Biodiversité et Écologie Microbienne - PDF

Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université Benyoucef Benkhedda Alger- 1 Faculté des sciences Département des sciences de la nature et de la vie Intitulé d...

Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université Benyoucef Benkhedda Alger- 1 Faculté des sciences Département des sciences de la nature et de la vie Intitulé de la matière: Interactions microbiennes et socio-microbiologie (IMSM) Présentation de la matière Unité d’enseignement fondamentale 1-S2 Cours 3h/semaine et le TP 3h/ semaine Coefficient : 4; crédits: 8  Programme la matière: Interactions microbiennes et socio-microbiologie (IMSM) I. Rappel sur la biodiversité et l’écologie microbienne II. Adhésion bactérienne III. Biofilms microbiens IV. Quorum Sensing V. Interaction de la microflore du sol VI. Associations symbiotiques VII. Pathogénie bactérienne VIII. Réponse au stress bactérien  Interactions microbiennes et socio- microbiologie Interactions entre les Interactions entre les microorganismes microorganismes et  Compétition; eucaryotes  Antagonismes,  Symbiose des légumineuses;  Parasitisme,  Mycorhizes ,  Prédation.  Avec les êtres humains. Mécanismes Rôles de la socio- moléculaires mis en microbiologie œuvre par les bactéries  Phénomènes de  Production des communication cellulaire, toxines,  Quorum sensing,  Adhésion.  Biofilms;  Chapitre I. Rappel sur la biodiversité et l’écologie microbienne Introduction Les premiers microorganismes unicellulaires seraient apparus sur notre planète, il y a environ 4 milliards d'années. Depuis, ces microorganismes se sont développés vers diverses formes de vie telles que les bactéries, les champignons, les algues, les protozoaires et les virus, animaux, végétaux…etc. On trouve des microorganismes dans tous les écosystèmes (eau, air, sol, aliment…etc.). Certains microorganismes peuvent s’associer aux plantes ou aux humains ou aux animaux et entretenir une relation de symbiose, de commensalisme ou de parasitisme.  1- Diversité du monde vivant Le monde vivant est constitué d’une collection infinie d’organismes unicellulaires et pluricellulaires en perpétuelle évolution. Pour certains microbiologistes, un organisme vivant est considéré ainsi s’il répondait aux trois principaux critères : auto-renouvellement, autoconservation, auto-reproduction.  Auto-renouvellement Autoconservation Organisme Auto-reproduction vivant Les organismes vivants sont capables de: Auto- renouvellement en faisant des échanges de matières, d’énergies et d’informations avec le milieu, Auto-conservation par des copies de séquence génétique ADN par la transmission de l’information génétique qu’elle porte et par le décodage de cette information génétique pour synthétiser des protéines de fonctionnement (enzymes) ou de structure. Auto-reproduction; la reproduction peut-être asexuée ou sexuée. L’étude taxonomique des organismes avait commencé par une description phénotypique (morphologique, anatomique, cytologique, écologique, biochimique, nutritionnelle ….) en vu de les regrouper en taxon puis les classer. Cette approche a été suivie par une taxonomie génotypique et phylogénétique. Le botaniste français Joseph Pitton de Tournfort (1656-1708) réuni les espèces en genre; Le naturaliste suédois Carl Von Linné (1707- 1778), fondateur de la systématique et taxonomie les a classées en groupes ou taxons de plus en plus larges; Charles Darwin (1809-1882) a fait correspondre la classification des êtres vivants à leur histoire évolutive. Ernest Haeckel (1834-1919) la classification devait refléter la phylogénie, c'est-à-dire l’histoire de la descendance des êtres vivants. Les principaux taxons sont : espèce, genre, famille, ordre, classe, embranchement ou phylums et règne. Un taxon ou clade contient un ancêtre et tous ses descendants. Les organismes vivants avaient été répartis en deux ensembles biotiques : Les Procaryotes (de pro = primitif et karyon = noyau) Les Eucaryotes (eu = vrai) et cinq Règnes (Procaryotes, Protistes, Mycètes, Animaux et Plantes). Ensuite un autre groupe Acaryote a été admis pour regrouper les Virus. Cependant d’autres microbiologistes ne considèrent pas les virus comme des êtres vivants pour les critères évoqués précédemment. Les progrès réalisés en biologie moléculaire ont montré que cette division en deux règnes était simpliste. Tous les organismes vivants ont un génome qui dérive de celui de leurs ancêtres mais, au cours du temps, des mutations apparaissent et s’accumulent. Cette accumulation de mutation permet de reconstruire l’histoire des organismes vivants en postulant que plus deux génomes sont semblables plus les organismes sont apparentés. Les gènes qui codent pour les ARN ribosomaux (ARNr) ont des fonctions universelles, ils sont présents chez tous les êtres vivants et ils ont une structure bien conservée car une modification structurale importante peut avoir des conséquences sur les synthèses protéiques (il existe même des portions d’ARNr dont la séquence est identique chez tous les êtres vivants). L’analyse des séquences des ARNr a permis, en 1970, a Carl Woese de séparer tous les organismes vivants en trois grands groupes appelés domaines. Le domaine des "Bacteria" (ou" Eubacteria") ou « vrai bactéries », le domaine des "Aechaea" ou "Archaeobactéria" du grec archaios, ancien et backterion, bâton) qui comportent les bactéries "extremophiles" vivant dans des environnement hostiles, thermophiles ou halophiles; le domaine des Eucarya qui possèdent un vrai noyau délimité par une membrane nucléaire, constitué de plusieurs chromosomes et d’un nucléole. Figure. 1 : arbre phylogénétique universel, établi par comparaison de séquences du gène ARNr (Carl Woese, 1970). 1-1- Eucaryotes (Eucarya): étant donné que les cellules animales et végétales sont eucaryotes, il en résulte que les micro-organismes eucaryotes sont les ancêtres des organismes pluricellulaires. L’étude de l’arbre universel du vivant le confirme : les micro-organismes eucaryotes divergent de la branche commune des eucaryotes avant les plantes et les animaux. Les principaux représentants des micro-organismes eucaryotes sont : Algues Mycètes Protozoaires Algues  Elles présentent des caractères anatomiques et morphologiques typiquement végétaux.  Elles ont une membrane cellulosique.  Ce sont des microorganismes photosynthétiques les plus nombreux à la surface de la terre.  On les retrouve partout ou il y a de l’eau, de la lumière et des éléments nutritifs.  Elles jouent un rôle dans des secteurs divers de l’économie humaine. Quelques espèces sont pathogènes comme Gonyaulax qui sécrète une toxine et se concentre dans les glandes digestives de certains mollusques (moules, pétoncles, huitres) la consommation de ces mollusques contaminés provoque une paralysie grave. Protozoaires  Ils forment un groupe très hétérogène de micro- organismes eucaryotes.  Ils sont dépourvus de pouvoir photosynthétique et de cellulose.  Ils sont unicellulaires et mobiles. Ils sont classés d’après la nature de leur appareil locomoteur et les caractéristiques de leurs cycles vitaux. Certains, parasites de l’Homme, sont pathogènes en provoquant des maladies comme la maladie du sommeil, le paludisme ou l’amibiase. Mycètes Ce sont des organismes eucaryotes non photosynthétiques, vivent dans le sol humide, dégradent les matières organiques issues de cadavres animaux et résidus végétaux. Ils ont un rôle important dans le recyclage des matières organiques. Ils représentent un grand intérêt économique car à partir de différentes souches on peut obtenir une très grande variété de substances organiques utilisées dans les aliments à l’exemple de Pénicillium dans le Camembert ou Saccharomyces cerivisiaie pour la fabrication du pain. Certaines espèces sont parasites et pathogènes. Les maladies produites sont les mycoses dont certaines sont graves. Les antibiotiques sont inefficaces. Les traitements de ces mycoses est délicat. Certains champignons sécrètent des toxines en particulier Aspergillus flavus qui contamine les arachides et qui donne le cancer du foie. 1-2- Archéobactéries " Archaea" ou Archaeobacteria Les archéobactéries caractérisées par des cellules sans noyau et se distinguant des eubactéries par certains caractères chimiques dont la constitution de la membrane cellulaire Les archéobactéries se développent dans les conditions de vie qui sont très difficiles voire impossibles pour la plupart des autres organismes. Par exemple, Pyrobaculum provient de réservoirs profonds de pétrole chaud Methanopyrus se développe dans un fumeur de mer profonde Pyrobaculum composé de fluides hydrothermaux émergeant des chambres magmatiques à des températures allant de 200°C à 350°C Methanopyrus et enfin Pyrobolus peut proliférer à 113°C. Par ailleurs certaines archéobactéries peuvent proliférer en présence de NaCl à 30 %, à un pH=0 ou dans des mares bouillantes. Sur la base de critères, les archées ont été divisées en trois grands groupes : Les archéobactéries méthanogènes Les archéobactéries halophiles Les archéobactéries thermophiles 1.3. Eubactéries "Bacteria" ou "Eubacteria Les eubactéries comprennent la plupart des bactéries, excepté les archéobactéries. Elles occupent la plupart des milieux, et constituent certainement en nombre de cellules, peut être en masse, la plus grande partie du vivant. Elles remplissent des fonctions fondamentales dans l’écosystème terrestre, comme par exemple dans le cycle de l’azote ou du soufre. Elles jouent aussi un rôle important dans le recyclage des déchets organiques. Les eubactéries peuvent être phototrophes (tirant leur énergie de la lumière), chimiotrophes (trouvant leur énergie de gradients chimiques non organiques), hétérotrophes (trouvant leur énergie dans la matière organique qu’elle soit vivante (parasitisme) ou morte. Classification des bactéries Embranchement des Protéobactéries Il comporte la majorité des bactéries à gram négatif, elle forment actuellement le groupe taxinomique de bactéries le plus nombreux, les classes des Protéobactéries sont désignées par des lettres greques Capables de se développer avec des faibles quantités de nutriments et certaines ont la capacité de fixer l’azote (Rhizobium) Communs avec les alpha-Protéobactéries Contient plusieurs agents pathogènes pour l’homme Les gamma-Protéobactéries constituent la classe de bactéries la plus nombreuse et comprennent des microorganismes très diversifiés sur le plan physiologique. Les delta- protéobactéries comptent des prédateurs de diverses autres bactéries. Elles jouent également un rôle majeur dans le cycle du soufre La plus petite classe de Protéobactéries bâtonnets minces qui peuvent être droits ou incurvés. La taxinomie des Bactéries photosynthétiques Classe des Chlorobia Anaérobies obligatoires et photolithoautotrophes et utilisent le soufre d’hydrogène comme source d’électron. Bactéries à morphologie particulière, avec des cellules compartimentées. Retrouvées dans des environnements aquatiques d’eau douce et des divers sols. 1.L’embranchement des Chlamydia Les chlamydies présentent un cycle de développement unique, qui constitue leur caractéristique le plus distinctive. Ils forment au cours de leur cycle vital des structures appelées corps élémentaire à partir d’un corps réticulé; ces structures constituent la forme infectante du microbe (parasites intracellulaire obligatoire) 2. L’embranchement des Spirochaetes Les spirochètes ont une morphologie spiralée qui leur donne l’apparence d’un ressort de métal. Cependant, leur trait le plus distinctif est leur mode de mobilité, qui dépend de deux ou plusieurs filaments axiaux logés entre une enveloppe externe et le corps de la bactérie, on parle d’endoflagelle  Les bactéries à Gram positif Les Gram positif peuvent être divisées en deux groupes: Ceux qui ont un rapport G+C élevé, et ceux qui ont un faible teneur en G+C, Ces groupes bactériens sont placés dans des phylums distincts, les Firmicutes (faible en GC) et les Actinobactéries (hauts en GC) Les mycoplasmes (Firmicutes) sont hautement pléomorphe, car ils n’ont pas de paroi cellulaire et peuvent produire des filaments ressemblant à des champignons. Ils dépendent de l’hôte pour leur survie et ne survivent pas en tant qu’microorganismes libres. Les actinobactéries De nombreuses bactéries de ce phylum ont une morphologie extrêmement pléomorphe. Plusieurs genres tels que Streptomyces se développent sous forme de filaments ramifiés, ou en forme d’étoile, superficiellement , leur morphologie ressemble à celle des champignons filamenteux. Ecologie microbienne est une discipline au carrefour de l’écologie et de la microbiologie. Elle consiste: - à caractériser la biodiversité microbienne d'un écosystème, -permet d’étudier la place et le rôle des micro-organismes dans un habitat (environnement, écosystème) ainsi que les interactions des microorganismes entre eux et avec leur milieu. 2- Diversité du monde microbien et écosystèmes Les bactéries, avec les autres micro-organismes participent pour une très large part à l’équilibre biologique existant sur la surface de la terre. Elles colonisent en effet tous les écosystèmes et sont à l’origine de transformations chimiques fondamentales lors des processus biogéochimiques responsables du cycle des éléments naturels. 1-Les eaux naturelles (écosystème aquatique) comme les eaux marines (océans) ou les eaux douces (lacs, mares, étangs, rivières…) sont des habitats microbiens très importants. Les matières organiques en solution et les minéraux dissous permettent le développement des bactéries. Les bactéries participent dans ces milieux à l’autoépuration des eaux. Les bactéries composant le plancton des milieux aquatiques sont appelées les bactérioplanctons. 2- Le sol est composé de matière minérale provenant de l’érosion des roches et de matière organique (l’humus) provenant de la décomposition partielle des végétaux. -La flore microbienne y est très variée comprend: en plus des champignons, des protozoaires, des bactéries qui sont les représentants les plus importants quantitativement. On peut y trouver tous les types de bactéries, des autotrophes, des hétérotrophes, des aérobies, des anaérobies, des mésophiles, des thermophiles. Certaines bactéries sont capables de dégrader des substances insolubles d’origine végétale comme la cellulose, la lignine, de réduire les sulfates, d’oxyder le soufre et de produire des nitrates. Les bactéries jouent un rôle dans le cycle des nutriments des sols et sont notamment capables de fixer l’azote. Elles ont donc un rôle dans la fertilité des sols pour l’agriculture ou leur restauration. Les bactéries abondent au niveau des racines des végétaux avec lesquels elles vivent en mutualisme (est une interaction entre deux espèces, dans laquelle les organismes impliqués tirent tous les deux profit de cette relation.), en effet certaines bactéries vivent en symbioses dans les nodules des racines ou des tiges des légumineuses. L’eau n’est pas toujours disponible dans les sols. Les microorganismes tels que les bactéries ont mis en place des stratégies pour s’adapter aux périodes sèches. Les Clostridium et les Bacillus produisent des endospores ou d’autres types de spores chez les Actinomycètes. 3- Importance des microorganismes dans les différents domaines Les champignons sont utilisés car: Ils sont très diversifiés, présents partout, très adaptatifs, ont une importance primordiale dans de nombreux domaines. Cycle biogéochimique de la matière : importance de la biodiversité microbienne dans les cycles du carbone, de l'azote et du phosphate… Dépollution naturelle des milieux grâce aux micro-organismes utilisés dans le traitement des eaux usées ou des sols pollués. Agriculture : interaction des microorganismes avec les plantes (symbiose ou pathogène). Agroalimentaire L’importance de la biodiversité microbienne dans des processus de transformation ou de fermentation de produits alimentaires (fromage, yaourt), Biotechnologie : Connaissance de la biodiversité microbienne pour caractériser des nouvelles molécules ayant des propriétés intéressantes pour les milieux pharmaceutiques et/ou industriels. Maîtrise des flores pathogènes via un ensemencement contrôlé. 4- Micro-organismes et leurs différents types d’interactions biotiques L’interaction est un caractère fondamental du vivant tout comme le métabolisme. Elle prend des formes diversifiées particulièrement chez les micro-organismes. Ces derniers interagissent non seulement entre eux mais aussi avec des plantes et les animaux. Les interactions peuvent être conflictuelle ou bénéfiques. Les interactions conflictuelles ont un effet négatif sur l’un ou plusieurs partenaires. Parmi elles, on trouve la compétition, l’amensalisme, le parasitisme. Les interactions bénéfiques ont un effet positif sur l’un ou plusieurs intervenants. Parmi elles, on trouve la coopération, mutualisme, symbiose, commensalisme. 4-1. Interactions entre micro-organismes a)Interactions conflictuelles Ces interactions sont la plupart des cas basées sur des aspects trophiques car les ressources sont toujours limitées. Classification des différentes interactions microbiennes possibles  Compétition Dans ce type d’interaction deux ou plusieurs micro- organismes ont une même ressource environnementale limitée qu’il s’agisse d’un élément nutritif ou d’espace vital. La compétition permet la diversité microbienne. En effet, elle modifié l’équilibre entre les populations en stimulant des populations microbiennes à diversifier leur capacité métaboliques.  Parasitisme Cette interaction est souvent décrite comme relevant de la prédation. En outre la bactérie Bdellovibrio bacteriovorus commence par pénétrer le périplasme de l’hôte et sceller le pore d’entrée. Elle se réplique ensuite à l’intérieur pour donner les cellules filles. Bdellovibrio bacteriovorus Certaines maladies des plantes sont causées par des champignons et des virus qui pénètrent souvent par des blessures. De nombreuses bactéries foliaires sont phytopathogènes. Exemple : Erwinia amylovora responsable de « feu bactérien » sur poirier et pommier, Xanthomonas campestris agent responsable des lésions et nécrose sur le limbe.  Amensalisme (Antagonisme) Une population produit une substance toxique pour une autre population: Acides organiques ou minéraux, éthanol , antibiotique b) Interaction bénéfiques Commensalisme C’est une interaction où un micro-organisme en tire un bénéfice mais l’autre n’en tire aucun. On peut citer l’exemple de bactérie chimiolithotrophe nitritante Nitrosomonas transforme l’ammonium en nitrite alors que la bactérie chimiolithotrophe nitratante Nitrobacter transforme le nitrite en nitrate. Par conséquent Nitrobacter dépend de ce que Nitrosomonas lui fourni alors que le bénéfice que cette dernière tire de la présence de Nitrobacter est moins évident.  Mutualisme Chaque composante produit un composé qui est bénéfique à la croissance de l’autre. C’est une relation obligatoire dans laquelle le mutualiste et l’hôte dépendent l’un de l’autre.  Coopération La distinction la plus utile entre coopération et mutualisme est le constat que les organismes coopérants peuvent être séparées les uns des autres et rester viables, même s’ils ne fonctionnent pas aussi bien.  Symbiose La symbiose est une association étroite entre deux organismes différents qui est bénéfique pour les deux. Les population tirent bénéfice réciproque de l’interaction)