques, leurs influences sur les communautés bactériennes symbiotiques peuvent être interprétées comme une variation génétique additive; c'est à dire, une interaction directe entre l'embryon hôte et ses bactéries associées. Dans le Chapitre 4, nous avons examiné la dose de caroténoïdes naturellement présente dans les œufs. Les concentrations initiales d'astaxanthine, ainsi que la consommation d'astaxanthine et de zéaxanthine pourraient être liées à la performance de la progéniture à un traitement de stress élevé. En outre, nos données décrivent une relation entre les concentrations de zéaxanthine et la diversité bactérienne en développement sur les œufs. Les caroténoïdes pourraient représenter un effet environnemental maternel (Grether et al 2008; Garner, Neff & Bernards 2010).
Dans le Chapitre 5, nous nous sommes concentrés sur une réponse spécifique de l'hôte à des bactéries symbiotes, à savoir, l'expression de gêne immunitaire dans les embryons de corégone (C. palaed). Nous avons utilisé deux souches d'un agent pathogène opportuniste de poisson, P. fluorescens, qui étaient censés différer dans leur virulence. Nous avons suivi en parallèle comment ils affectent la mortalité et le temps d'éclosion des embryons infectés. La mortalité était dépendante de la souche; cependant, les deux souches de P. fluorescens ont retardé le temps d'éclosion et diminué l'expression d'un gène du CMH de classe I de 48 heures après l'infection. Plus le gène du CMH a été transcrit, plus les embryons ont éclos tardivement, ce qui suggère un compromis entre l'expression
du gène immunitaire et une transition de l'histoire de vie précoce.
Dans le Chapitre 6, tout le transcriptome des embryons de corégone modifiés expérimentalement a été décrit et contrasté à un groupe contrôle du même patrimoine génétique. Quelques motifs ont pu être identifiés, incluant une augmentation des métabolites tels que les nucléotides, les ARNt chargés, l'arginine et la proline. Les agents pathogènes peuvent manipuler l'hôte en réglant différemment son métabolisme; c'est à dire, la régulation positive des activités qui produisent des nutriments appropriés pour l'agent pathogène et la régulation négative du métabolisme spécifique de l'hôte (Lu & Clarke 2005; Farbrother et al., 2006). Certains facteurs exprimés de manière différentielle pourraient contribuer à des transporteurs de nutriments; tels que les gènes impliquant les glycérophospholipides, la formation du cytosquelette, les vésicules liées à la membrane cytoplasmique, l'activité de transporteur transmembranaire et l'activité ATPase. Plusieurs gènes du système immunitaire adaptatif ont été régulés à la hausse, notamment les acteurs de la voie du CMH de classe II. L'implication de différents gènes associés avec la différenciation du sang de l'hôte suggère un rôle central de ce métabolisme pendant l'interaction de l'embryon du corégone avec P. flmrescens. Les études futures utilisant des embryons de salmonidés peuvent avoir pour objectif de quantifier la variation héréditaire dans les gènes de l'hôte identifiés dans ce chapitre.
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Bacterial symbionts play important roles for vertebrates, covering the whole spectrum from beneficial mutualists to infectious, disease-causing pathogens (Casadevall & Pirofski 1999; Rosenberg et al. 2007; Staubach et al. 2013). Despite the ease with which fish embryos can be studied under natural and controlled laboratory conditions, our understanding of the ecological and evolutionary role of their associated microbial communities is still poor (Magnadottir et al. 2005; Clark & Wedekind 2011; Liu et al. 2014). In this thesis, we decided to take a first step towards changing this and shed some light on the interaction of salmonid embryo hosts and their egg-associated microbiomes. A thorough understanding of the interactions between hosts and their symbiont bacteria requires the comprehensive knowledge of host associated bacterial communities and the factors shaping them (Staubach et al. 2013). Accordingly, we investigated the typical composition of bacterial communities on fertilized salmonid eggs of different whitefish species and brown trout at natural spawning places as well as on brown trout under experimental conditions in the laboratory. To get a more complete picture of the interaction between embryo hosts and their associated bacteria, we looked for evidence of parental effects shaping the composition of the bacterial assemblages on the eggs of their offspring. Moreover, we also explored expressed genes in whitefish embryos that had been infected with different strains of an opportunistic bacterial fish pathogen in order to investigate the capacity of the embryo to mount an early immune response. Besides the quantification of candidate immune genes, the whole transcriptomic response of embryos was profiled. We took advantage of recent advancements in next- generation sequencing techniques and bioinformatics tools that were applied in order to characterize the taxonomy of bacterial communities, as well as gene expression of the host. The results of this thesis are reported in six chapters:
In Chapter 1, we found evidence for the effects of host developmental stage to influence symbiont bacterial communities on naturally fertilized salmonid eggs. Bacterial communities were significantly different in their composition from the surrounding water in six separated whitefish populations (Coregonus fattoi, C. suidteri, and C. palaed). While the bacterial diversity significantly declined during embryonic development on whitefish eggs, it did not show the same pattern in the surrounding water environment. In Chapter 2, we showed that the diversity of bacteria on naturally spawned brown trout eggs (Salmo trutta) correlated positively with the local temperature at the spawning sites.
Bacteria associated with brown trout eggs seem to build a core community that is similar among different trout populations and habitats. However, the correlation with temperature highlights the importance of this environmental factor for bacterial diversity. When the bacterial species of warmer waters were compared to colder waters, more putatively pathogenic bacterial taxa could be detected within the former group.
The experimental incubation of brown trout eggs with elevated bacterial resources increased embryo mortality and was associated with changes in bacterial community composition in Chapters 3 and 4. We found evidence for significant dam and sire effects explaining part of the variance in symbiont bacterial community composition on their offspring in Chapter 3. Since sire effects in our system are assumed to be exclusively genetic, their influence on symbiont bacterial communities can be interpreted as additive genetic variation; i.e., a direct interaction between the embryo host and its associated bacteria. In Chapter 4, we examined naturally occurring carotenoids in the eggs and their potential effects on bacterial symbionts. Initial Astaxanthin concentrations, as well as Astaxanthin and Zeaxanthin consumption could be linked to offspring performance at a high microbial load. Furthermore, our data describes a relationship between Zeaxanthin concentrations and bacterial diversity developing on the eggs. Carotenoids represent a maternal environmental effect (Grether et al. 2008; Garner, Neff & Bernards 2010).
In Chapter 5, we focused on a specific host response to symbiont bacteria, namely, immune gene expression in whitefish embryos (C. palaea). We used two strains of an opportunistic fish pathogen, P. fluorescent that were expected to differ in their virulence. It was monitored in parallel how they affect mortality and hatching time of infected embryos. Mortality was strain-dependent; however, both strains of P. fluorescens delayed hatching time and decreased the expression of a MHC class I gene 48 hours after infection. The more the MHC gene was transcribed, the later embryos hatched, suggesting a trade-off between immune gene expression and an earlier life-history transition.
In Chapter 6, the whole transcriptome of impaired whitefish embryos was profiled and contrasted to a control group of the same genetic heritage. A few motives could be identified, including an increase of metabolites such as nucleotides, loaded tRNAs, arginine and proline. Pathogens can manipulate the host by differentially regulating its metabolism; i.e., upregulating activities that produce suitable nutrients for the pathogen and downregulating the host-specific metabolism (Lu & Clarke 2005; Farbrother et al. 2006). Certain differentially expressed factors might contribute to nutrient transporters; such as genes involving glycerophospholipids, cytoskeleton formation, cytoplasmic membrane-bound vesicles, transmembrane transporter activity, and ATPase activity. Several genes of the adaptive immune system were upregulated, including actors of the MHC class II pathway. The involvement of various different genes associated with host blood differentiation suggests a central role of this metabolism during the whitefish embryo-P. fluorescens interaction. Future studies employing salmonid embryos may aim at quantifying heritable variation in host genes identified in this chapter.