Laboratoire d'Écologie Animale et Ecotoxicologie Unité d'Écologie Marine
Étude pluridisciplinaire de l'implication bactérienne dans le phénomène de blanchissement des coraux Scléractiniaires
(Indo-‐Pacifique)
Dissertation rédigée par Ophélie LADRIÈRE en vue de l'obtention du grade de Docteur en Sciences (PhD, Océanologie)
Promoteur :
Dr. Mathieu POULICEK
Jury :
Prof. Jean-‐Pierre THOMÉ (Président) Prof. Paola FURLA (UNS, Nice, France)
Prof. Guillaume MITTA (UPVD, Perpignan, France) Prof. Jean-‐Marie BOUQUEGNEAU
Dr. Annick WILMOTTE Dr. Philippe COMPÈRE
Année académique 2011-‐2012
Photos de couverture (de la gauche vers la droite) : Corail blanchi (http://jroy.abenaza.com/2008/04/23/global-‐
warming/); Récif de la Grande Barrière de Corail, Australie (http://www.wayfaring.info/2010/07/21/the-‐great-‐barrier-‐
reef-‐australia/); Profil de bandes en DGGE (O. Ladrière); Prélèvement et fixation d'échantillons en plongée (D.
Arnould); Tissus décalcifiés du corail Pocillopora verrucosa (O. Ladrière).
Vu le nombre croissant de maladies coralliennes lié à l'impact grandissant du réchauffement climatique et des activités anthropiques, le présent travail de recherche s'est intéressé au phénomène de blanchissement corallien. Les Cnidaires Scléractiniaires sont les éléments de base et essentiels de l'écosystème récifal;
écosystème dont les intérêts écologiques, économiques et sociétaux ne sont plus à démontrer. Ce symptôme de blanchissement a des causes multiples et complexes qui sont encore mal connues. Il correspond à la rupture de la symbiose mutualiste existant entre le corail et des microalgues, appelées zooxanthelles, et peut engendrer la mort de nombreux coraux.
Une hypothèse à la base de ce phénomène suggère que le corail blanchit suite à l'action de bactéries pathogènes, pénétrant à l'intérieur des tissus coralliens.
Cependant, cette hypothèse semble assez controversée et le présent travail tente d'élucider un ensemble de questions liées à cette polémique. Pour ce faire, une approche pluridisciplinaire alliant l'écologie (générale et microbienne) et la biologie moléculaire a été mise en place lors d'études in situ et expérimentales.
A l'aide de la microscopie électronique, des critères morphologiques ont été établis afin de caractériser l'état de blanchissement du corail. Par ailleurs, cette technique a également permis d'identifier différents types de bactéries au sein des tissus coralliens. Leur présence et leurs rôles au sein de l'holobionte corallien sont discutés.
Plusieurs techniques de la biologie moléculaire (DGGE, séquençage) ont apporté des éléments sur la non-‐spécificité des communautés bactériennes associées à des coraux d'espèces différentes, provenant de sites de prélèvement différents et dans des états de blanchissement différents. Cette non-‐spécificité souligne le fait que les fonctions remplies par les bactéries au sein de l'holobionte corallien pourraient être le fait de bactéries opportunistes provenant de groupes taxonomiques variés.
La présence de Cyanobactéries chez certains coraux, détectées à l'aide de la microscopie et confirmée par les techniques moléculaires, soulève la question de
l'hôte par rapport aux zooxanthelles, microalgues symbiotiques "habituelles" des Scléractiniaires hermatypiques. Les questions de la compétition potentielle entre ces différents types de symbiotes ou de l'avantage de cette diversité symbiotique en cas de blanchissement restent ouvertes.
Une approche transcriptomique a permis d'étudier la réponse du corail face à un stress bactérien, dans différentes conditions expérimentales de température déterminant l'expression de la virulence des bactéries. L'étude du profil d'expression de différents gènes impliqués dans l'immunité du corail a permis de comprendre la séquence de réactions et les modifications de l'allocation des ressources en réponse aux différentes étapes de l'infection bactérienne. A cette occasion, le premier peptide antimicrobien de Scléractiniaires, la damicornine, a pu être mis en évidence et caractérisé.
L'ensemble de ces résultats mènent à penser que le contexte des modifications des paramètres environnementaux importe plus que la présence elle-‐
même de pathogènes. Les bactéries agiraient alors comme facteur aggravant dans une situation où le corail, déjà stressé et affaibli, ne peut se défendre de manière adéquate.
Finalement, les observations d'une augmentation du nombre de cnidocytes chez une espèce de corail ayant subi un blanchissement suggèrent que certaines espèces de corail seraient capables de s'adapter au manque d'apports occasionné par la perte significative de zooxanthelles, en passant à un régime nutritionnel plus hétérotrophe. Ceci favoriserait alors la résilience du corail.
Given the increasing number of coral diseases linked to the growing impact of global warming and human activities, the present research focused on the phenomenon of coral bleaching. The Scleractinian Cnidaria are the essential building blocks of the coral reef ecosystem, whose ecological, economic and societal interests are demonstrated. The symptom of bleaching has multiple and complex causes that are still unclear. It corresponds to the rupture of the mutualistic symbiosis between the coral and microalgae, called zooxanthellae, and can causes death of many corals.
An assumption underlying this phenomenon suggests that corals are bleaching by the action of pathogenic bacteria, penetrating inside the coral tissues.
However, this hypothesis seems quite controversial and the present work attempts to elucidate a set of issues surrounding this controversy. To do this, a multidisciplinary approach combining ecology (general and microbial) and molecular biology has been established through field and experimental studies.
Using electron microscopy, morphological criteria were established to characterize the status of coral bleaching. Furthermore, this technique was also used to identify different types of bacteria within coral tissues. Their presence and their role within the coral holobiont were discussed.
Several molecular biology techniques (DGGE, sequencing) have provided evidences on the non-‐specificity of bacterial communities associated with corals species, sampling sites and different status of bleaching. This non-‐specificity shows that the functions performed by bacteria in the coral holobiont could be the result of opportunistic bacteria from various taxonomic groups.
The presence of Cyanobacteria in some corals, detected by microscopy and confirmed by molecular techniques, raises the question about their role within the holobiont and the alternative pathway that they offer for the symbiotic host compared with zooxanthellae. The issues of potential competition between these different symbionts or the benefit of this symbiotic diversity, in case of bleaching event, remain open.
bacterial stress in different experimental conditions of temperature determining the expression of bacterial virulence. Studying the expression profile of genes involved in immunity of the coral allowed to understand the sequence of reactions and changes in resource allocation in response to different stages of bacterial infection.
On this experiment, the first antimicrobial peptide of Scleractinia, the damicornin, has been identified and characterized.
All these results suggest that the context of changes in environmental parameters is more important than the presence of pathogens itself. The bacteria would then act as an aggravating factor in a situation where the coral, already weakened and stressed, cannot defend itself adequately.
Finally, the observation of an increase in cnidocytes in a coral species that has undergone bleaching, suggests that some coral species are able to shift to a more heterotrophic nutritional regime adapting to the lack of inputs caused by the significant loss of zooxanthellae. This would favor the resilience of coral.
Je tiens tout d'abord à remercier le Docteur Mathieu Poulicek, mon promoteur, pour m'avoir ouvert la porte du monde des récifs coralliens. Merci pour ton soutien et ton humanité.
Ensuite, un tout grand merci au Professeur Jean-‐Pierre Thomé, tout d'abord pour son accueil au sein du laboratoire d'écologie animale et d'écotoxicologie (LEAE), mais également pour son soutien au quotidien, moral et matériel, pour avoir fait de son mieux pour s'intéresser à mes recherches et pour la cohésion qu'il arrive à entretenir au sein de son laboratoire. Chef, s'appeler Jean-‐Pierre et être né un 16 novembre, ça ne s'invente pas; vous êtes en quelque sorte mon papa scientifique. ;-‐)
Un merci tout particulier à Bob et Jérémie, les deux jeunes chercheurs les plus prometteurs que je connaisse. Ce fut un réel plaisir de travailler avec vous, de discuter avec vous et bien sûr, de blaguer avec vous! Et merci pour votre soutien et votre amitié! Je vous souhaite bonne continuation dans vos recherches!
Merci à mes collègues du LEAE: Stéphanie (Bobette), Stéphane (Bob), Marielle (Mary-‐L), Anne (-‐coquine), Fofie, Célia, Arnaud, Delphine, Valentine, Mumu, Virginie, Mathieu et Not' Chef national. Ce fut vraiment un plaisir énorme de travailler à vos côtés dans cette ambiance incroyable, si agréable au quotidien. Je sens que ça va me manquer... Et puis, au fil du temps, bon nombre d'entre vous sont devenus plus que de simples collègues. Donc merci pour votre amitié aussi. Et un merci spécial à Marielle, celle qui répond quand on l'appelle (c'est un peu nul j'avoue, mais j'assume). Merci de nous faciliter la vie comme tu le fais; ta gentillesse, ta réactivité, tes références musicales (heureusement que je t'avais)... Et un Pardon spécial à Bobette; ça ne devait pas être facile tous les jours avec Bob et moi en stéréo... ;-‐) et merci à vous deux pour votre complicité.
Bon courage à Bob et Bobette, mais aussi à Arnaud, Anne et Valentine pour la suite et fin de leur parcours doctoral. Je suis déjà fière de vous... :-‐) et oui, je fais ma
"maman".
Perpignan et à Moorea. Vous m'avez toujours accueillie avec sympathie et simplicité.
Mes différents passages au sein de vos équipes resteront de très bons souvenirs!
Merci au Docteur Annick Wilmotte et à son équipe: Rafa, Cédric, Yaya, Magda, Patricia, Pedro, Marie-‐Jo... Au Docteur Philippe Compère, à Nicole, sans qui mes observations au microscope électronique n'auraient pas été possibles ou en tous cas pas aussi bien préparées; ta gentillesse et ta disponibilité sans limites m'épatent encore aujourd'hui; Laurette, merci pour tes conseils et ton soutien même à distance, et merci aussi à Julie.
Merci aux deux labos (du haut et du bas) de l'UMR 5244 de Perpignan et particulièrement au Professeur Guillaume Mitta et au Docteur Mehdi Adjeroud, à Jérémie (et oui encore), Sarah (un petit moonwalk ?), Jojo-‐Papy, Mohs'-‐reno Raines, Suzie euh... Suzie quoi!, Lucie-‐dive buddy (aux quatre coins du globe!), Céline, Pablo, Gégé d'en haut, Géraldine d'en bas, Julien, Matthias, Cécile, Elisabeth et tous les autres ... (et encore merci à Sarah et Elisa pour l'hébergement!). Mon passage (ou plutôt mes passages) et surtout cette collaboration fut une réelle "révélation" pour moi... merci pour tout. Et merci à Laurent Fouré de l'Aquarium du Cap d'Agde.
Et les criobiens! Je me souviens du déchirement ressenti lors de mon départ de la station à la fin de ma dernière mission en Polynésie... C'était fort, très fort... et j'espère vous y revoir un jour! Héloïse, mon pti bichon (y'en a trop à évoquer... une belle photo vaut mieux qu'un long discours, non? ;-‐)), avec Julie et Pauline; mes trois concierges préférées (ouaaakk, je fais bien la mouette là non?); Pascal, Ben-‐
chachaman, Frank, merci pour tous vos coups de mains. Merci à Yannick, Serge Planes et René Galzin pour leur accueil au sein du CRIOBE (Centre de Recherches Insulaires et OBservatoire de l'Environnement, Moorea, Polynésie française).
Merci aux Docteurs Annick Wilmotte, Philippe Compère, Mehdi Adjeroud, Jérémie Vidal-‐Dupiol, Lucie Penin et au Professeur Guillaume Mitta pour leurs discussions et conseils lors de mes différentes manips au sein de leurs laboratoires.
(de l'Université de Perpignan), Jean-‐Marie Bouquegneau et Jean-‐Pierre Thomé, et aux Docteurs Annick Wilmotte et Philippe Compère d'avoir accepté d'évaluer ce travail de thèse.
Merci aux Professeurs Jean-‐Marie Bouquegneau (Doyen de la Faculté des Sciences à l'époque) et Jean-‐Pierre Thomé (Président du Département de Sciences et Gestion de l'Environnement) pour votre soutien financier lors de la collaboration avec Perpignan. Merci également au FNRS pour la bourse de doctorat, et au FNRS, au WBI et à l'ULg pour leurs divers soutiens financiers pour les missions et colloques à l'étranger.
Merci aux Kusto'z, bien que nous n'ayons pas toujours été très assidus, ces petits "breaks musico-‐jokes" m'ont fait beaucoup de bien! Commandant, Falco, Jean-‐
mich' et Ginette: prochain tube: au Nord, c'était les coraux, d'acc?
Merci à David Gillan, Christopher Sheridan (Umons) et Elie Verleyen (Ugent), mais aussi à Bob, Bobette et Marielle (of course) pour vos aides ponctuelles en situations de détresse. Merci à Bruno, Gilles et Jérémie pour avoir accepté de corriger ce travail. Vos critiques pertinentes m'ont fait grand bien! Merci aussi à Damien, Marie et Fred ;-‐)
Merci à SB (SuperBob) pour la couverture de ce manuscrit!
J'ai peur d'oublier des gens...
Merci à ma famille et à mes amis (vous vous reconnaitrez bien, non?), pour votre soutien perpétuel et vital. Et ma soeurette d'adoption, Verchinie; nous y sommes arrivées pour finir!
Un Merci tout spécial et surtout un Pardon tout spécial à Damien et Clémence pour vous avoir fait subir tout ça. Merci de m'avoir soutenue et divertie (même sans le savoir, ma Moumoune) et d'avoir accepté mon choix.
... et pardon aux petites bêbêtes qui ont été sacrifiées pour la cause.
Table des matières
AVANT-‐PROPOS I
CHAPITRE I INTRODUCTION GÉNÉRALE 1
I.I LES RÉCIFS CORALLIENS 1
I.I.1 LA BIOLOGIE DES CORAUX SCLÉRACTINIAIRES 1
I.I.2 SYMBIOSE CORAIL-‐ZOOXANTHELLES 8
I.I.3 RÉPARTITION ET STRUCTURE DES RÉCIFS CORALLIENS HERMATYPIQUES 9
I.I.4 IMPORTANCE DES RÉCIFS 12
I.I.5 MENACES 13
I.II LES MALADIES CORALLIENNES 20
I.II.1 PATHOLOGIES EN RECRUDESCENCE 20
I.II.2 WHITE SYNDROMES (WS) 26
I.II.3 BLACK BAND DISEASE (BBD) OU MALADIE DE LA BANDE NOIRE 27 I.II.4 YELLOW BLOTCH/BAND DISEASE (YBD) OU MALADIE DE LA TACHE/BANDE JAUNE 28
I.II.5 AUTRES 28
I.II.6 NOTIONS DE RÉSERVOIR ET DE VECTEUR DE MALADIE 28
I.III LE BLANCHISSEMENT CORALLIEN 30
I.III.1 DÉFINITION DU BLANCHISSEMENT CORALLIEN 30
I.III.2 CAUSES 32
I.III.3 MÉCANISMES 33
I.III.4 CONSÉQUENCES 35
I.IV HYPOTHÈSE BACTÉRIENNE DU BLANCHISSEMENT 37
I.IV.1 RÔLE DES BACTÉRIES AU SEIN DE L’HOLOBIONTE CORALLIEN 37
I.IV.2 IMPORTANCE DES VIBRIONS 40
I.IV.3 AGENTS ÉTIOLOGIQUES CONNUS POUR CAUSER LE BLANCHISSEMENT 44 I.IV.4 HYPOTHÈSE PROBIOTIQUE ET VENT DE POLÉMIQUE 51
I.V L’IMMUNITÉ DES CORAUX 52
I.VI NOTIONS DE RÉSISTANCE, DE RÉSILIENCE, D’ADAPTATION FACE AU BLANCHISSEMENT, ET
AUX MALADIES EN GÉNÉRAL 54
I.VII OBJECTIFS DE L’ÉTUDE 58
II.I SITE D’ÉTUDE – MOOREA (POLYNÉSIE FRANÇAISE) 62
II.II ESPÈCES ÉTUDIÉES/UTILISÉES 63
II.II.1 CORAUX 63
II.II.2 BACTÉRIES 67
II.III DENSITÉ EN ZOOXANTHELLES 67
II.IV MICROSCOPIE 68
II.IV.1 PRÉLÈVEMENT ET FIXATION DES ÉCHANTILLONS 68
II.IV.2 MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE À BALAYAGE (MEB) 69
II.IV.3 MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE À TRANSMISSION (MET) 70
II.IV.4 MICROSCOPE OPTIQUE (MO) 71
II.V CARACTÉRISATION DES COMMUNAUTÉS BACTÉRIENNES 71
II.V.1 APPROCHE GÉNÉTIQUE (CORAUX) 71
II.V.2 APPROCHE BIOCHIMIQUE/PHYSIOLOGIQUE (EAU) 77
II.VI APPROCHE EXPÉRIMENTALE 79
II.VI.1 MODÈLE POCILLOPORA DAMICORNIS/VIBRIO CORALLIILYTICUS 79
II.VI.2 DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL 80
II.VI.3 MISE EN ÉVIDENCE DE MARQUEURS DE STRESS 82 CHAPITRE III ETAT DES LIEUX – APPROCHE ENVIRONNEMENTALE 87 III.I MORPHOLOGIE ULTRASTRUCTURALE ET PARTICULARITÉS DES ESPÈCES DE CORAUX
ÉTUDIÉES, EN CONDITION NORMALE 87
III.I.1 ACROPORA GLOBICEPS 88
III.I.2 POCILLOPORA VERRUCOSA 90
III.I.3 PORITES RUS 93
III.I.4 POCILLOPORA DAMICORNIS 95
III.II VARIABILITY OF ALGAL ENDOSYMBIONT DENSITY IN THE REEF-‐BUILDING CORAL ACROPORA GLOBICEPS: A MULTI-‐SCALE APPROACH ALONG ENVIRONMENTAL GRADIENTS AROUND MOOREA
(FRENCH POLYNESIA) (= ARTICLE 1) 99
III.II.1 INTRODUCTION 99
III.II.2 MATERIALS AND METHODS 101
III.II.3 RESULTS 104
III.II.4 DISCUSSION 110
IV.I MORPHOLOGICAL ALTERATIONS OF ZOOXANTHELLAE IN BLEACHED CNIDARIAN HOSTS (=
ARTICLE 2) 114
IV.I.1 INTRODUCTION 114
IV.I.2 MATERIALS AND METHODS 116
IV.I.3 RESULTS 119
IV.I.4 DISCUSSION 129
IV.II SHIFT TO HETEROTROPHY DURING CORAL BLEACHING (= ARTICLE 3) 134
IV.II.1 INTRODUCTION 134
IV.II.2 MATERIAL AND METHODS 135
IV.II.3 RESULTS AND DISCUSSION 136
IV.III AUTRES ALTÉRATIONS 142
IV.IV CONCLUSION DES CHAPITRES 3 ET 4 147
CHAPITRE V IMPLICATIONS DES BACTÉRIES DANS LA SANTÉ DES CORAUX 149 V.I PRÉSENCE « NATURELLE » DE BACTÉRIES – APPROCHE ENVIRONNEMENTALE 150 V.I.1 CARACTÉRISATION FONCTIONNELLE DES COMMUNAUTÉS BACTÉRIENNES ASSOCIÉES À
L'EAU ENVIRONNANTE ET AU MUCUS 150
V.I.2 APERÇU MORPHOLOGIQUE DES BACTÉRIES PRÉSENTES DANS LES TISSUS ET RÔLES
POTENTIELS 155
V.I.3 CARACTÉRISATION GÉNÉTIQUE DES COMMUNAUTÉS BACTÉRIENNES ASSOCIÉES AUX CORAUX (HOLOBIONTE DANS SON ENTIÈRETÉ, COMPARTIMENTS CONFONDUS) -‐ BACTERIAL COMMUNITIES ASSOCIATED WITH CORALS OF MOOREA (FRENCH POLYNESIA) : SHIFT DUE TO
BLEACHING? (= ARTICLE 4) 162
V.II RÉPONSES DU CORAIL FACE À UN STRESS BACTÉRIEN -‐ APPROCHE EXPÉRIMENTALE 183 V.II.1 PHYSIOLOGICAL RESPONSES OF THE SCLERATINIAN CORAL POCILLOPORA DAMICORNIS TO BACTERIAL STRESS FROM VIBRIO CORALLIILYTICUS (= ARTICLE 5) 183 V.II.2 INNATE IMMUNE RESPONSES OF A SCLERACTINIAN CORAL TO VIBRIOSIS (= ARTICLE 6) 210
CHAPITRE VI DISCUSSION GÉNÉRALE 238
VI.I QU’INDUIT LE PHÉNOMÈNE DE BLANCHISSEMENT CHEZ LES SCLÉRACTINIAIRES ? 239 VI.II QUELS RÔLES PEUVENT JOUER LES BACTÉRIES ET QUE PEUVENT-‐ELLES INDUIRE CHEZ LE CORAIL? 242
VI.II.1 BACTÉRIES SYMBIOTIQUES 242
VI.II.2 BACTÉRIES PATHOGÈNES 243
VI.II.3 BACTÉRIES = SOURCE DE NOURRITURE 245
246
VI.II.5 STRESS BACTÉRIEN 248
VI.III VOIES DE RÉSISTANCE, ACCLIMATATION ET RÉSILIENCE… 251
CHAPITRE VII CONCLUSIONS 281
CHAPITRE VIII PERSPECTIVES 257
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES 259
ANNEXES I
GLOSSAIRE I
LISTE DES ABBRÉVIATIONS V
A VANT -‐ PROPOS
L’écosytème récifal abrite la plus grande biodiversité marine et remplit de nombreuses fonctions importantes à bien des égards (ex: ressources alimentaires, rôles socio-‐économiques, protection des côtes, stock de ressources médicales et pharmacologiques, …). Dans le contexte actuel de changement climatique global, les récifs coralliens tropicaux apparaissent de plus en plus menacés. Le blanchissement est l’une des principales menaces auxquelles sont exposés les Scléractiniaires hermatypiques, principaux constructeurs de ces récifs coralliens. Ce phénomène est le symptôme “macroscopique” d’un dérèglement de la symbiose entre l’hôte corallien et ses zooxanthelles endosymbiotiques, qui fait suite à un stress ou une perturbation des conditions environnementales menant à l’expulsion ou à la dégradation des zooxanthelles et/ou de leur appareillage photosynthétique.
Le blanchissement peut conduire à une mortalité importante de certaines espèces constitutives de l’assemblage corallien, ce qui a et aura des répercussions importantes sur les communautés (animales, végétales et humaines) associées:
disparition d’habitats et de nourriture pour de nombreuses espèces, déstabilisation de la chaine trophique, diminution de la résistance face à la houle et donc diminution de la protection des côtes, ...
Différentes hypothèses sont à la base de ce phénomène. Celles-‐ci mettent en cause des facteurs abiotiques tels que la température ou la lumière, et des facteurs biotiques tels que les bactéries. Dans les années 90, l’hypothèse bactérienne du blanchissement corallien a vu le jour suggérant que l’agent responsable de ce phénomène pouvait être une bactérie pathogène du genre Vibrio (Vibrio shiloï) chez le corail Oculina patagonica (Kushmaro et al. 1996, Kushmaro et al. 1997). Cette hypothèse a ensuite été renforcée par la découverte d’un autre agent bactérien (Vibrio coralliilyticus) responsable du blanchissement corallien de Pocillopora damicornis (Ben-‐Haim et al. 2003a, Ben-‐Haim Rozenblat and Rosenberg 2004b).
Cependant, des résistances sont apparues au niveau du corail vis-‐à-‐vis de son pathogène présumé. Ce phénomène engendra l’hypothèse probiotique corallienne et la théorie hologénomique de l’Evolution (Reshef et al. 2006, Zilber-‐Rosenberg and Rosenberg 2008). Selon ces deux théories, le corail s’adapterait à son environnement changeant en modifiant ses populations de symbiotes (bactériens et algaux) résidents.
ii
été critiquée (Ainsworth et al. 2008). À l’heure actuelle, il n'a pas pu être démontré si des bactéries peuvent induire un blanchissement ou si elles sont des agents secondaires venant renforcer ce phénomène. En effet, rares sont les études (Banin et al. 2000a, Ben-‐Haim et al. 2003c, Lesser et al. 2004, Cervino et al. 2008, Kvennefors and Roff 2009) ayant présenté des images de bactéries dans les tissus coralliens et certaines d’entre-‐elles sont critiquables. De plus, les études ayant présenté des Vibrio comme responsables de blanchissement de certains coraux ont été faites sur base expérimentale (Kushmaro et al. 1997, Ben-‐Haim et al. 2003c) et contredites par des études environnementales (Reshef et al. 2006, Ainsworth et al. 2008). Par ailleurs, les réponses induites chez le corail lors d’un stress bactérien ne sont pas encore connues, si ce sont bien les bactéries (et pas un autre facteur) qui occasionnent ce stress chez le corail…
C’est dans ce contexte controversé et lacunaire que s’inscrit le présent travail de thèse. Celui-‐ci a pour principal objectif de comprendre le rôle joué par les bactéries dans le phénomène de blanchissement corallien. Afin de répondre à cette question, ce travail a été découpé en 3 parties. Premièrement, la variabilité naturelle de la densité en zooxanthelles dans les tissus coralliens et ses facteurs environnementaux associés (profondeur, luminosité,...) ont été recherchés. Ces résultats seront mis en relation avec l’hétérogénéité spatiale du phénomène de blanchissement et des communautés bactériennes. Deuxièmement, les altérations morphologiques provoquées au niveau tissulaire et cellulaire du corail lors d’un phénomène de blanchissement ont été décrites. Finalement, un volet expérimental a été mis sur pied afin d'identifier les réponses qu'un corail pouvait développer face à un stress bactérien, dans certaines conditions. Les outils de biologie moléculaire et de transcriptomique (techniques de pointe) vont nous permettre de valider l'hypothèse selon laquelle des bactéries -‐ couplées ou non au facteur température -‐
initient un blanchissement ou autre dérèglement chez le corail (modèle Vibrio coralliilyticus/Pocillopora damicornis). L’hybridation soustractive (SSH) servant à comparer deux conditions sur la base du niveau d’expression de certains gènes, va nous permettre de déterminer quand et dans quelles conditions se produit ce dérèglement, mais surtout de quelle manière réagit le corail face à cela (en réprimant ou surexprimant certains gènes de fonction particulière).
Chapitre I Introduction générale
Depuis plusieurs décennies et dans le contexte actuel de changement climatique et de développement démographique, les perturbations et altérations de l’environnement ne sont plus à prouver. L’environnement marin et ses habitants ne font malheureusement pas exception. La dégradation et la réduction en quantité (surface) et en qualité (biodiversité, fonctions) des récifs coralliens ont pu être constatées de par le monde. Les maladies et le blanchissement des coraux1 sont parmi les nombreuses manifestations des déséquilibres dont souffre actuellement
« notre planète bleue »… L’étude et la compréhension des causes (et de leurs mécanismes) de destruction de ces zones stratégiques à intérêts multiples font dès lors partie des principales préoccupations de ces dernières années, et doivent certainement le rester.
I.I Les récifs coralliens
I.I.1 La biologie des coraux Scléractiniaires I.I.1.a Systématique et morphologie
Parmi les architectes des récifs coralliens, les principaux acteurs sont les coraux durs, également appelés Scléractiniaires ou Madréporaires (ou plus communément, madrépores). Ces organismes sont des animaux de l’embranchement des Cnidaires et sont caractérisés par une origine embryonnaire diblastique; ils sont donc composés de deux types de tissus, l’ectoderme en face
1 Dans le présent manuscrit, le terme “coraux” sera utilisé comme synonyme de Scléractiniaires hermatypiques de récif tropical, d’eaux peu profondes et chaudes.
externe et l’endoderme en face interne. A l’état adulte, les tissus d’origine endo-‐ et ectodermiques sont séparés par une mésoglée (structure gélatineuse quasiment anhyste). Le nom de cet embranchement (κνιδη en grec ancien, « knidé », signifiant
« ortie ») provient de la présence dans leurs tissus de cellules urticantes, les cnidocytes, servant d’outils de défense et de capture de proies. Les Cnidaires sont également caractérisés par une symétrie radiaire. Les Scléractiniaires font partie de la Classe des Anthozoaires, tout comme les anémones, et sont dits polypoïdes car la phase « méduse » de leur cycle de vie est complètement absente. Ils vivent donc de manière sessile et sont majoritairement coloniaux (p.ex. le genre Fungia qui est solitaire).
L’élément de base d’une colonie s’appelle le polype, qui peut être considéré comme un “sac” avec une couronne de tentacules et une bouche qui mène à un pharynx tubulaire s’étendant dans la cavité gastrovasculaire (tube digestif en cul-‐de-‐
sac; Figure 1.1). Cette dernière est divisée longitudinalement par des septa, ou mésentères, formant de cette manière des compartiments « rayonnés » (Ruppert and Barnes 1994).
Figure 1.1 : Structure d’un polype d’Anthozoaire. A, Coupe longitudinale. B, coupe transversale au niveau du pharynx. C, coupe transversale sous le pharynx (Ruppert and Barnes 1994).
Cependant, les Scléractiniaires se différencient des anémones par la présence d’un exosquelette dur constitué de carbonate de calcium sous forme d’aragonite. De plus, les différents individus constituant la colonie sont interconnectés par une couche tissulaire horizontale appelée coenosarc (Mullen et al. 2004a) (Figure 1.2).
Les Scléractiniaires sont également qualifiés d'hermatypiques ou plus exactement de zooxanthellés car ils hébergent au sein de leurs cellules gastrodermiques (endodermiques) des organismes unicellulaires photosynthétiques appelées zooxanthelles (Figure 1.2, et voir section I.I.2 symbiose corail-‐zooxanthelles, p.8). Au niveau morphologique, chez l’adulte, il est important de différencier les tissus oraux, faisant face au milieu extérieur, des tissus aboraux, faisant face au squelette (Figure 1.2).
Côté oral, l’épiderme (ectoderme) possède les principaux types de cellules suivants: des cnidocytes, des cellules granulaires produisant le mucus (appelées mucocytes) et des cellules épithélio-‐musculaires ciliées qui vont créer le courant muqueux (Figure 1.3). Ce premier tissu a surtout un rôle de protection (défense) et de capture de proies. Le gastroderme (endoderme) fait face au coelenteron (cavité gastrique) et est principalement constitué de cellules digestives et de cellules accueillant les symbiosomes, organites vacuolaires hébergeant les zooxanthelles symbiotiques (Figures 1.2 et 1.3) (Galloway et al. 2007).
Ensuite, côté aboral, le gastroderme joue le même rôle que son homologue oral mais contient un nombre plus restreint de zooxanthelles. L’épiderme aboral fait face au squelette et est d’ailleurs qualifié d’épiderme calicoblastique (Figure 1.2). Ce dernier va structurer le squelette via des sécrétions squelettogéniques et est connecté à celui-‐ci par des desmocytes (Muscatine et al. 1997).
Au sein de la cavité gastrique, les mésentères et leurs filaments sont délimités de part et d’autres par deux couches de gastroderme séparés par de la mésoglée (Mullen et al. 2004a) (Figure 1.2).
Figure 1.2 : Coupe schématique à travers les tissus d’un madrépore. A : au niveau d’un tentacule, B : au niveau du coenosarc (Vidal-‐Dupiol et al. 2009a).
La mésoglée consiste en une substance gélatineuse, des fibres de collagène et quelques cellules. Ces cellules peuvent être des fibroblastes sécrétant la matrice et les fibres de collagène, ou des amoebocytes, granulaires ou non, ayant rôle de phagocytes. Certaines de ces cellules auraient également été identifiées comme des cellules souches totipotentes, capables de se diviser et de se différencier en différents types cellulaires tels que des cnidocytes ou des cellules germinales (Mullen et al. 2004a); mais ces cellules mobiles restent encore mal connues.
Figure 1.3 : Coupe schématique à travers les tissus d’un Scléractiniaire, montrant les différents types de cellules caractéristiques de chacun des tissus (Galloway et al. 2007).
Les colonies de Scléractiniaires hermatypiques peuvent présenter différentes morphologies ou configurations squelettiques selon l’espèce, le type de propagation (reproduction asexuée), la profondeur ou encore l’hydrodynamisme (Helmuth and Sebens 1993, Ruppert and Barnes 1994, Veron 2000). Certaines sont branchues, d’autres foliacées ou encore massives (Figure 1.4). Le taux de croissance varie
énormément, en fonction de l’espèce et de la température de l’eau (Ruppert and Barnes 1994).
Figure 1.4 : Différentes morphologies que peuvent avoir les colonies coralliennes, base de la structure du récif (Ainsworth et al. 2010).
I.I.1.b Cycle de vie-‐reproduction
La reproduction des Scléractiniaires est principalement asexuée mais peut être sexuée. Dans le premier cas, il s’agit alors de propagation clonale par division du polype (intratentaculaire) ou par bourgeonnement de nouveaux polypes (extratentaculaire) (Figure 1.5). Dans le cas d’une reproduction sexuée, il y a fécondation suite à la libération de gamètes. Environ 75 % des Scléractiniaires sont hermaphrodites (ex. Pocillopora sp.), alors que les autres présentent des colonies de sexes différents (i.e. gonochoriques; ex. Goniastrea sp.) (Fautin 2002).
Figure 1.5 : A. Schéma d’un polype de madrépore (section longitudinale). B.
« Bourgeonnement » extratentaculaire. C. « Bourgeonnement » intratentaculaire (Ruppert and Barnes 1994). NB : connecting sheet = coenosarc.
La plupart des coraux sont qualifiés de « broadcast spawners » (géniteurs par émission) car ils libèrent leurs gamètes (ovules et spermatozoïdes) dans la colonne d’eau pour répandre leur progéniture. La fécondation se fera donc en pleine eau pour ensuite former une larve ciliée (appelée planula) qui va dériver au grè des courants durant plusieurs jours à plusieurs semaines avant de se métamorphoser et de se fixer au substrat (Ritson-‐Williams et al. 2009). Ce type de reproduction sexuée a généralement lieu la nuit, en période de pleine lune et peut être très synchronisé entre espèces selon la région géographique (Fautin and Mariscal 1991, Ruppert and Barnes 1994, Fautin 2002). D’autres coraux sont qualifiés de « brooders » (éleveurs) car les spermatozoïdes libérés vont féconder les ovules à l’intérieur de la colonie
« mère ». Donc, dans ce deuxième type de reproduction sexuée, les gamètes femelles ne sont pas libérés dans l’eau mais le corail, après fécondation, va libérer une larve planula prête à s’établir sur le substrat (Veron 2000).
I.I.2 Symbiose corail-‐zooxanthelles
Les Scléractiniaires hébergent dans leurs cellules gastrodermiques des Dinoflagellés symbiotiques du genre Symbiodinium, appelées zooxanthelles, qui leur permettent d’édifier des récifs en région tropicale. Le genre Symbiodinium est très diversifié et est le genre de Dinoflagellés symbiotiques le plus communément retrouvé en association avec des invertébrés marins tels que les cnidaires, les plathelminthes, les mollusques et les éponges, et avec des protistes tels que les foraminifères ou certains radiolaires (Trench 1979, Pawlowski et al. 2001). Ce genre comprend 8 clades phylogénétiques (contenant eux-‐mêmes différents types ou sous-‐clades), parfois désignés comme espèces à part entière (Coffroth and Santos 2005, Stat et al. 2006). Les coraux Scléractiniaires forment des symbioses avec 6 de ces clades (A-‐D, F-‐G, voir Annexe 1), mais plus particulièrement avec les clades A-‐D (Baker 2003, Goulet 2006, Mieog et al. 2009). Certains clades sont qualifiés de thermo-‐résistants, comme les clades C et D; d’autres, par contre, ont des caractéristiques plus opportunistes tel que le clade A (Mieog et al. 2009). Certains auteurs pensent toutefois que le clade D serait plutôt opportuniste et serait plus compétitif que les autres clades chez des coraux affaiblis (Stat and Gates 2011).
La plupart des eaux océaniques tropicales sont oligotrophes (NO3 < 2 μmol.L-‐
1, PO4 < 0,2 μmol.L-‐1; (D'Elia and Wiebe 1990)), c’est-‐à-‐dire pauvres en sels nutritifs et par conséquent, pauvres en productions primaire (phytoplancton) et secondaire (zooplancton). Les coraux étant carnivores, les apports de nourriture sont insuffisants pour assurer leur subsistance dans ces conditions. La présence des zooxanthelles leur est donc essentielle. Les zooxanthelles sont photosynthétiques;
elles nécessitent dès lors de la lumière afin de pouvoir réaliser la photosynthèse. Les zooxanthelles comblent, par cette voie, une grande partie des besoins énergétiques de leur hôte corallien (Trench 1979, Muscatine 1990) via des photosynthétats de formes diverses (sucres). En échange, le corail procure à ses endosymbiotes, une protection contre la prédation et les UV, et un environnement enrichi en CO2 et en nutriments (déchets métaboliques) (Muscatine and Porter 1977, Muller-‐Parker and D'Elia 1997). De par cette symbiose mutualiste avec les zooxanthelles, les coraux sont quasiment autotrophes au niveau du cycle du carbone. Le cycle de l’azote est assuré par la capture de pico-‐ (0,2-‐2 μm), nano-‐ (2-‐20 μm), et microplancton (20-‐200 μm) via les cnidocytes et le mucus produit par l’épiderme (Houlbrèque et al. 2004).
Les Scléractiniaires absorbent également des composés organiques dissous, probablement par voie transtégumentaire (Houlbrèque and Ferrier-‐Pagès 2009). Ils
