Soutenance de thèse de FELANA ANDRIANJAKARIVONY

Ecole Doctorale
Sciences de la Vie et de la Santé
Spécialité
Biologie-Santé - Spécialité Maladies Infectieuses
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
virome,écosystèmes aquatiques,pathogène,indicateur de pollution fécale,métagénomique,anthropisé
Keywords
virome,aquatic ecosystems,pathogen,faecal pollution indicator,metagenomic,anthropized
Titre de thèse
Caractérisation du virome d’un écosystème aquatique fortement anthropisé : la Lagune Ebrié en Côte d’Ivoire
Virome characterization of a highly anthropized aquatic ecosystem: the Ebrié Lagoon in Ivory Coast
Date
Vendredi 16 Décembre 2022 à 9:00
Adresse
MIO -Mediterranean Institute of Oceanography (Institut Méditerranéen d’Océanologie) Campus Technologique et Scientifique de Luminy 163 avenue de Luminy - Bâtiment Méditerranée 13288 MARSEILLE cedex 09
Amphithéâtre OCEANOMED MIO
Jury
CoDirecteur de these M. Yvan BETTAREL MARine Biodiversity, Exploitation and Conservation (MARBEC)
Rapporteur Mme Claire GESLIN Laboratoire de Microbiologie des Environnements Extrêmes
Rapporteur Mme Soizick LE GUYADER Laboratoire Sante Environnement Microbiologie
Examinateur M. François ENAULT Laboratoire Microorganismes : Génome Environnement
Examinateur M. Sébastien HALARY Muséum national d'Histoire naturelle
Examinateur Mme Sheree YAU Biologie intégrative des organismes marins (BIOM)
Examinateur Mme Valérie MICHOTEY Institut Méditerranéen d'Océanologie (MIO)
Directeur de these M. Jean Louis MEGE IHU Méditerranée Infection et Laboratoire d'immunologie - hôpital de la Timone

Résumé de la thèse

Les connaissances sur la diversité et la composition des communautés virales dans les milieux aquatiques ont considérablement progressé ces dernières années, notamment grâce à l'avènement des approches « omics ». Néanmoins, le coût et les difficultés analytiques liés au traitement des séquences virales font que le nombre d’études sur les viromes aquatiques reste relativement limité, avec des bases de données encore peu fournies. Par exemple, certains écosystèmes n'ont été que rarement étudiés, notamment en milieu tropical. Ceci est également le cas de sites soumis à des niveaux élevés de pollution, où l'étude des virus est pourtant fondamentale d'un point de vue sanitaire. Dans cette thèse, nous avons choisi d’étudier la composante virale dans un site lagunaire complexe, exposé aux rejets domestiques, agricoles et industriels d’une population de près de 6 millions d’habitants : la Lagune Ebrié bordée par la ville d’Abidjan, en Côte d’Ivoire. Les objectifs de cette thèse visaient à (1) caractériser les communautés virales benthiques et planctoniques dans 7 sites de cette lagune présentant des niveaux d'eutrophisation contrastés, en distinguant les viromes ADN et ARN, (2) évaluer si la composition des viromes dépend du niveau d’eutrophisation des eaux, (3) identifier les taxons viraux pathogènes et ceux susceptibles d’être utilisés comme indicateurs de la pollution fécale humaine, et (4) examiner les principales stratégies de reproduction (lytique et lysogénique) des virus. Pour cela, nous avons utilisé une approche métagénomique de type shotgun combinée à des analyses bio-informatiques basées sur une assignation taxonomique des virus via la banque de données de séquences non-redondantes, ainsi que sur une méthode exploitant les k-mers. Parmi les résultats les plus marquants, nous avons montré que la composition des viromes ADN était spécifique à chaque compartiment (plancton/benthos), avec une prédominance de séquences associées aux bactériophages appartenant au groupe des virus ADN double-brin (Siphoviridae, Myoviridae et Podoviridae) dans la colonne d’eau, et simple-brin (Microviridae) dans le sédiment. A l’inverse, la composition des viromes ARN était davantage influencée par le niveau d’eutrophisation du milieu que par le compartiment. Ceux-ci présentaient des séquences associées aux pathogènes humains d'origine fécale, comme le coxsackievirus B3, le picobirnavirus humain et le bastrovirus. Ces séquences ont été identifiées dans les stations les plus eutrophes de la lagune. Plusieurs séquences associées aux indicateurs de pollution fécale humaine, tels que le tobacco mosaic virus, pepper mild mottle virus, smacovirus et pecovirus, ont également été identifiées. L’étude des interactions entre les virus et leurs hôtes bactériens, a permis de montrer que cette lagune tropicale était plus propice aux stratégies lytiques de reproduction virale dans les stations les plus eutrophes, tandis que la lysogénie était davantage favorisée dans les stations les plus oligotrophes. Parmi les nutriments, l'ammonium est apparu comme décisif pour expliquer les modalités d’infection des virus dans cet écosystème particulier. Enfin, en utilisant une approche basée sur la prédiction théorique des hôtes bactériens via le Prokaryotic-virus-Host-Predictor, nous avons pu montrer la fiabilité de cet outil computationnel générant des profils taxonomiques des hôtes bactériens comparables à ceux obtenus par l’approche classique basée sur le métabarcoding ciblant le gène ARN 16S. Ce travail de thèse a donc permis d’apporter un jeu de données unique mais aussi de nouvelles connaissances fondamentales sur la composition du virome de sites aquatiques soumis à de forts niveaux de pollution. Il démontre également le potentiel gigantesque de la métagénomique pour la détection de virus, notamment pathogènes et d'indicateurs de pollution fécale, et qui pourraient constituer un outil prometteur pour évaluer le statut de contamination des écosystèmes aquatiques.

Thesis resume

Knowledge of the diversity and composition of viral communities in aquatic environments has improved considerably in recent years, particularly with the advent of “omics” approaches. Nevertheless, the cost and analytical difficulties associated with processing viral sequences mean that studies on aquatic viruses are relatively scarce, and the databases remain poorly populated. The viromes in certain ecosystems have rarely been studied, particularly in tropical environments. This is also the case for sites subject to high levels of pollution, despite the fact that an understanding of the viruses in these contexts is crucial from a health point of view. This thesis sought to begin to address this gap through an investigation of the viral community in a tropical lagoon exposed to domestic, agricultural and industrial discharge from a nearby population of nearly 6 million inhabitants: the Ébrié Lagoon bordering the city of Abidjan in the Ivory Coast. The objectives of this study were (1) to identify the benthic and planktonic viral communities in seven sites in the lagoon with contrasting levels of eutrophication, distinguishing between DNA and RNA viromes, (2) to assess whether the composition of the viral community depends on the level of eutrophication of the water, (3) to identify pathogenic viral taxa and those that could be used as indicators of human faecal pollution, and (4) to examine the main reproductive strategies (lytic and lysogenic) of viruses. To this end, we used shotgun metagenomic sequencing combined with bioinformatics analysis and made the taxonomic assignment of viruses using the non-redundant sequence database, as well as a method exploiting k-mers. The key findings showed that the composition of DNA viromes was specific to each compartment (plankton/benthos), with a predominance of sequences associated with bacteriophages belonging to the group of double-stranded DNA viruses (Siphoviridae, Myoviridae and Podoviridae) in the water column, and single-stranded DNA viruses (Microviridae) in the sediment. Conversely, the composition of RNA viromes was more influenced by the level of eutrophication than by the compartment. The RNA viromes of the most eutrophicated sites in the lagoon contained sequences associated with human pathogens of faecal origin, such as coxsackievirus B3, human picobirnavirus and bastrovirus. Several sequences associated with indicators of human faecal pollution (known and putative), such as tobacco mosaic virus, pepper mild mottle virus, smacovirus and pecovirus, were also identified. Unsurprisingly, the study of interactions between the viruses and their bacterial hosts showed that the most eutrophic sites in this tropical lagoon were more conducive to lytic viral reproductive strategies, while lysogeny was more common in the most oligotrophic sites. Among the nutrients, ammonium appeared to be decisive in explaining how viruses infect hosts in this particular ecosystem. Lastly, the results of an approach based on the theoretical prediction of bacterial hosts via the Prokaryotic virus Host Predictor indicated the reliability of this computational tool in generating taxonomic profiles of bacterial hosts comparable to those obtained by the classical approach based on metabarcoding targeting the 16S rRNA gene. This study provided not only a unique dataset, but new fundamental knowledge on the composition of the virome of aquatic sites subjected to high levels of pollution. The findings demonstrate the enormous potential of metagenomic for the detection of viruses, in particular pathogens and faecal pollution indicators, which could be a promising tool for the critical task of assessing the contamination status of aquatic ecosystems.