Étude de l’évolution du potentiel génétique de populations bactériennes dégradant l’atrazine - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2011

Étude de l’évolution du potentiel génétique de populations bactériennes dégradant l’atrazine

Frédérique Changey

Résumé

L’atrazine, un des herbicides les plus utilisés pour contrôler le développement des plantes adventices dans les cultures, a conduit à la contamination de l’environnement. L’exposition chronique à cet herbicide a conduit à l’émergence de populations microbiennes du sol capables de dégrader l’atrazine et de l’utiliser comme une source d’azote pour leur croissance. Ces populations microbiennes sont responsables de la biodégradation accélérée (BDA) de l’atrazine, un service écosystémique contribuant à diminuer la persistance de cet herbicide dans l’environnement. L’objectif de ce travail était d’étudier les mécanismes génétiques et physiologiques responsables du fonctionnement et de l’amélioration de ce service écosystémique. Nous avons appliqué une démarche expérimentale allant des gènes codant de dégradation à des communautés microbiennes afin de d’identifier les processus adaptatifs impliqués dans l’évolution de la fonction de BDA de l’atrazine. Le premier volet a consisté à évaluer l’importance de mutations accumulées dans le gène atzA dans la transformation de l’atrazine en hydroxyatrazine catalysée par AtzA. Le séquençage de gènes atzA de différents isolats bactériens dégradant l’atrazine (Pseudomonas sp. ADP WT, Pseudomonas sp. ADP Ps et différents Chelatobacter heintzii) a montré que la séquence du gène atzA était très conservée. Toutefois quatre mutations non silencieuses ont pu être identifiées (1 chez Pseudomonas sp. ADP MSE. L’atrazine, un des herbicides les plus utilisés pour contrôler le développement des plantes adventices dans les cultures, a conduit à la contamination de l’environnement. L’exposition chronique à cet herbicide a conduit à l’émergence de populations microbiennes du sol capables de dégrader l’atrazine et de l’utiliser comme une source d’azote pour leur croissance. Ces populations microbiennes sont responsables de la biodégradation accélérée (BDA) de l’atrazine, un service écosystémique contribuant à diminuer la persistance de cet herbicide dans l’environnement. L’objectif de ce travail était d’étudier les mécanismes génétiques et physiologiques responsables du fonctionnement et de l’amélioration de ce service écosystémique. Nous avons appliqué une démarche expérimentale allant des gènes codant de dégradation à des communautés microbiennes afin de d’identifier les processus adaptatifs impliqués dans l’évolution de la fonction de BDA de l’atrazine. Le premier volet a consisté à évaluer l’importance de mutations accumulées dans le gène atzA dans la transformation de lSE et 3 chez Chelatobacter heintzii). La modélisation de la structure de la protéine AtzA a permis de montrer que trois des mutations étaient situées dans des régions importantes (site actif, poche de liaison avec l’atrazine et liaison avec le métal Fe2+). Afin de caractériser l’importance de ces mutations, l’activité de dégradation des différentes isoformes d’AtzA et de protéines obtenues par une approche de mutagénèse dirigée a été mesurée. Ces études montrent que la mutation observée chez Pseudomonas sp. ADP Ps diminue l’activité de dégradation d’AtzA par rapport à celle de Pseudomonas sp. ADP WT tandis que les mutations observées chez C. heintzii diminuent l’activité de dégradation de l’atrazine mais favorise celle de dégradation de la simazine. La fixation de ces mutations pourrait être expliquée par le relâchement de la pression de sélection exercée sur atzA pour la population Pseudomonas sp. ADP Ps et par la sélection de populations capables d’accéder à deux s-triazines, respectivement. Le second volet a consisté à étudier la plasticité de la voie de biodégradation de l’atrazine dans deux conditions opposées : la première visait à évaluer la persistance de la capacité de dégradation en absence de pression de sélection et la seconde visait à évaluer l’évolution de la capacité de dégradation en présence d’une pression de sélection élevée. Pour conduire ces études, des manipulations d’évolution expérimentale sur Pseudomonas sp. ADP ont été menées. L’exposition à l’acide cyanurique, intermédiaire métabolique de l’atrazine, a conduit à la sélection d’une population nouvellement évoluée capable de croître plus rapidement dans un milieu de culture ne contenant que l’acide cyanurique comme source d’azote. Cette population est caractérisée par une délétion d’une région de 47 kb du plasmide ADP1 contenant les gènes atzABC. Les analyses conduites ont permis de conclure que le gain de compétitivité de la population évoluée résidait dans la perte du fardeau génétique représenté par la région de 47 kb, la capacité de dégradation de l’acide cyanurique restant inchangée.L’exposition à l’atrazine a conduit à la sélection d’une population nouvellement évoluée caractérisée par l’insertion du plasmide ADP1 en quasi-totalité sur le chromosome bactérien. Cet événement génétique ne contribue pas à améliorer ni la croissance ni la dégradation de l’atrazine. Le gain de compétitivité de la souche évoluée pourrait résider dans la stabilité de la transmission verticale de la fonction de biodégradation. Ces deux expériences montrent que la plasticité des génomes microbiens contribue à l’adaptabilité de la fonction de biodégradation de l’atrazine. Le troisième volet a consisté à développer un outil permettant d’évaluer à l’échelle d’une communauté microbienne synthétique l’évolution du potentiel génétique dégradant. Pour ce faire quatre souches dégradantes dont une, Arthrobacter sp. TES6, a été isolée au cours de cette étude, ont été choisies. Présentant des fonds génétiques et potentiels dégradants différents, elles ont été manipulées afin de leur conférer des résistances à des antibiotiques permettant de les sélectionner. Une expérience d’évolution a été initiée afin de valider l’outil. Les premières analyses montrent qu’il est fonctionnel et, qu’à terme, il devrait permettre d’étudier l’évolution du potentiel génétique dégradant d’un consortium placé dans différentes conditions environnementales. Ces travaux montrent que la fonction de biodégradation accélérée de l’atrazine est très versatile et qu’elle est en constante évolution. Il met en évidence que le principal facteur pilotant cette évolution est le niveau d’exposition des populations dégradantes au pesticide.
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Citer

Frédérique Changey. Étude de l’évolution du potentiel génétique de populations bactériennes dégradant l’atrazine. Sciences du Vivant [q-bio]. Université de Bourgogne, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02811401⟩
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