[PDF] Biodiversité microbienne dans les milieux extrêmes salés du Nord

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Thèse présentée par

Taha MENASRIA

En v ue de l"obtention du diplôme de

Filière : S

ciences Biologiques

Spécialité : Microbiologie Appliquée

Biodiversité m

icrobienne dans les milieux e xtrêmes salés du Nord-Est Algérien

Devant le jury composé de :

Président : Dr. Kamel AISSAT (Professeur) Univ. de Batna 2

Directeur de thèse

Dr. Hocine HACÈNE (Professeur) Univ. d"Alger (USTHB)

Co-directeur de thèse : Dr. Abdelkrim S

I BACHIR (Professeur) Univ. de Batna 2

Examinateur : Dr. Yacine B

ENHIZIA (Professeur) Univ. de Constantine 1

Examinateur : Dr. Mahmoud K

ITOUNI (Professeur) Univ. de Constantine 1

Examinateur : Dr. Lotfi L

OUCIF (Maître de conférences ‘A") Univ. de Batna 2

Membre invité

Dr. Ammar A

YACHI (Professeur) Univ. de Batna 1

Année univ

ersitaire : 2019-2020 République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l"Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université Mustapha Ben Boulaid- Batna 2

Faculté des Sciences de la Nature et de la Vie

Département de Microbiologie et Biochimie

Réf : .................................

Remerciements

C"est un devoir d"exprimer mes remerciements et reconnaissances à travers cette thèse à tous ceux qui par leurs aides, encouragements et leurs conseils ont facilité, de près ou de loin, à l"élaboration et à la réalisation de ce modeste travail. Mes remerciements vont en premier ordre et particulièrement Dr. Hocine HACÈNE (Professeur à l"Université d"USTHB, Alger) pour le grand honneur qu"il m"a fait en acceptant de diriger ce travail, pour ses conseils et ses encouragements durant la réalisation de cette thèse. Je tiens particulièrement à le remercier de la liberté d"action qu"il m"a donnée le long de cette aventure. J"espère avoir été digne de la confiance qu"il m"ait accordé et que ce travail est finalement à

la hauteur de ses espérances. Dr. Abdelkrim SIBACHIR (Professeur à l"Université de Batna 2) pour ces

.encouragements et ces précieux conseils Ma gratitude et mes sincères remercîments vont également aux membres du jury qui ont consacré une part importante de leurs temps à la lecture et à l"évaluation de ce travail : Dr. Kamel AISSAT (Professeur à l"université de Batna 2) pour avoir accepté aimablement de présider le jury d"évaluation de cette thèse. Dr. Mahmoud KITOUNI (Professeur à l"Université de Constantine 1), Dr. Yacine BENHIZIA (Professeur à l"Université de Constantine

1), Dr. Lotfi LOUCIF (Maitre de

conférences à l"Université de Batna 2) pour m"avoir fait l"honneur d"examiner et de juger ce travail. Je remercie vivement Dr. Ammar AYACHI (Professeur à l"université de Batna 1) pour la confiance qu"il m"accordé en accueillant à son laboratoire, pour l"intérêt qu"il a manifesté envers ce travail, pour sa disponibilité, attention et dévouement. Ma gratitude va aussi à Dr. Mercedes MONTEOLIVA-SANCHEZ (Professeur à l"université de Granada, Espagne) et

Dr. Margarita

AGUILERA

(Professeur à l"Université de Granada, Espagne), pour les deux ans passés à Granada dans une ambiance de travail stimulante. Merci pour les échanges que nous avons eus tant au niveau professionnel que personnel. En deux ans, je n"ai certes enrichi mon vocabulaire espagnol que de trois mots (Hola, buenos dias et hasta luego) et ce n"est pas faute d"avoir essayé mais j"ai eu l"occasion d"étoffer mes connaissances sur plein d"autres aspects . Merci pour la liberté encadrée, pour l"écoute attentive de mes points de vue, votre patiences, compréhensions et aussi pour le long travail au laboratoire des Halophiles. À MV. MEGIAS SANCHEZ (Technicienne, Université de Granada) pour son aide, son assistance et suggestion. Pour m"avoir bien accueilli lors de mon séjour à Gr a nada et pour toutes les facilités accordées pour la finalisation de ce modeste travail. Un grand merci s"adresse aux ; Dr H CHENCHOUNI, Dr. L BENAMMAR, Dr MN MEKAHLIA, Dr. S NEFFAR, Dr, A MIHI, Dr. M BENHADJ, Dr. A DEKAK, Dr. M

BOUKOUCHA, Dr. R

MEGRI, Dr. H ABDESSMED, H BOUDJNIBA, Dr. S MEHLAINE pour leur encouragements, leur précieux conseils, et disponibilité permanente,... pour toutes les facilitations et assistance. Je les remercie pour l"intérêt qu"ils portaient toujours à mes travaux de recherche et spécialement ma vie. Et qu"ils sachent que ma reconnaissance va bien au -delà de ces remerciements, et que le plaisir que j"ai eu à les rencontrer et à les connaître était réel et sincère. Bien entendu, cette liste n"est pas exhaustive. J"ai fait tout mon possible pour n"oublier personne dans ces remerciements. À tous ceux qui ont contribué, de près ou de loin, directement ou indirectement, à la réalisation de ce travail, merci infiniment. Surtout un immense merci à ma famille (Mon père, ma mère, mes sœurs, et mes frères) pour m"avoir toujours soutenue, sans oublier mes nièces et mes neveux.

Taha Menasria

ii

TABLE DES MATIÉRES

TABLE DES MATIÉRES ........................................................................................................................ II

RÉSUMÉ................................................................................................................................................. VI

ABSTRACT ........................................................................................................................................... VII

κ˰˰˰˰˰˰˰˰˰˰˰ΨϠϣ ............................................................................................................................................... VIII

LISTE DES FIGURES ........................................................................................................................ IX

LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................................... XI

LISTE DES ABRÉVIATIONS .......................................................................................................... IXI

INTRODUCTION GÉNÉRALE .................................................................................................................. 1

1. BIODIVERSITÉ ET ÉCOLOGIE MICROBIENNE D"UN ÉCOSYSTÈME ................................. 7

1.1.

DÉFINITION DE LA BIODIVERSITÉ ...........................................................................................7

1.2.

ÉCOLOGIE MICROBIENNE D"UN ÉCOSYSTÈME ........................................................................7

2. BIODIVERSITÉ MICROBIENNE DES ENVIRONNEMENTS HYPERSALÉS .......................... 9

2.1.

ENVIRONNEMENTS SALÉS OU SALINS ..................................................................................9

2.1.1. Composition ionique et concentration en sel ......................................................................... 9

2.1.2. Types des milieux hypersalés

.................................................................................................. 9

a. Environnements thalassohalins .................................................................................... 9

b. Environnements athalassohalins ................................................................................ 10

2.2.

LES LACS SALÉS EN ALGÉRIE ..............................................................................................12

2.3.

HALOPHILISME ET MÉCANISME D"ADAPTATION ..............................................................13

2.3.1. Accumulation de sels ‘Salt-in" ou ‘high salt-in" .................................................................. 14

2.3.2. Synthèse et accumulation de solutés compatibles ‘Salt-out ou low salt-in" ....................... 16

2.4.

MICROORGANISMES HALOPHILES.....................................................................................18

2.4.1. Procaryotes halophiles ........................................................................................................... 19

a. Archées halophiles ..................................................................................................... 19

b. Bactéries halophiles ................................................................................................... 22

2.4.2. Eucaryotes halophiles ............................................................................................................ 24

3. APPLICATIONS BIOTECHNOLOGIQUES DES HALOPHILES ................................................. 25 3.1. POLYHYDROXYALKANOATES ET EXOPOLYSACCHARIDES ..............................................25 3.2.

ENZYMES HYDROLYTIQUES ...............................................................................................26

3.2.1. Lipases et estérases ................................................................................................................ 27

3.2.2. Amylases ................................................................................................................................ 28

3.2.3

. Protéases ................................................................................................................................. 28

3.3.

BACTÉRIORHODOPSINES ....................................................................................................29

3.4. 3.5.

SOLUTÉS COMPATIBLES .....................................................................................................30

3.6.

SUBSTANCES BIOACTIVES ET ANTIMICROBIENNES ..........................................................30

4. MÉTHODES D"ANALYSE EN ÉCOLOGIE MICROBIENNE ..................................................... 32

4.1

APPROCHES MICROBIOLOGIQUES CLASSIQUES .................................................................32

I iii

4.2. MÉTHODES MOLÉCULAIRES ET ANALYSE GÉNÉTIQUE DES POPULATIONS

MICROBIENNES

4.2.1. Clonage moléculaire et séquençage ........................................................................

.............. 33

4.2.2. Techniques d"empreintes moléculaires (Fingerprinting) ..................................................... 33

4.2.3. Recherche des gènes fonctionnels (Génomique fonctionnelle) .......................................... 34

4.2.4. Approches métagénomiques ........................................................................

......................... 35

4.2.5. Autres approches ........................................................................

............................................ 36

MATERIEL ET MÉTHODES

1.ZONE D'ÉTUDE ........................................................................................................

........................... 39 2 ANAL

YSE MÉTAGÉNOMIQUE ET ÉCOLOGIE MOLÉCULAIRE ................................................ 42

2.1. ÉCHANTILLONNAGE ........................................................................

...................................42 2.2. ANALYSE PÉDOLOGIQUE ET PHYSICOCHIMIQUE DES SÉDIMENTS ..................................42 2.3.

EXTRACTION DIRECTE D"ADN TOTAL ........................................................................

......43 2.4 CONTRÔLE DE LA PURETÉ ET DÉTERMINATION DE LA CONCENTRATION DE L "ADN 2.5.

ANALYSE MÉTAGÉNOMIQUE " ILLUMINA SEQUENCING » ...............................................45

2.6

ANALYSE STATISTIQUE ET BIOINFORMATIQUE .................................................................45

2.6.1. Caractéristiques des sols ........................................................................

................................ 45

2.6.2. Identification des unités taxonomiques opérationnelles (OTU).......................................... 45

2.6.3. Analyse de la diversité ........................................................................

................................... 46 3. A NALYSE DE LA FLORE HALOPHILE CULTIVABLE DES CHOTTS ET SE BKHA

S ............... 48

3.1 ÉCHANTILLONNAGE ET MISE EN CULTURE ........................................................................

48
3.2.

CONSERVATION ET NOMENCLATURE DES ISOLATS ..........................................................49

3.3. CARACTÉRISATION PHÉNOTYPIQUE PRÉLIMINAIRE DES ISOLATS ..................................49 3.4. IDENTIFICATION MOLÉCULAIRE ET ANALYSE PHYLOGÉNÉTIQUE ..................................50

3.4.1. Extraction de l"ADN génomique ........................................................................

.................. 50

3.4.2. Réaction de polymérisation

par PCR ........................................................................ ............ 50

3.4.3. Électrophorèse sur gel d"agarose, purification et séquençage ............................................. 51

3.4.4. Analyse phylogénétique ........................................................................

................................ 52 3.5. MISE EN ÉVIDENCE D"ACTIVITÉS HYDROLYTIQUES EXTRACELLULAIRES .....................52 3.6.

TOLÉRANCE AUX MÉTAUX LOURDS ........................................................................

...........54 3.7.

MISE EN ÉVIDENCE DE L"ACTIVITÉ ANTIFONGIQUE .........................................................55

3.8. ANALYSE DES DONNÉES ........................................................................ ..............................55

4-ANALYSE POLYPHASIQUE DES EUBACTERIES ET ARCHÉES HALOPHILES........................ 56

4.1.

COLLECTION DE BACTÉRIES ET ARCHÉES ........................................................................

56
4.2.

ÉTUDE DES CARACTÈRES PHÉNOTYPIQUES ......................................................................56

4.2.1. Détermination des caractères phénotypiques ....................................................................... 56

4.3.

ÉTUDE PHYLOGÉNÉTIQUE ........................................................................

..........................59 4.3.

1. Extraction de l"ADN total (Technique de Marmur, 1961) .................................................. 59

4.3.2. Détermination du GC% ........................................................................

................................. 59

4.3.3. Réaction de polymérisation par PCR ........................................................................

............ 60

4.3.4. Analyses phylogénétiques ........................................................................

............................. 61 iv

4.3.5. Hybridation ADN-ADN ........................................................................

................................ 61

RÉSULTATS ET DISCUSSION

CHAPITRE 1. ANALYSE MÉTAGÉNOMIQUE DE LA DIVERSITÉ MICROBIENNE DES

ÉCOSYSTÈMES HYPERSALÉS

1. C

ARACTÉRISATION PHYSICOCHIMIQUES DES

SOLS ............................................................... 65 2 C ORRÉLATIONS ENTRE LES DIFFÉRENTES CARACTÉRISTIQUES DES SOL S ANAL

YSÉS ............................................................................................................................................... 72

3. ANAL YSE MÉTAGÉNOMIQUE DE LA DIVERSITÉ MICROBIENNE .......................................... 75 3 .1.

ABONDANCE RELATIVE DES TAXONS MOLÉCULAIRES .....................................................75

3.2.

MESURES DE LA DIVERSITÉ MICROBIENNE .......................................................................8

4 3.3.

ESPÈCES EXCLUSIVES ET ESPÈCES COMMUNES ................................................................87

3.4.

ESTIMATIONS DE LA RICHESSE MICROBIENNE .................................................................88

3.5. EXTRAPOLATION DE LA RICHESSE DES ESPÈCES MICROBIENNES ................................88 3.6. ANALYSE DES SIMILARITÉS SPATIALES DES ESPÈCES MICROBIENNES ...........................91 3.7. INFLUENCE DES FACTEURS ÉDAPHIQUES SUR LA DISTRIBUTION BACTÉRIENNE ............92 C HAPITRE 2. DIVERSITÉ DE LA FLORE HALOPHILE ET HALOTOLÉRANTE (EUBACTÉRIENNE/ARCHÉENNE) 1. PA

RAMÈTRES PHYSICOCHIMIQUES DES SOLS PRÉLEVÉS ..................................................... 99

2 I

SOLEMENT ET SÉLECTION DES HALOPHILES ........................................................................ 100

3 FR ÉQUENCE D"ISOLEMENT ET RÉPARTITION DES ISOLATS HALOPHILES ...................... 102 4 I DENTIFICATION MOLÉCULAIRE ET ANALYSE PHYLOGÉNÉTIQUE .................................. 106

4.1 BACTÉRIES HALOPHILES ........................................................................

...........................107 4.2

ARCHÉES HALOPHILES EXTRÊMES ........................................................................

...........113 5. ANAL

YSES PHYSIOLO

GIQUES ET SCREENING

ENZYMATIQUE DES ISOLATS

HALOPHILES ........................................................................ ................................................................. 120 5.1. ARCHÉES HALOPHILES ........................................................................ .............................120 5.2. BACTÉRIES HALOPHILES ........................................................................ ..........................125 6. R

ÉSISTANCE AUX MÉTAUX LOURDS DES ISOLAS BACTÉRIENS ........................................ 129

7 AC

TIVITÉ ANTIFONGIQUE DES BACTÉRIES HALOPHILES .................................................... 132

C HAPITRE 3.CARACTÉRISATION PHYLOGÉNÉTIQUE ET ANALYSE TAXONOMIQUE

DES HALOPHILES

1. CA RACTÈRES CULTURAUX, MORPHOLOGIES ET STRUCTURES CELLULAIRES D ES SO

UCHES SÉLECTIONNÉE

S ............................................................................................................... 136

1.1 SOUCHE BCHS25 ........................................................................ 1.2 SOUCHE ARSDJ4 ........................................................................ 2. I

DENTIFICATION MOLÉCULAIRE ........................................................................

........................ 137

2.1. SÉQUENÇAGE DE L"ADNR 16S ........................................................................

.................137 2.2.

AMPLIFICATION ET SÉQUENÇAGE DU GÈNE RPOB .........................................................140

2.3. DÉTERMINATION DU CONTENU EN GC% DE L"ADN GÉNOMIQUE ...............................140 2.4. HYBRIDATION ADN-ADN ........................................................................ ........................141 v

3. CARACTÈRES PHYSIOLOGIQUES ET BIOCHIMIQUES ............................................................. 142

CONCLUSION ET PERSPE

CTIVES ..................................................................................................... 150

REFERENCES BIBLIOGRPHIQUES ........................................................................................... 150

ANNEXES ............................................................................................................................................. 150

155
187
vi

Résumé

L'objectif de ce travail de recherche consiste à analyser et caractériser la diversité des procaryotes des Chotts et Sebkhas situés dans des zones arides et semi-arides (Nord-Est de

l'Algérie) ainsi d'élargir les connaissances de cette biodiversité du point de vue fonctionnel et

intérêt biotechnologique. Dans un premier temps, la diversité et la distribution des

communautés bactériennes et archéennes dans deux habitats hypersalés classés comme sites

Ramsar 'Chott El Beida et Chott Tinsilt'

ont été analysée par le biais d'une approche métagénomique avec un séquençage à haut débit (Illumina, MiSeq). D'autre part, un e collection

d'halophiles isolés de sept dépressions endoréiques a été explorée pour leur potentiel de

production d'hydrolases, leur tolérance aux métaux lourds et comme agent de bio-contrôle vis-

à-vis des champignons phytopathogènes. L'étude réalisée à partir de vingt échantillons de sols

hyersalés a conduit à la description de séquences d'Archaea méthanogènes, hyperthermophiles

et surtout d'halophiles affiliées à l'ordre Halobacteriales. Pour l'ensemble des échantillons, les séquences de Bacteria étaient associées à des Actinobacteria (22,4-16,4%), Bacteroidetes (15,1-

21,6%), Proteobacteria (15,4-16,7%), Chloroflexi (8,35-5,2%) et Planctomycetes (5,6-4,8%)

qui représentent plus de (68,7-64,8%) du total des séquences bactériennes détectées dans les

deux Chotts (El Beida et Tinsilt) respectivement. Des Acidobacteria, Aquificae, Cyanobacteria, Deinococcus-Thermus, Firmicutes, Verrucomicrobia et Gemmatimonadetes ont été également

identifiés. Les modèles linéaires généralisés ont montré que le nombre des unités taxonomiques

opérationnelles (OTUs) et la richesse en espèces variaient de manière significative entre les

principaux facteurs (Site, Gradient et Horizon) (p <0,001). Un total de 142 halophiles extrêmes

et halotolérants (68 archées et 74 eubactéries non mycéliennes) ont été isolés et

phylogénétiquement identifiés. Sur la base du séquençage ADNr 16S, les isolats archéens ont

été attribués à sept phylotypes différents de la classe

Halobacteria

à savoir (Haloarcula,

Halococcus, Haloferax, Halogeometricum, Haloterrigena, Natrialba et Natrinema, avec une dominance des genres Haloferax (30 souches) (44%) et Halococcus (13%). En outre, laquotesdbs_dbs50.pdfusesText_50

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