Genomic of mineral weathering by Collimonas pratensis strain PMB3(1)
Génomique de l'altération des minéraux par la souche bactérienne Collimonas pratensis PMB3(1)
Résumé
In temperate regions, minerals and rocks represent one of the main sources of nutritive cations in the soil of low-input ecosystems such as forests. In such nutrient-poor and non-amended environments, the access and the recycling of nutritive cations are key processes for tree growth and productivity. However, these nutritive cations are almost inaccessible to the tree roots as they are entrapped into organic matter or into soil minerals and rocks. Consequently, the mineral weathering process is essential, as it allows the restauration of soil fertility and provides the inorganic nutrients for tree growth. Mineral weathering can be attributed to abiotic (temperature, pH, erosion…) or biotic (plants, fungi, bacteria…) processes. Among the biotic processes, bacteria are able to weather minerals by different mechanisms such as the production of protons (acidolysis) or the production of chelating molecules (complexolysis). However, genes and proteins involved in mineral weathering by bacteria are not yet elucidated. As part of this thesis, a bacterial Collimonas pratensis strain PMB3(1) was used as a model to identify genes involved in mineral weathering. This strain was isolated from oak mycorrhizosphere and is efficient in weathering minerals. In this thesis, the analysis of the genome of the strain PMB3(1) evidenced the absence of certain genes described in mineral weathering (such as PQQ-dependent glucose dehydrogenases) and highlighted the need to develop two complementary approaches: with and without a priori. (i) The without a priori approach, has been developed with the building of a mutant library with the insertion of a plasposon pOT-182. The screening of this mutant library on biotests miming mineral weathering allowed the selection of three mutants impacted in their mineral weathering ability. The characterisation of these mutants revealed mutations in different genes involved in a glucose/methanol/choline oxidoreductase (GMC) synthesis. Comparisons between wild type and mutants chemical compounds in the culture supernatants showed that this GMC was able to converts glucose to gluconate and produce protons, leading to the acidification of the medium and minerals acidolysis. (ii) The with a priori approach was the building of a mbaA mutant coding for a NRPS (non-ribosomal peptide synthetase) responsible of siderophore biosynthesis. The combined use of chromatography (HPLC) and mass spectrometry (LC-ESI-MS and MS/MS) methods allowed to chemically characterize the siderophore as malleobactin X. Comparisons between wild ype and mbaA mutant strains revealed that the production of malleobactin was involved in mineral weathering by complexolysis in a strong buffered medium. Weathering tests performed with different mineral types in presence of two carbon sources (glucose or mannitol) and two media with different buffering capacities showed that the strain PMB3(1) was efficient to weather all tested minerals and that weathering molecules (GMC and malleobactin) had a similar effect whatever the mineral type. Furthermore, the carbon source and the buffering capacity had a strong influence on weathering molecules efficiency. Finally, preliminary results have been obtained on the regulation of genes and proteins according to inorganic nutrients availability and the presence of minerals by transcriptomic and proteomic technics. To conclude, this thesis (i) allowed the discovery of new genes involved in mineral weathering by bacteria, (ii) evidenced the influence of environmental factors in efficiency of molecular mechanisms involved in mineral weathering and used by bacteria.
Dans les régions tempérées, les minéraux et les roches représentent la source principale de cations nutritifs des sols des écosystèmes à faible intrants telles que les forêts. Dans de tels environnements pauvres en nutriments, l’accès et le recyclage des cations nutritifs sont des processus clés pour la croissance et la productivité des arbres. Cependant, ces cations nutritifs ne sont pas directement accessibles aux racines des arbres car piégés dans les minéraux et roches des sols. En conséquence, le processus d’altération des minéraux joue un rôle essentiel car il contribue à restaurer la fertilité des sols et à fournir des nutriments inorganiques nécessaires à la croissance des arbres. L’altération des minéraux peut être dûe à des processus abiotiques (pH, érosion…) ou des processus biotiques (plantes, champignons, bactéries…). Parmi les acteurs biotiques, les bactéries sont capables d’altérer les minéraux par différents mécanismes comme la production de protons (acidolyse) ou la production de molécules chélatrices (complexolyse). Néanmoins, les gènes et protéines impliqués dans l’altération des minéraux par les bactéries sont mal connus. Dans le cadre de cette thèse, la souche bactérienne Collimonas pratensis PMB3(1) a été utilisée comme modèle pour identifier les gènes de l’altération. Cette souche a été isolée de la mycorhizosphère du chêne et est particulièrement efficace pour altérer les minéraux. Dans cette thèse l’analyse du génome de la souche PMB3(1) a mis en évidence l’absence certains gènes décrits dans l’altération (comme les glucose déshydrogénases PQQ dépendantes) et a souligné la nécessité de développer deux approches complémentaires : avec et sans a priori. (i) La démarche sans a priori a été développée via la création d’une banque de mutants aléatoires. Le criblage de cette banque de mutants sur des biotests mimant l’altération des minéraux a permis de sélectionner 3 mutants impactés dans leur capacité à altérer les minéraux. La caractérisation de ces mutants a révélé des mutations dans différents gènes impliqués dans la synthèse d’une glucose/méthanol/choline oxidoréductase (GMC). La comparaison de composés chimiques présents dans le surnageant de la souche sauvage et des mutants a révélé que cette GMC était responsable de la métabolisation du glucose en gluconate et de la production de protons, conduisant à une acidification du milieu et à une acidolyse des minéraux. (ii) La démarche avec a priori a été réalisée par la création d’un mutant ciblé au niveau du gène mbaA codant pour un NRPS (Non-Ribosomal Peptide Synthetase) responsable de la synthèse de sidérophore. L’utilisation conjointe de méthodes de chromatographie et de spectrométrie de masse a permis de caractériser chimiquement ce sidérophore, qui a été identifié comme étant une malléobactine. La comparaison de la souche sauvage et du mutant a révélé que la production de la malléobactine est impliquée dans l’altération de l’hématite par complexolyse et ce dans un milieu avec un fort pouvoir tampon. Les tests d’altération réalisés avec différents types de minéraux en présence de deux sources de carbones (glucose ou mannitol) et deux milieux ayant un pouvoir tampon différent ont révélé que la souche PMB3(1) était efficace pour altérer tous les minéraux testés. De plus, la source de carbone et le tampon du milieu avaient une forte influence sur l’efficacité des agents altérants. Enfin, des résultats préliminaires ont été obtenus sur la régulation des gènes et protéines en fonction de la disponibilité en nutriments inorganiques et de la présence du minéral par des techniques de transcriptomique et protéomique. Pour conclure, cette thèse a permis de (i) découvrir de nouveaux gènes liés à l’altération des minéraux par les bactéries, (ii) mettre en évidence l’influence des facteurs environnementaux dans l’efficacité des mécanismes d’altération utilisés par les bactéries.
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