Characterization of the virulence potential of Bacillus cereus and Bacillus thuringiensis in the Drosophila melanogaster model | Caractérisation du potentiel de virulence de Bacillus cereus et Bacillus thuringiensis chez le modèle Drosophila melanogaster

Inglés. Bacillus cereus group (Bc) is composed of Gram-positive, aerobic and facultative anaerobic spore-forming bacteria. This group hosts opportunistic bacteria well known for their involvement in foodborne outbreaks (FBOs) and, more rarely, in extra-digestive infections. In 2022, Bc represented the leading cause of FBOs in France, and also the first cause in Europe of FBOS due to bacterial toxins. Bc can trigger digestive illnesses associated with two types of syndromes: diarrheal and emetic. The diarrheal syndrome is thought to result from ingestion of food contaminated with Bc spores, able to germinate in the gut and to produce the enterotoxins (Nhe, Hbl and CytK) responsible for gastrointestinal disorders.Bacillus thuringiensis (Bt), a member of Bc, is widely used in both organic and conventional farming due to its ability to produce highly specific insecticidal crystals (Cry) during sporulation. However, in recent years, questions have been raised by health authorities and several scientific studies concerning the putative involvement of Bt products in FBOs. These concerns mainly relate to the genetic proximity between Bt and some members of the Bc group responsible for FBOs, the presence of genes encoding enterotoxins and the lack of available data to assess the pathogenic potential of the strains used in agriculture.To address these concerns, genetic markers specific to the Bt subspecies used in commercial products were identified to facilitate their identification, by analyzing genomes of 286 Bc/Bt isolated from FBOs, pesticides and collections. In vitro tools using the Caco-2 cell model (for cytotoxicity and inflammation assesment) and in vivo tools using the Bt non-target insect model Drosophila melanogaster (to assess survival, intestinal permeability and diarrheal effects) were developed. These tools, tested on a panel of 48 Bacillus spp strains, revealed that the majority of the pesticidal Bt strains exhibited virulence potential in both models, in tested conditions. Complementary analyses also demonstrated for the first time in vivo that Bt was able to germinate in the Drosophila gut and to express enterotoxin genes, inducing diarrheal symptoms.Finally, using in silico tools, I identified virulence factors potentially involved in Bc pathogenicity. These analyses revealed the presence of numerous virulence genes, in addition to those encoding enterotoxins, in the genome of Bc members and particularly Bt. Moreover, a transcriptomic analysis of Bt pesticide bacteria in contact with Caco-2 cells revealed the overexpression of most of the virulence and motility genes, while genes associated with fatty acids and biotin metabolism were found repressed.My PhD work provided new data related to the enteropathogenic potential of pesticidal Bt strains, as well as tools for quantifying the risk associated with their use. My results can be further used to implement appropriate measures concerning the evaluation and use of these products in agriculture.

Francés. Le groupe Bacillus cereus (Bc) est composé de bactéries à Gram positif sporulantes, aéro-anaérobies facultatives. Ce groupe est connu pour son implication dans des toxi-infections alimentaires collectives (TIACs) et, plus rarement dans des infections extra-digestives. En 2022, le groupe Bc constituait la première cause de TIACs en France, ainsi qu'en Europe pour les TIACs dues aux toxines bactériennes. Les pathologies digestives causées par Bc sont associées à deux types syndromes : diarrhéique et émétique. Le syndrome diarrhéique est supposé résulter de l'ingestion d'aliments contaminés par des spores de Bc, capables ensuite de germer dans l'intestin et d'y produire les entérotoxines (Nhe, Hbl et CytK), à l'origine de l'apparition de troubles gastro-intestinaux.Bacillus thuringiensis (Bt), membre du groupe Bc, se distingue par sa capacité à produire durant la sporulation des cristaux insecticides (toxines Cry), possédant une forte spécificité d'action. En raison de cette spécificité, les formulations à base de spores de Bt et des toxines Cry sont largement utilisées, aussi bien en agriculture biologique que conventionnelle. Toutefois, ces dernières années, leur implication potentielle dans les TIACs a été soulevée par les autorités sanitaires, ainsi que dans plusieurs études scientifiques. Ces interrogations portent en particulier sur la proximité génétique des Bt pesticides avec certains membres du groupe Bc responsables de TIACs, sur la présence dans leur génome des gènes codant pour les entérotoxines, et sur le manque d'information concernant leur pouvoir pathogène.Pour répondre à ces préoccupations, une analyse de 286 génomes de Bc/Bt issus de TIACs, de pesticides et de collections a été réalisée afin d'identifier des marqueurs génétiques spécifiques des sous-espèces de Bt utilisées dans les formulations commerciales et ainsi faciliter leur identification. Des outils in vitro utilisant le modèle cellulaire Caco-2 pour étudier la cytotoxicité et le potentiel inflammatoire des souches de Bc/Bt, ainsi que des outils in vivo utilisant le modèle insecte Drosophila melanogaster non-cible de Bt, pour estimer la survie, la perméabilité intestinale et quantifier les effets diarrhéiques, ont été développés. Ces outils, testés sur un panel de 48 souches de Bacillus spp ont révélé que la majorité des souches de Bt pesticides présentaient un potentiel de virulence avéré sur les deux modèles, dans les conditions testées. Lors d'analyses complémentaires, j'ai également démontré pour la première fois, in vivo, qu'une souche de Bt était en mesure de germer dans l'intestin et d'exprimer les gènes des entérotoxines chez la drosophile, induisant des symptômes diarrhéiques.Avec l'utilisation d'outils de recherche de gènes in silico, j'ai réalisé une approche exploratoire afin d'identifier les facteurs de virulence impliqués dans le pouvoir pathogène de Bc. Ces analyses ont révélé la présence de nombreux facteurs, en plus des entérotoxines, chez les membres de Bc et notamment chez Bt. De plus, une analyse du transcriptome des bactéries au contact de cellule Caco-2 a révélé une surexpression de la plupart des gènes de virulence et de mobilité, tandis que les gènes associés aux métabolismes des acides gras et de la biotine étaient réprimés chez les sous-espèces de pesticide de Bt.Mes travaux apportent ainsi des données nouvelles sur le pouvoir pathogène des souches de Bt pesticides, et ont permis le développement d'outils de quantification du risque associé. Mes résultats pourront ensuite être utilisés pour mettre en place des mesures adaptées concernant l'évaluation et l'utilisation de ces produits en agriculture.