Evolution, competition and cooperation in bacterial populations

Evolution, compétition et coopération dans les populations bactériennes

Thomas Julou (1)

1 LPS - Laboratoire de Physique Statistique de l'ENS

The interplay of environment, heritability, and stochasticity results in the development of different individuals starting from a given genotype. This phenotypic variability affects how natural selection acts on genetic variability. From a general perspective, I aim at studying the impact of phenotypic variability on adaptive dynamics. In the first chapter, I report on the design of an evolutionary experiment in a structured environment using Escherichia coli. The trait under selection is resistance to high temperature. In particular, we study the effects of high temperature on chemotaxis, as well as the impact of acclimation on growth and survival at high temperature. The second chapter is about the development of a microbial population measurement device dedicated to diluted populations. This continuous, non-invasive measurement has a low detection limit that depends on the species. For the model species Escherichia ecoli, the limit is ca. 5000/mL which represents a 100-fold improvement compared to classical photometric methods. In the third chapter, we study the distribution of pyoverdine between individuals of a clonal population of Pseudomonas aeruginosa. The variability of the concentration of this siderophore is much greater than expected. Although pyoverdine is considered to be a public good, neither spatial heterogeneity nor heritability provide a meaningful description of the variability. Instead we characterize rapid fluctuations in pyoverdine concentration, and propose a model based on a phenotypic switch in pyoverdine metabolism that is in good agreement with the experimental data.

Les différents facteurs que sont l'environnement, l'héritabilité et la stochasticité contribuent au développement d'individus différents à partir d'une information génétique donnée. Cette variabilité phénotypique modifie l'action de la sélection naturelle sur la variabilité génétique. Un fil conducteur de ce travail est l'étude de l'impact de la variabilité phénotypique sur les dynamiques d'adaptation. Le premier chapitre expose la conception d'une expérience d'évolution de Escherichia coli dans un environnement structuré. Le trait sélectionné est la resistance aux hautes températures. En particulier, nous étudions les effets de la température sur le chimiotactisme ainsi que l'impact de l'acclimatation sur la croissance et la survie à haute température. Le deuxième chapitre porte sur la réalisation d'un dispositif de mesure de population microbienne à basse concentration. Cette mesure est continue et non invasive et sa limite de détection varie selon l'espèce. Pour l'espèce modèle Escherichia ecoli, la limite est environ 5000/mL soit une amélioration d'un facteur 100 par rapport à la photométrie classique. Dans le troisième chapitre, nous étudions la distribution de la pyoverdine entre les individus d'une population clonale de Pseudomonas aeruginosa. La variabilité de la concentration de ce sidérophore considéré comme un "bien commun'' est beaucoup plus grande que celle attendue et ne peut être expliquée en terme de répartition spatiale ou d'héritabilité. Après avoir caractérisé des fluctuations rapides de la concentration en pyoverdine, nous proposons un modèle de switch phénotypique dans le métabolisme de la pyoverdine qui est en très bonne adéquation avec les observations.

Mots clés: phenotypic variability; bacteria; high temperature; spatial structure; adaptation; cell counting; pyoverdine

Mots clés: variabilité phénotypique; structure spatiale; comptage cellulaire; haute température; bactérie

Domaines: Biophysique [physics.bio-ph]; Ecologie, Environnement

Thomas Julou. Evolution, competition and cooperation in bacterial populations. Biological Physics [physics.bio-ph]. Ecole Normale Supérieure, 2011. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00600569⟩