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A step closer to unveiling the environmental diversity of spores and lysis-resistant cells in Bacteria, Archaea and Fungi
Résumé La dormance et la production de structures résistantes spécialisées, comme par exemple les spores, les kystes, ou les sclérotes, sont des stratégies de survie utilisées par de nombreux organismes pour résister à des conditions environnementales qui ne sont pas idéales pour la croissance et la reproduction. Dans cette thèse de doctorat, nous nous concentrons sur la fraction dormante (c'est-à-dire les structures dormantes et résistantes spécialisées) produite par les bactéries, les champignons et les archées. Les cellules dormantes et résistantes spécialisées reposent dans l'environnement, et forment ce que l’on appelle une «banque de graines microbiennes». Cette banque de graines microbiennes est un réservoir de diversité phénotypique et génétique important qui est également connu pour influencer l'évolution des populations et des processus microbiens. Compte tenu de l'importance de la banque de graines microbiennes, il serait important de comprendre sa composition et sa dynamique. Cependant, jusqu'à présent, les méthodes utilisées pour évaluer la diversité microbienne environnementale ne sont pas en mesure de distinguer la fraction active de celle dormante, comprenant également les structures résistantes spécialisées. Ici, nous utilisons la résistance à la lyse comme proxy pour cibler la diversité des cellules résistantes spécialisées des bactéries, des champignons et des archées. Grâce à l'application de la «méthode d'enrichissement résistant à la lyse», nous montrons que la résistance à la lyse chez les bactéries est non seulement limitée à quelques taxons, mais également pas uniquement limitée au genres sporogènes bien décrits. D'autre part, la résistance à la lyse chez les champignons et les archées s'est avérée largement distribuée. Dans le cas des champignons, il fallait s'y attendre car la production de spores et autres structures résistantes fait partie intégrante du cycle de vie de la plupart des champignons. Dans le cas des archées, la large distribution de la résistance à la lyse pourrait être le résultat de la composition de la cellule qui pourrait les rendre plus résistantes à la lyse que les bactéries, mais il serait possible que les archées soient également capables d'entrer en dormance et de produire des structures ressemblant aux spores.
Ici, nous avons également évalué systématiquement la composition morphologique (microscopie optique et cryo-EM) et chimique (microspectroscopie Raman) de spores bactériennes modèles afin d’identifier un marqueur de spores universel. Ceci afin de développer une plateforme de tri de spores pour isoler les spores des échantillons environnementaux. A travers l'évaluation systématique des bactéries sporulantes modèles, la seule caractéristique commune à toutes les spores était l'élargissement de la paroi cellulaire par rapport à la cellule végétative. D'autre part, la paroi cellulaire de chaque type de spores différait par le nombre et la densité des couches des autres types de spores. La composition chimique de chaque type de spore était également unique; ainsi, aucun marqueur universel de spore n'a pu être identifié. Néanmoins, des marqueurs chimiques uniques ont été identifiés pour chaque type de spore qui pourraient être utilisés pour l'isolement des spores bactériennes spécifiques à partir d'échantillons environnementaux.
Pour conclure, bien que nous n'ayons pas été en mesure de développer une plateforme de tri universelle pour l'isolement des cellules résistantes dormantes et spécialisées, nous avons maintenant fait un pas de plus vers l’évaluation des banques de graines microbiennes.

Abstract
Dormancy and the production of specialized resistant structures (e.g., spores, cysts, sclerotia, etc.) are survival strategies used by many organisms to endure environmental conditions that are not ideal for growth and reproduction. In this doctoral dissertation we focus on the dormant fraction (i.e., dormant, and specialized resistant structures) produced by bacteria, fungi, and archaea. Dormant and specialized resistant cells rest in the environment, forming what it denominated, the microbial seedbank. The microbial seedbank is an important reservoir of phenotypical and genetical diversity which is also known to influence the evolution of populations and microbial processes. Given the importance of the microbial seedbank it would be important to understand its composition and dynamics. However, until now the methods used to assess the microbial environmental diversity, are not able to distinguish between the active and dormant fraction and specially specialized resistant structures that form part of the dormant fraction. Here we use lysis-resistance as a proxy to target the diversity of specialized resistant cells of bacteria, fungi, and archaea. Through the application of the “lysis-resistant enrichment method” we show that lysis-resistance in bacteria is limited to a few taxa, however not limited to the well described sporogenic genus. On the other hand, lysis-resistance in fungi and archaea was observed to be broadly distributes. In the case of fungi this was to be expected as the production of spores and other resistant structures are an integral part of most fungi’s life cycle. In the case of archaea, the broad distribution of lysis-resistance might be a result of the cell’s composition which might make them more resistance to lysis than bacteria, however it would be feasible that archaea are also able to enter dormancy and produce spore-like structures.
Here we also systematically evaluated the morphological (optical and cryo-EM microscopy) and chemical composition (Raman microspectroscopy) of model bacterial spores, in the search of a universal spore marker. This to develop a spore sorting platform to isolate spores from environmental samples. Though the systematic evaluation of the model sporulating bacteria, the only characteristic that was shared among all spores, was the enlargement of the cell wall compared to the vegetative cell. On the other hand, the cell wall of each spore type differed in the number and density of the layers from the other spore types. The chemical composition of each spore type was also unique; thus, no spore universal marker could be identified. Nonetheless, unique chemical markers were identified for each spore type that could be used for the isolation of bacterial spores from environmental samples.
To conclude, although we were not able to develop a universal sorting platform for the isolation of dormant and specialized resistant cells. We have now moved a step closer to be able to assess the microbial seedbank.
   
Mots-clés Bactéries ; Champignons ; Archées ; Banque de graines microbiennes ; dormance ; résistance à la lyse ; diversité ; spores ; endospore ; exopore ; myxospores ; kystes ; akinète ; Spectroscopie Raman ; Cryo-EM; Bacteria; Fungi; Archaea; Microbial seedbank; dormancy; lysis-resistance; diversity; spores; endospore; exospore; myxospore; cysts; akinete; Raman spectroscopy; Cryo-EM
   
Citation Corona Ramirez, A. (2022). A step closer to unveiling the environmental diversity of spores and lysis-resistant cells in Bacteria, Archaea and Fungi, Doctorat, Université de Neuchâtel, Neuchâtel.
   
Type Thèse (Anglais)
Année 2022
Departement academique Institut de biologie
Université Université de Neuchâtel (Neuchâtel)
Degré Doctorat