Keynote 

Jean-Luc Chotte est chercheur à l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD). Au début de sa carrière, il s’est intéressé au fonctionnement biologique des sols pour comprendre les mécanismes qui régissent les cycles du carbone et de l’azote. La lutte contre la dégradation des terres, assurer la sécurité alimentaire et nutritionnelle, participer aux solutions portées par les sols cultivés dans la lutte contre les changements climatiques sont les cibles de ses recherches.

Il a dirigé plusieurs unités de recherche, il a été (2015-2019) membre expert scientifique de l’interface Science Politique de la Convention des Nations Unies de lutte contre la désertification. Il est le référent scientifique de l’IRD dans l’initiative 4P1000 et membre correspondant de l’Académie d’Agriculture de France. Il est Président du Comité Scientifique Français de la Désertification depuis juillet 2020.

Amplifier la fonction puits de carbone des sols:  le rôle des microorganismes

Efficience d’utilisation du carbone : un indice pertinent pour caractériser ce rôle de la cellule à l’écosystème ?

Le sol héberge une grande diversité de microorganismes qui déterminent une large variété de fonctions et services rendus par le sol aux écosystèmes. Le stock de matière organique des sols est le principal réservoir de carbone organique des écosystèmes terrestres. L’initiative 4P1000 « des sols pour la sécurité alimentaire et le climat (https://www.4p1000.org)» appelle la communauté internationale à proposer des solutions basées sur des faits scientifiques permettant d’accroitre ce stock. Amplifier la fonction « puits » de carbone des sols est un complément essentiel à la nécessaire réduction des émissions de gaz à effet de serre (notamment CO2). Maintenir les stocks de carbone organique, les augmenter participent à l’atténuation, et l’adaptation au changement climatique, et la lutte contre la dégradation des terres. La communauté scientifique internationale et française ont déployé depuis de nombreuses années une expertise scientifique reconnue, notamment pour documenter le rôle des microorganismes dans cette fonction « puits ».

Il s’agira à l’issue de cette présentation d’engager une discussion sur la pertinence d’utiliser l’indice  « efficience d’utilisation du carbone » (en anglais CUE « carbon use efficiency ») pour caractériser le rôle des microorganismes du sol et ainsi permettre de mieux décrire les différents réseaux d’interactions biotiques et abiotiques qui impactent cet indice, à l’échelle du microorganisme à celle de l’écosystème. Ce débat sera introduit par quelques résultats illustrant les effets de ces interactions sur cet indice.

Nicolas Tromas is currently working as an associate research fellow in Jesse Shapiro’s lab (Université de Montréal and McGill University). Over the last six years, he has investigated how natural microbial populations respond to different selective pressures in freshwater systems, combining  fieldwork, ‘omics analysis, in vitro experiments and machine learning, with a focus on cyanobacteria. Much of this research was supported by

a Marie Skłodowska Curie fellowship (2015-2018). One of his objectives is to improve prediction of specific microbial community states (e.g blooms) using biotic factors, which they have shown to be more informative that abiotic factors in predicting cyanobacterial blooms (Tromas et al., ISMEJ 2017; Frontiers in Microbiology, 2018). Investigating microbial interactions (e.g cyanobacteria microbiome association and bacteria-phage infection network) and how environmental factors affect these interactions are essential in understanding microbial dynamics and niche colonization (Perez and Tromas, 2021, Microbiome).

EXPERTISES : Microbial genomics (amplicon sequencing, metagenomic, metatranscriptomic), Microbial ecology, cyanobacterial ecology&evolution, reverse-ecology, bloom&toxicity prediction (machine learning), experimental evolution.

Single-colony sequencing reveals microbe-by-microbiome phylosymbiosis

Cyanobacteria from the genus Microcystis can form large mucilaginous colonies with attached heterotrophic bacteria – their microbiome. However, the nature of the relationship between Microcystis and its microbiome remains unclear. Is it a long-term, evolutionarily stable association? Which partners benefit? Here we report the genomic diversity of 109 individual Microcystis colonies – including cyanobacteria and associated bacterial genomes – isolated in situ and without culture from Lake Champlain, Canada and Pampulha Reservoir, Brazil. We found 14 distinct Microcystis genotypes from Canada, of which only two have been previously reported, and four genotypes specific to Brazil. Microcystis genetic diversity was much greater between than within colonies, consistent with colony growth by clonal expansion rather than aggregation of Microcystis cells. We also identified 72 bacterial species in the microbiome. Each Microcystis genotype had a distinct microbiome composition, and more closely-related genotypes had more similar microbiomes. This pattern of phylosymbiosis could be explained by co-phylogeny in only two out of the nine most prevalent associated bacterial genera, Roseomonas and Rhodobacter. These phylogenetically associated genera could enrich the metabolic repertoire of Microcystis, for example by encoding the biosynthesis of complementary carotenoid molecules. In contrast, other colony-associated bacteria showed weaker signals of co-phylogeny, but stronger evidence of horizontal gene transfer with Microcystis. These observations suggest that acquired genes are more likely to be retained in both partners (Microcystis and members of its microbiome) when they are loosely associated, whereas one gene copy is sufficient when the association is physically tight and evolutionarily long-lasting.

Céline Brochier Armanet  is Professor at the Claude Bernard Lyon I University in the Laboratory of Biometry and Evolutionary Biology. Her research aims at deciphering the major evolutionary events at the origin of the three Domains of Life (Archaea, Bacteria and Eucarya). She is developing phylogenomic approaches to elucidate the relationships among the main microbial lineages and reconstruct the evolutionary history of cellular systems and processes at the origin of the present-day biodiversity. She has a strong expertise in molecular phylogenetics, comparative genomics, and evolutionary microbiology.

Molecular Determinants of Proteome Thermoadaptation

Michel Lecocq1 Mathieu Groussin2 Manolo Gouy1 and Céline Brochier-Armanet1

Previous studies have shown that environmental temperature has a significant impact on protein evolution in prokaryotes. For example, phylogenetic studies have indicated that hyperthermophilic and thermophilic prokaryotes have shorter branches than their mesophilic relatives, most likely due to slower rates of evolution. On the other hand, they display high rates of gene acquisition by horizontal transfer. Proteome comparisons also revealed positive correlations between optimal growth temperature and amino acid frequencies. However, it is not known whether thermoadaptation occurs primarily through sequential accumulation of substitutions, massive horizontal gene transfers, or both. The actual contribution of amino acid substitution to thermoadaptation is difficult to measure because of confounding environmental and genetic factors (e.g., pH, salinity, genomic G+C content) that also affect proteome evolution. Furthermore, the underlying mechanisms remain to be deciphered.

In a recent study, we reveal that Methanococcales, a major archaeal lineage, is a unic model to study the molecular mechanisms associated with thermoadaptation. Indeed, we show that in this lineage, the optimal growth temperature is the main factor affecting amino acid frequency variations. Combining phylogenomic and ancestral sequence reconstruction approaches, we reveal a sequential substitution pattern in which lysine plays a central role by fine-tuning the pool of arginine, serine, threonine, glutamine and asparagine, whose frequencies are strongly correlated with the optimal growth temperature. Finally, we show that colonization of new thermal niches is not associated with high amounts of horizontal gene transfer. Overall, although the acquisition of a few key proteins by horizontal gene transfer may have promoted thermoadaptation in Methanococcales, our results support that sequential amino acid substitutions are the primary driver of thermoadaptation.

Lionel Moulin est directeur de recherche à l’IRD, dans l’unité PHIM (Institut de santé des plantes de Montpellier) où il dirige une équipe de recherche sur les interactions plantes-bactéries (équipe BRIO, pour Bacteria-Rice Interactions & BiOcontrol). Ecologiste microbien des plantes, il développe des recherches sur les frontières génétiques entre mutualisme et pathogénicité chez les bactéries interagissant avec les céréales (blé, riz), et la réponse des plantes à divers types de micro-organismes (physiologie, transcriptomique, protéomique). Il travaille également sur le microbiome des céréales (amplicons & approches cultivables) dans le but d’identifier des biostimulants des plantes et des agents de biocontrôle des phytopathogènes.

Variations du microbiome racinaire et santé végétale: état des connaissances chez le riz

Les plantes interagissent en permanence avec une myriade de micro-organismes au niveau foliaire et racinaire, dont la nature et l’abondance influent sur la tolérance de la plante aux stress biotiques et biotiques. Nous avons conduit plusieurs études sur la diversité du microbiote racinaires du riz dans différents contextes géographiques et culturaux (conventionnel et agroécologiques) en Asie du sud-est et en Afrique de l’ouest, afin d’identifier i) les facteurs majeurs structurant cette diversité et ii) les liens entre microbiote, pratiques culturales, présence des organismes phytopathogènes et apparition de la maladie, notamment vis-à-vis de nématodes phytoparasites des racines. Dans cette présentation je présenterais l’état des connaissances sur le microbiome du riz et les résultats de nos travaux visant à caractériser le lien entre microbiome, pratiques culturales et santé végétale.

Enseignant-chercheur (Maître de conférences) à l’Université Clermont Auvergne.

Membre du Laboratoire Micro-organismes Génome et Environnement (LMGE) UMR CNRS 6023.

Responsable de l’équipe « Epidémiologie et Physiopathologie des Infections à Entérovirus » (EPIE).

Thématiques principales de recherche : l’épidémiologie moléculaire et l’évolution génétique des populations d’entérovirus à partir de l’étude des infections diagnostiquées à l’hôpital ; le développement de modèles de culture cellulaire 2D/3D pour étudier les entérovirus neurotropes ; la surveillance des virus entériques et du SARS-CoV-2 dans les eaux usées résiduaires collectées dans les stations d’épuration par détection moléculaire et séquençage.

Surveiller la circulation et l’émergence des agents pathogènes par l’analyse des eaux usées

En parallèle des changements qui affectent le climat terrestre, se produisent d’autres changements qui impactent l’équilibre des communautés microbiennes et les relations hôtes-pathogènes et dont les effets sont désormais perceptibles sur la santé animale et humaine. La diffusion épidémique d’agents pathogènes émergents et celle de bactéries porteuses gènes de résistance aux antibiotiques sont parmi les plus préoccupants. Le constat est partagé au plus haut niveau des organisations internationales (OMS, OIE, programme environnement de l’ONU…) mais les actions entreprises à une échelle mondiale sont encore trop limitées. L’expérience des épidémies récentes (maladie Ebola, SRAS, COVID-19…) montre que la surveillance épidémiologique restreinte aux seuls cas cliniques est insuffisante. Prendre en compte l’interface homme-animal-écosystème dans l’émergence et la circulation des agents pathogènes est indispensable pour compléter la surveillance sanitaire tout en limitant les coûts. Face à ces questions de santé globale, l’analyse des eaux usées est de plus en plus considérée comme moyen de réaliser une surveillance sanitaire élargie. Cette approche déjà utilisée pour la surveillance des foyers de poliomyélite et mise en lumière pendant la pandémie de COVID-19, postule que la diffusion d’une maladie (et par extension des résistances aux antimicrobiens) peut être surveillée globalement et en temps réel par l’analyse des eaux usées résiduaires issues d’une population définie par le bassin versant associé à une station d’épuration. L’approche n’est donc pas nouvelle mais son potentiel reste largement sous-estimé en tant que moyen complémentaire aux autres systèmes de surveillance épidémiologique et d’alerte précoce face aux épidémies. Dans un premier temps, je présenterai les origines de la surveillance basée sur les eaux usées, puis j’illustrerai son essor grâce au couplage à la métagénomique. Ensuite, je présenterai les applications à la surveillance des maladies virales (gastroentérites, hépatites entériques, infections à entérovirus, COVID-19) et des résistances aux antibiotiques de première ligne ou de dernier recours.

Alain Bergel est directeur de recherche CNRS au Laboratoire de Génie Chimique (Toulouse) depuis de (trop) nombreuses années. Ses activités de recherche en génie électrochimique ont évolué vers l’intégration de plus en plus étroite de processus biologiques. Commençant ses travaux par la conception de capteurs puis de réacteurs de synthèse qui associaient électrochimie et catalyse enzymatique, il a ensuite pénétré le domaine de l’électrochimie microbienne en étudiant les processus de corrosion microbienne. Dès le début des années 2000, il entreprit l’étude des technologies électro-microbiennes et il tente maintenant d’aborder l’électrochimie des cellules animales et humaines.

Electrochimie microbienne : ce que l’on sait des mécanismes, ce que l’on espère des applications

Un nombre croissant de micro-organismes s’avère posséder la capacité de connecter leur métabolisme à une électrode. Certes, il est connu depuis longtemps que certaines bactéries peuvent utiliser des particules d’oxydes métalliques comme accepteur final d’électrons, mais les caractères exoélectrogène (utiliser une électrode comme puits d’électrons) et électrotrophe (utiliser une électrode comme source d’électrons) n’ont été identifiés que depuis une vingtaine d’années (Kim et al., 1999; Tender et al., 2002; Bond et al., 2002).

La présentation rappellera les différents mécanismes qui permettent de réaliser les transferts d’électrons entre cellules bactériennes et électrodes. Les transferts directs d’électrons peuvent avoir lieu grâce au contact entre électrode et cellule ou via des pili conducteurs. Les transferts indirects mettent en œuvre des médiateurs redox qui sont produits par les cellules. Le cas des levures sera également évoqué (Hubenova and Mitov, 2015) ainsi que les bactéries filamenteuses, susceptibles de transférer des électrons sur des distances de l’ordre du centimètre (Pfeffer et al., 2012). Quelques exemples illustreront la très grande diversité des niches écologiques dans lesquelles se développent des micro-organismes électroactifs (Chabert et al., 2015; Dopson et al., 2016).

Enfin, les applications biotechnologiques que l’électrochimie microbienne pourrait ouvrir seront décrites (Wang and Ren, 2013) en s’appuyant sur les deux procédés majeurs : piles à combustible microbiennes et électrolyseurs microbiens. Les premiers permettent de transformer en énergie électrique l’énergie chimique contenue dans toute sorte de déchets (Santoro et al., 2017). Les seconds devraient assurer la production d’hydrogène à des coûts bien moindres que l’électrolyse de l’eau, voire permettre la valorisation du dioxyde de carbone en le réduisant en composés d’intérêt. On s’attachera à analyser les verrous essentiels qui limitent le déploiement à grande échelle de ces procédés (Blanchet et al., 2015; Oliot et al., 2016; Rousseau et al., 2020).