Role of heterotrophic marine protists in the oceanic carbon cycle using single-cell genomics

Abstract

Les eucaryotes unicellulaires (protistes), ont des rôles extrêmement importants dans les cycles biogéochimiques des océans. Tout d’abord, bien qu’en moyenne moins abondants que les cyanobactéries, les protistes photosynthétiques représentent une grande part de la production primaire nette. Étant relativement plus faciles à mettre en culture, les organismes photosynthétiques sont relativement plus étudiés et leurs génomes représentent une grande fraction des génomes de protistes marins disponibles dans les bases de données. En revanche, les organismes hétérotrophes demandent un travail beaucoup plus important pour la mise en culture et sont par conséquent beaucoup moins bien connus. De plus, la majorité des génomes de protistes hétérotrophes séquencés à ce jour concernent des organismes d’intérêt pour l’homme (parasites de plantes, organismes pathogènes), mais le choix de ces organismes comme modèles d’étude ne reflète pas leur intérêt écologique.L’objectif de cette thèse est d’étudier par une approche de génomique en cellule unique certains picoeucaryotes hétérotrophes, fortement abondants dans les océans ouverts et encore non cultivés à ce jour. Pour cela, un protocole de séquençage, d’assemblage et d’annotation de génome à partir de cellules uniques a été mis en place.Le génome de sept lignées de straménopiles a été partiellement reconstruit et annoté, permettant de confirmer de façon robuste la phylogénie des straménopiles obtenue par les marqueurs ribosomiques, mais surtout de formuler des hypothèses quant à leur spécialisation en termes de mobilité ou de mode trophique.En particulier, la comparaison des répertoires de gènes permettant la dégradation des carbohydrates indique des régimes alimentaires probablement différents chez les organismes étudiés.Par ailleurs, l’utilisation combinée de ces génomes et des séquences métagénomiques de l’expédition Tara Oceans a permis de décrire la distribution géographique de ces organismes ainsi que la distance génétique des populations à nos génomes de références. La corrélation de ces distributions avec les paramètres environnementaux mesurés aux points d’échantillonnages montrent que la température est un facteur clé de la distribution de ces micro-organismes. De plus, l’utilisation des données métatranscriptomiques de l’expédition nous a permis de distinguer différents profils d’expression – correspondant potentiellement à différents états physiologiques – chez la lignée la plus cosmopolite étudiée.En conclusion, cette thèse montre qu’il existe une forte diversité génomique à explorer chez les protistes marins hétérotrophes, permettant notamment d’émettre des hypothèses sur leurs modes trophiques. Elle démontre également l’intérêt de la génomique en cellule unique, en particulier sa complémentarité avec les approches métagénomiques et métatranscriptomiques pour la compréhension exhaustive des écosystèmes marins.Unicellular eukaryotes (protists) have important roles in the biogeochemical cycles of the ocean. First, although on average less abundant than cyanobacteria, photosynthetic protists account for a large proportion of net primary production. Since they are relatively easier to culture, photosynthetic organisms are relatively more studied and their genomes represent a large fraction of the genomes of marine protists available in databases. On the other hand, heterotrophic organisms require much more work for cultivation and are therefore much less well known. Moreover, the majority of genomes of heterotrophic protists sequenced to date concern organisms of interest to humans (plant pests, pathogenic organisms), but the choice of these organisms as study models does not reflect their ecological interest.The objective of this thesis is to study, using a single-cell genomic approach, several heterotrophic picoeucaryotes, that are highly abundant in the open oceans and have not yet been cultivated. For this purpose, a protocol for sequencing, assembling and annotation of genomes from single cells has been developed.The genomes of seven stramenopile lineages have been partially reconstructed and annotated, making it possible to confirm in a robust way the phylogeny of stramenopiles obtained by ribosomal markers, and, more important, to formulate hypotheses regarding their specialization in terms of mobility or trophic mode.Particularly, the comparison of gene repertoires of carbohydrate degradation indicates likely different food spectra in the organisms studied.In addition, the combined use of these genomes and metagenomic sequences from the Tara Oceans expedition made it possible to describe the geographical distribution of these organisms as well as the genetic distance between environmental populations and our reference genomes. The correlation of these distributions with the environmental parameters measured at the sampling points shows that temperature is a key factor in the distribution of these microorganisms. In addition, the use of metatranscriptomic data from the expedition allowed us to distinguish different expression profiles - potentially corresponding to different physiological states - in the most cosmopolitan lineage studied.In conclusion, this thesis shows that there is a strong genomic diversity to be explored in heterotrophic marine protists, allowing us to make hypotheses about their trophic modes. It also demonstrates the value of single-cell genomics, in particular its complementarity with metagenomic and metatranscriptomic approaches for the comprehensive understanding of marine ecosystems