Thèse_F.DEDEINE_ G.Dubreuil

Année 2015-2016 - Demande d’allocation doctorale
ED Santé, Sciences Biologiques et Chimie du Vivant (SSBCV) n°549
1. Informations administratives :
Nom de l’encadrant responsable de la thèse : Franck Dedeine (HDR)
Unité : IRBI UMR CNRS 7261
Equipe (si unité multi-équipes) : ECEIS
Email de l’encadrant : [email protected]
Nom du co-encadrant (non-HDR) : Géraldine Dubreuil (non-HDR)
Unité : IRBI UMR CNRS 7261
Equipe (si unité multi-équipes) : ESMB
Email de l’encadrant : [email protected]
2. Titre de la thèse : Stabilité évolutive des symbioses mutualistes chez les termites : rôle du système
immunitaire de l’hôte ?
3. Résumé : La plupart des organismes eucaryotes hébergent des microorganismes bénéfiques pour la
survie et/ou la reproduction de leurs hôtes (Moran 2007). Alors que ces ‘symbioses mutualistes’ sont
très communes et jouent un rôle central dans le fonctionnement des écosystèmes, leur stabilité
évolutive constitue une problématique incomprise (Sachs et al., 2011). La sélection naturelle
minimisant les coûts et maximisant les bénéfices, celle-ci devrait en effet favoriser les variants
microbiens égoïstes investissant moins (ou pas du tout) dans la coopération. Comment alors les
symbioses mutualistes se maintiennent-elles au cours de l’évolution ? Deux hypothèses principales ont
été proposées pour expliquer la stabilité des symbioses mutualistes (Sachs et al., 2011) : (i) les hôtes
ont développé des mécanismes permettant de fidéliser leurs symbiotes mutualistes en les transmettant
de manière efficace entre générations (‘fidélité de transmission’) ; (ii) les hôtes ont développé des
mécanismes leur permettant de contrôler la composition de leurs symbiotes en éliminant notamment
les variants égoïstes (‘sanction par l’hôte’). Des études récentes ont révélé que la réponse immunitaire
humorale et/ou cellulaire des insectes est fortement influencée par la composition de la communauté
symbiotique des individus étudiés (Schmitz et al. 2012 ; Dubreuil et al. 2014). Ces études suggèrent
ainsi que, chez les insectes, les gènes de l’immunité des hôtes pourraient constituer d’excellents
facteurs de contrôle des symbiotes.
Ce projet de thèse vise à tester les hypothèses ‘fidélité de transmission’ et ‘sanction par l’hôte’ chez le
termite Reticulitermes grassei (Rhinotermitidae). Les termites sont des insectes sociaux xylophages
qui dégradent la lignocellulose du bois grâce à des microorganismes vivant dans leur intestin
postérieur (la ‘panse’) (Brune 2014). Ces symbiotes constituent des communautés très diverses se
composant de nombreux taxons procaryotes (bactéries et archées) mais aussi des eucaryotes protistes.
Le cycle de vie des termites du genre Reticulitermes est bien décrit. Au printemps, des individus ailés
(les ‘alates’) vont se différencier dans les colonies à partir des ‘nymphes’. Après différenciation, les
alates vont quitter le nid parental par essaimage puis fonder de nouvelles colonies par couples
monogames. C’est au cours de cette fondation que seront transmis les symbiotes à la descendance par
les deux parents via des comportements spécifiques (‘trophallaxies proctodéales’) (Shimada et al.,
2013). Une étude effectuée chez trois espèces de Reticulitermes a révélé que les alates ne possédaient
que 5% du nombre de protistes présents chez les nymphes (Lewis & Forschler 2006). La mue
imaginale (entre nymphes et alates) pourrait ainsi réduire la diversité des symbiotes présents chez les
alates, et conduire à une transmission imparfaite des symbiotes à la descendance.
Le premier objectif de cette thèse est d’étudier l’impact de la mue imaginale sur la diversité des
symbiotes présents chez les alates. Pour ce faire, nous comparerons la diversité des symbiotes chez des
ouvriers, des nymphes et des alates prélevés dans les mêmes colonies de R. grassei. La composition
exhaustive de la communauté microbienne sera déterminée en amplifiant et séquençant à haut débit les
régions 16S (procaryotes) et 18S (protistes) de l’ARN ribosomal (approche méta-barcode). En
parallèle, nous étudierons l’abondance des symbiotes par PCR quantitative sur les régions 16S et 18S.
Le second objectif de cette thèse est d’identifier des gènes de l’hôte exprimés au cours de la mue
imaginale et dont le niveau d’expression varie en fonction de la composition microbienne
symbiotique. Nous étudierons les patrons d’expression des gènes (approche RNA-Seq) chez des
nymphes dont la communauté microbienne aura été modifiée expérimentalement. Une étude
préliminaire nous a en effet permis de transférer des symbiotes entre espèces de termites. Nous
comparerons ainsi l’expression des gènes chez : (i) des nymphes chez lesquelles nous aurons transféré
des symbiotes d’une autre espèce de termite, R. flavipes ; (ii) des nymphes chez lesquelles nous aurons
transféré leurs propres symbiotes ; et (iii) des nymphes non-traitées (témoin). Sur ces trois groupes
d’individus, nous déterminerons en parallèle la composition exhaustive de la communauté
microbienne (approche méta-barcode). Les gènes exprimés de manière différentielle entre ces trois lots
de nymphes seront alors identifiés (gènes de l’immunité ?). Nous disposons à l’heure actuelle de 9
transcriptomes chez R. grassei (Dedeine et al. sous presse). Les patrons d’expression des gènes
candidats seront alors approfondis en RT-PCR quantitative chez les nymphes et les alates. En
particulier, nous déterminerons si les gènes candidats sont exprimés dans la panse de l’intestin ou dans
le reste du corps des individus.
L’accomplissement de ces expériences permettra : (i) de déterminer l’efficacité de transmission des
symbiotes entre générations, et (ii) d’identifier des gènes de l’hôte (immunité ?) potentiellement
impliqués dans la régulation de la communauté microbienne. Ce travail de thèse constitue ainsi une
première étape indispensable pour développer l’analyse fonctionnelle des gènes candidats. Celle-ci
pourra être abordée par des approches RNAi, une technique qui a déjà été mise au point chez les
Reticulitermes (Zhou et al. 2006). Ce sujet de thèse est complémentaire au projet Xylobiotic (projet
région Centre, 2016-2017, porteur : F. Dedeine), lequel vise à évaluer le niveau de variation de
composition de la communauté microbienne dans les populations naturelles de R. grassei. Ensemble,
ces deux projets nous permettront de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans le maintien
évolutif des symbioses mutualistes chez les termites.
4. Résumé en anglais (abstract): Most of Eukaryote organisms harbor symbiotic microorganisms
that have beneficial effects for host survival and/or reproduction (Moran 2007). Although these
‘mutualistic symbioses’ are very common and often play a crucial role in the functioning of
ecosystems, their evolutionary origin and stability represent a central unresolved issue (Sachs et al.
2011). Natural selection minimizing costs and maximizing benefits, it will favor selfish symbiont
variants that invest less (or not at all) in the cooperation. How do mutualistic symbioses then maintain
in the course of evolution? Two main hypotheses have been proposed to explain the stability of
mutualistic symbioses (Sachs et al., 2011): (i) hosts would have acquired mechanisms allowing them
to efficiently transmit their symbionts through generations (‘fidelity of transmission’); (ii) hosts would
have acquired mechanisms allowing them to control the composition of their symbionts and eliminate
selfish microbial variants (‘host sanction’). Recent studies revealed that humoral and/or cellular
immune responses of insects are strongly impacted by the composition of the symbiotic community
harbored by host individuals (Schmitz et al. 2012 ; Dubreuil et al. 2014). These studies therefore
suggested that immune genes of the host might represent excellent factors to control symbiotic
microorganisms.
This PhD project aims to test the hypotheses of ‘fidelity of transmission’ and ‘host sanction’ in the
subterranean termite Reticulitermes grassei (Rhinotermitidae). Termites are wood-feeding social
insects that depend of gut microorganisms to degrade lignocellulose (Brune 2014). Living the hindgut
(the ‘paunch’), these microorganisms constitute very diverse communities composed by numerous
prokaryotes (bacteria and archeae) and eukaryote protists. The lifecycle of Reticulitermes termites is
well described. During spring, winged individuals (the ‘alates’) differentiate within colonies from
nymphs. After differentiation, the alates leave their parental nest by swarming and then found new
colonies by monogamous couples. After founding, both parents transmit their symbionts via specific
behaviors (proctodeal trophallaxis) (Shimada et al., 2013). A study conducted in three Reticulitermes
species revealed that the alates only harbored 5% of the total number of protists present in the nymphs
(Lewis & Forschler 2006). The imaginal molt (between nymphs and alates) could reduce the diversity
of symbionts present in the alates and therefore lead to an incomplete transmission of the symbionts to
the next generation.
The first objective of this PhD project is to study the impact of the imaginal molt on the diversity of
symbionts in the alates. To do this, we will compare the diversity of symbionts in workers, nymphs
and alates collected in the same colonies of R. grassei. The exhaustive composition of the microbial
community will be analyzed by amplifying and sequencing rRNA 16S (for prokaryotes) and 18S (for
eukaryotes) regions through high throughput sequencing (metabarcoding approach).
The second objective of the PhD project is to identify host genes that are expressed differentially
during imaginal molt in relationship with the composition of the microbial community composition.
We will study the gene expression patterns (RNA-Seq approach) in nymphs in which the microbial
community will have been experimentally modified. A preliminary study allowed us to successfully
transfer symbionts between termite species. We will compare the expression level of genes in: (i)
nymphs in which we transferred the symbionts of another termite species, R. flavipes; (ii) nymphs in
which we transferred their own symbionts; and (iii) untreated nymphs (control). In parallel, we will
analyze the composition of the microbial communities of nymphs in these three conditions
(metabarcoding approach). Genes that will be differentially expressed among these conditions will
then be identified (immunity genes?). We currently dispose of 9 transcriptomes of R. grassei (Dedeine
et al. in press). The expression patterns of candidate genes will be then better characterized using real
time quantitative RT-PCR in nymphs and in alates. We also will determine whether these genes are
specifically expressed in the hindgut of the termites or elsewhere in the rest of the body.
These experiments will allow (i) to estimate the efficiency of symbionts transmission through
generations, and (ii) to identify host genes (immunity?) that are potentially involved in the regulation
of microbial community. This PhD work will constitute a required step to develop functional analysis
of candidate genes. This question could be address in the future by developing RNAi, which has
already been successfully conducted in Reticulitermes termites (Zhou et al., 2006). This PhD thesis is
complementary to ‘Xylobiotic’ project (Région Centre, 2016-2017, Principal Investigator: F. Dedeine),
which aims to study the variation of composition of microbial communities within and among natural
termite populations of R. grassei. Together, these two projects will allow us to better understand the
mechanisms involved in the evolutionary stability of mutualistic symbioses in termites.
Références / references
Brune A. 2014 Symbiotic digestion of lignocellulose in termite guts. Nat Rev Microbiol. 12 : 168-180.
Dedeine F., Weinert L., Bigot D., Josse T., Ballenghien M., Cahais V., Galtier N. and Gayral P.
Comparative analysis of transcriptomes from secondary reproductives of three Reticulitermes
termite species (in press, PlosOne).
Dubreuil G., Deleury E., Crochard D., Simon J.C. and Coustau C. 2014 Diversification of MIF
immune regulators in aphids: link with agonistic and antagonistic interactions. BMC Genomics
15.
Lewis J.L. Forschler B.T. 2006. A nondichotomous key to protist species identification of
Reticulitermes lucifugus (Blattodea, Termitoidae, Rhinotermitidae). Bulletin of Entomological
Research 103 : 734-741.
Moran N. A. 2007 Symbiosis as an adaptive process and source of phenotypic complexity. Proc Natl
Acad Sci U S A 104: 8627-8633.
Sachs J. L., Essenberg C. J. and Turcotte M. M. 2011 New paradigms for the evolution of beneficial
infections. Trends in Ecology & Evolution 26: 202-209.
Schmitz A., Anselme C., Ravallec M., Rebuf C., Simon J. C. Gatti J. L. and Poirié M. 2012 The
Cellular Immune Response of the Pea Aphid to Foreign Intrusion and Symbiotic Challenge.
Plos One 7. e42114.
Shimada K., Lo N., Kitade O., Wakui A. and Maekawa K. 2013 Cellulolytic Protist Numbers Rise and
Fall Dramatically in Termite Queens and Kings during Colony Foundation. Eukaryotic Cell
12: 545-550.
Zhou X. G., Oi F. M. and Scharf M. E. 2006 Social exploitation of hexamerin: RNAi reveals a major
caste-regulatory factor in termites. Proceedings of the National Academy of Sciences of the
United States of America 103: 4499-4504.
5. Thèses encadrées au cours des 4 dernières années
Franck Dedeine (encadrant) : aucune
Géraldine Dubreuil (co-encadrant) : aucune
6. Thèses en cours
Franck Dedeine (encadrant) : 1 thèse en cours en co-encadrement partiel (10% de l’encadrement)
Nom du doctorant : Guillaume BAUDOUIN
Encadrant responsable de la thèse : Anne-Geneviève BAGNERES
Date de début - date de soutenance : Janvier 2014 – Décembre 2017
Financement de la thèse : Convention CIFRE (ville de Paris et CNRS)
Publications de l’étudiant en 1er auteur : aucune
Géraldine Dubreuil (co-encadrant) : 1 thèse en cours
Nom du doctorant : Hui ZHANG
Encadrant responsable de la thèse : David GIRON
Date de début - date de soutenance : Mars 2014 – Février 2017
Financement de la thèse : Gouvernement chinois
Publications de l’étudiant en 1er auteur : Zhang et al., Journal of Insect Physiology (in press)
7. Cinq publications principales ou brevets au cours des 4 dernières années :
Franck Dedeine (encadrant) :
Dedeine F. Dupont S, Guyot S, Matsuura K, Wang C, Habibpour B, Bagnères AG, Mantovani B &
Luchetti A. (in press). Historical biogeography of Reticulitermes termites (Isoptera :
Rhinotermitidae) inferred from combined analyses of mitochondrial and nuclear loci. Sous presse
dans Molecular Phylogenetics and Evolution. (IF=3.916)
Gutzwiller F, Dedeine F, Kaiser W, Giron D & Lopez-Vaamonde C (2015) Correlation between the
green-island phenotype and Wolbachia infections during the evolutionary diversification of
Gracillariidae leaf-mining moths. Ecology & Evolution (doi : 10.1002/ece3.1580). (IF=2.32)
Perdereau E, Bagnères A-G, Vargo EL, Baudouin G, Xu Y, Labadie P, Dupont S & Dedeine F (2015).
Relationships between invasion success and colony breeding structure in a subterranean termite.
Molecular Ecology 24(9): 2125-42. (IF=6.494)
Perdereau E., Bagneres A.-G., Bankhead-Dronnet S., Dupont S., Zimmermann M., Vargo E. L. &
Dedeine F. (2013). Global genetic analysis reveals the putative native source of the invasive
termite, Reticulitermes flavipes, in France. Molecular Ecology, 22 : 1105-1119. (IF=6.494)
Luchetti A.*, Dedeine F.*, Velona A. & Mantovani B. (2013). Extreme genetic mixing within colonies
of the wood-dwelling termite Kalotermes flavicollis (Isoptera, Kalotermitidae). Molecular Ecology,
22 : 3391-3402. (*: first co-authors). (IF=6.494)
Géraldine Dubreuil (co-encadrant) :
Zhang H., Dugé de Bernonville T., Body M., Glevarec G., Reichelt M., Unsicker S., Bruneau M.,
Renou J-P., Huguet E., Dubreuil G. & Giron D. (2015). Leaf-mining by Phyllonorycter
blancardella reprograms the host-leaf transcriptome to modulate phytohormones associated with
nutrient mobilization and plant defense. Article sous presse dans Journal of Insect Physiology doi:
10.1016/j.jinsphys.2015.06.003 (IF=2.470)
Sugio A., Dubreuil G., Giron D. & Simon J-C. (2014). Plant-insect interactions under bacterial
influence: ecological implications and underlying mechanisms. Journal of Experimental
Botany 66:467-478 doi: 10.1093/jxb/eru435 (IF=5.526)
Dubreuil G., Deleury E., Crochard D., Simon J.C. and Coustau C. (2014). Diversification of MIF
immune regulators in aphids: link with agonistic and antagonistic interactions. BMC Genomics 15.
(IF=3.99)
Baron O.L., Reichhart J.M., van West P., Industri B., Ponchet M., Dubreuil G., Gourbal B. and
Coustau C. (2013). Parental transfer of the antimicrobial protein lbp/bpi protects Biomphalaria
glabrata eggs against oomycete infections. PLoS Pathogens 9(12): e1003792.
doi:10.1371/journal.ppat.1003792
Deleury E*, Dubreuil G*, Elangovan N, Wajnberg E, Reichhart J-M, Gourbal B., Duval D., Baron
O.L., Gouzy J. & Coustau C. (2012). Specific versus non-specific immune responses in an
invertebrate species evidenced by a comparative de novo sequencing study. PLoS ONE 7(3):
e32512. doi:10.1371/journal.pone.003251 * These authors contributed equally to this work
8. Principaux contrats de recherche obtenus au cours des 4 dernières années :
Franck Dedeine (encadrant) :
- Coordinateur du projet EVOSYMTER (2009-2012), projet ANR Jeune Chercheur (08-JCJC007601). Thématique : « Evolutionary dynamics of intestinal symbiotic communities in wood-feeding
termites ». Financement de 200 k€ sur 4 ans.
- Coordinateur du projet XYLOBIOTIC (2016-2017), projet Région Centre - initiative académique.
Thématique : « Ecologie des communautés microbiennes symbiotiques dans les populations invasives
d’insectes xylophages ». Financement de 150 k€ sur 2 ans.
Géraldine Dubreuil (co-encadrant) :
- Participante au projet XYLOBIOTIC (2016-2017), projet Région Centre - initiative académique.
Thématique : « Ecologie des communautés microbiennes symbiotiques dans les populations invasives
d’insectes xylophages ». Financement de 150 k€ sur 2 ans.
9. Autres thèses en cours au sein de l’équipe :
Nombre d’HDR dans
l’équipe
(janvier
2016)
3
Détail des étudiants
Nom étudiant
en thèse dans l’équipe
(Nom des encadrants
et calendrier de ces
thèses)
Lou BROSSETTE
Guillaume
BAUDOUIN
Dates : début
et fin de thèse
01/09/13 –
01/09/16
01/01/14 –
31/12/17
Nom de l’encadrant (en
gras) et éventuel coencadrant (entre
parenthèses)
Financement de
la thèse
Anne-Geneviève
MESR
BAGNERES (Christophe
Ecole Doctorale
LUCAS à 50%)
Anne-Geneviève
BAGNERES (Franck
DEDEINE à 10%)
Bourse CIFRE
10. Remarques éventuelles à signaler :
La thèse proposée sera réalisée au sein de l’IRBI, dans les équipes ECEIS (Franck DEDEINE) et
ESMB (Géraldine DUBREUIL). Les équipes possèdent l’équipement, l’expérience et les compétences
requises pour encadrer l’étudiant(e) dans les meilleures conditions sur le sujet de thèse proposé.
Le travail de l’étudiant(e) sera inclus dans le projet XYLOBIOTIC (Projet Région initiative
académique, financé dès janvier 2016 et jusqu’à décembre 2017). Le budget alloué à ce projet
permettra de financer les travaux de thèse.
L’encadrement sera effectué par Franck Dedeine (HDR) et Géraldine Dubreuil (non-HDR). Les
compétences et expertises complémentaires de ces deux enseignants-chercheurs seront
particulièrement bénéfiques pour le succès du projet. Franck Dedeine étudie depuis 15 ans l’évolution
des associations symbiotiques chez les insectes. Son centre d’intérêt principal de recherche vise à
mieux comprendre les facteurs et mécanismes à l’origine, la stabilité et la transformation de la
coopération, que celle-ci prenne place dans les sociétés d’insectes ou dans les symbioses mutualistes
insectes-microorganismes. Géraldine Dubreuil mène des recherches sur les interactions hôte-parasite
et étudie plus particulièrement les parasites (nématodes, insectes) de plantes. Elle aborde les questions
relatives aux « dialogues moléculaires » entre hôtes et parasites par plusieurs approches
(transcriptomiques, expression géniques, analyses fonctionnelles…).