L'intégration et la dégradation des virus (ou phages) au sein des génomes bactériens (alors nommés prophages) constituent un flux de gènes promouvant la diversification génétique de leurs hôtes. Les mécanismes à l'origine de l'impact évolutif des prophages sur leurs hôtes restent cependant mal compris. La première partie de la thèse s'est attachée à comprendre comment les prophages sont adaptés aux contraintes liées à l'organisation génétique et structurelle des chromosomes d'Escherichia et de Salmonella. Ces résultats ont mis en évidence une forte conservation des positions d'intégration des prophages, ainsi que différentes adaptations des phages à l'organisation chromosomique hôte. L'origine de la diversité génétique des phages tempérés a été au centre de la deuxième partie de la thèse. L'étude des phages lambdoïdes a révélé l'existence de deux stratégies de recombinaison chez ces phages: utilisation du système de recombinaison RecBCD de l'hôte via la présence de sites Chi ou utilisation de leur propre système de recombinaison. Ceci suggère que l'utilisation de l'une ou l'autre des stratégies a un impact important sur la diversification et le mosaïcisme génomique phagique. Enfin, la détection et l'analyse de prophages hérités verticalement au sein des génomes hôtes ont montré que de nombreux prophages partiellement dégradés sont conservés et évoluent sous sélection purificatrice. Ces résultats suggèrent que de nombreux prophages sont potentiellement des éléments fonctionnels domestiqués par la bactérie. L'ensemble de ces analyses permet de préciser les mécanismes permettant aux prophages de contribuer à la diversification des répertoires de gènes de leurs hôtes. / The integration and degradation of viruses (or phages) constitute a genetic influx of genes within bacterial genomes (then named prophages). This process is thought to promote bacterial diversification. The mechanisms promoting the evolutionary impact of prophages on their hosts remain poorly understood. The first part of my thesis focused on the adaptation of prophages to the genetic and structural organization of the chromosome of Escherichia and Salmonella. These results showed a strong conservation of prophage integration positions and different adaptations of prophages to the chromosome organization of their hosts. In a second study, I focused on the mechanisms of genetic diversification of phages. The study of lambdoid phages revealed the existence of two recombination strategies among these phages: using the host recombination system RecBCD through the presence of Chi sites or using their own recombination system. This work suggests that using one or the other recombination strategy has an important impact on the genomic diversification and mosaicism of these phages. Finally, by detecting and analyzing vertically inherited prophages within their host genomes, I showed that many degraded prophages are conserved and evolve under purifying selection. This suggests that many prophages are potentially domesticated by bacteria. Altogether, these analyses are improving our understanding of the contribution of prophages to the genetic diversification of their hosts.

L’accumulation récente de données de séquences génomiques a montré que l’évolution des gènes n’est pas strictement arborescente. De nombreux processus évolutifs, comme l’exon shuffling, la fusion de gènes ou la recombinaison illégitime remodèlent les gènes, créant des structures composites, formées de parties dont les histoires évolutives sont différentes. Le développement de réseaux de similarité de séquences fournit un cadre analytique permettant d’étudier l’impact de ces processus sur l’évolution moléculaire, en structurant les relations de ressemblance entre séquences et en formalisant en termes de graphes la détection de gènes (triplets intransitifs) et de familles de gènes (cliques minimales séparatrices) composites. La taille des jeux de données actuels, de l’ordre de plusieurs millions de séquences, a également requis le développement de nouveaux outils et méthodes : parallélisation des comparaisons de séquences, visualisation de très grands réseaux par simplification en communautés de Louvain et identification de grands cycles. Appliquées à des jeux de données de génomes eucaryotes et viraux, ces méthodes ont démontré la présence de gènes composites dans tout le vivant et les éléments génétiques mobiles. En proportion, les gènes composites sont plus nombreux dans les génomes eucaryotes ; en nombre absolu, ils sont plus nombreux à être portés par des virus. Chez ces derniers, la distribution fonctionnelle des gènes composites est biaisée (enrichissement dans les familles essentielles pour la perpétuation du cycle viral), et les éléments des gènes composites trouvent même parfois leurs origines dans le matériel génétique de classes virales différentes. Plus généralement, l’étendue des processus combinatoires, en révélant des liens évolutionnaires autres que les liens d’homologie au sens fort, justifie une étude pluraliste des relations de similarité entre séquences. / The recent accumulation of genomic sequence data has shown that gene evolution is not strictly tree-Like. Many evolutionary processes, like exon shuffling, gene fusion or nonhomologous recombination remodel genes by creating composite structures that are made from parts with different evolutionary histories. The development of sequence similarity networks provides an analytical framework to study the impact of these processes on molecular evolution, by structuring the resemblance relationships between sequences and by formalizing, in terms of graph theory, the detection of composite genes (intransitive triplets) and gene families (clique minimal separators). The size of current data sets, typically several million sequences, has also required the development of new tools and methods: sequence comparison parallelization, large networks visualization with Louvain communities and large cycles identification. When applied to eukaryotic and viral genome data sets, these methods have shown that composite genes are found throughout cellular organisms and mobile genetic elements. Proportionally, composite genes are more numerous in eukaryotic genomes; in absolute number, they are more numerous in viruses. In the latter, composite genes functional distribution is biased (enrichment of genes families that are essential for the perpetuation of the viral cycle), and the various parts of composite genes sometimes even originate from the genetic material of different viral classes. More generally, the extent of combinatorial processes, by unravelling other evolutionary bonds than homology bonds in the strictest sense, legitimates a pluralistic study of similarity relationships between sequences.

La génération de la diversité morphologique n’implique pas seulement l’émergence de nouveaux caractères morphologiques, mais aussi la modification de caractères pre-existants. Des changements dans l'expression génique sous-tendent l’apparition et la divergence de morphologies au cours de l'évolution. Les variations de l'expression d'un gène peuvent résulter des modifications dans la séquence nucléotidique de ses éléments cis-régulateurs (ECRs) et/ou dans la séquence codante des facteurs de transcription (FTs) qui le régulent. En conséquence, la compréhension de l'évolution d'un nouveau trait exige l'élucidation des modifications en cis et en trans expliquant les différences d'expression des gènes. Les études sur la pigmentation des drosophiles ont considérablement contribué à notre compréhension du rôle joué par la modification des ECRs dans la diversification morphologique. Pour comprendre les mécanismes génétiques et moléculaires qui sous-tendent l’émergence et la diversification des traits morphologiques, nous avons décidé d’étudier l'évolution des motifs de pigmentation de l’aile chez les mouches du groupe d'espèces Drosophila melanogaster. Nous constatons que la diversification des modes de pigmentation de l’aile dans ce groupe est en corrélation avec la divergence d'expression d'un gène de pigmentation, yellow. Nous avons choisi de disséquer la régulation transcriptionnelle de yellow dans l’une des espèces tachetées, Drosophila biarmipes, avec pour objectif d'élucider les mécanismes responsables de la diversification de l'expression de yellow.Drosophila biarmipes, une espèce proche de Drosophila melanogaster, a développé une nouvelle tache de pigmentation sur aile qui est absente chez D. melanogaster. L'évolution de ce caractère est corrélée au changement d’expression de yellow. Une précédente étude a identifié, dans la région 5' du promoteur de yellow de D. biarmipes, un ECR qui suffit à reproduire une partie de l'expression de yellow lorsqu’il est transformé chez D. melanogaster. Avec un crible RNAi, j’ai identifié cinq FTs qui peuvent réguler l’ECR de yellow. Un de ces candidats, Distal-less, est exprimé d’une façon qui correspond à celle de l'expression de yellow et au profil de la pigmentation de l’aile chez D. biarmipes. Une analyse comparative de Distal-less et yellow a mis en évidence que les profils d'expression de ces gènes sont également corrélés avec les différents patrons de pigmentation dans les ailes d’autres espèces de drosophiles. J’ai aussi pu montrer que la surexpression de Distal-less dans l’aile de D. biarmipes est suffisante pour induire de la pigmentation ectopique. Ceci suggère que Distal-less ne régule pas seulement yellow, mais l’ensemble des gènes de pigmentation nécessaires à l’apparition de tache chez D. biarmipes. Mon travail montre que l'évolution de nouveaux motifs de pigmentation a commencé par le recrutement de Distal-less sur une batterie de gènes pigmentation. A partir de ces constatations, nous proposons un modèle expliquant les mécanismes de régulation conduisant à l'émergence et la diversification des motifs de pigmentation de l'aile au sein du groupe d'espèces melanogaster. Nous suggérons que dans un ancêtre commun de ce groupe, Distal-less a été recruté par une batterie des gènes de pigmentation, qui conduisent à l'émergence d'un motif de pigmentation. Par ailleurs, nous faisons l’hypothèse qu’une fois un lien régulatoire a été formé entre Distal-less et les gènes de pigmentation, alors la divergence d'expression de Distal-less pourrait entraîner des changements dans la régulation spatiale de tous les gènes de pigmentation donnant lieu à la diversification des motifs de pigmentation. / The generation of morphological diversity involves not only the emergence of novel morphological traits but also the modification of pre-existing ones. To understand the genetic and molecular mechanisms underlying the gain and diversification of morphological traits, we chose to study the evolution of wing pigmentation patterns in a group of flies in the melanogaster species group. We find that the diversification of wing pigmentation patterns in this group is mirrored by the divergence of expression of a pigmentation gene, yellow. To decipher the regulatory mechanisms underlying the diversification of yellow expression, we chose to dissect the transcriptional regulation of yellow in one spotted species, D. biarmipes. A functional dissection of the yellow spot enhancer, situated at the 5’ of the D. biarmipes yellow promoter, shows that a homeobox transcription factor, Distal-less (Dll), is a direct activator of yellow. Moreover, we show that ectopic expression of Dll is sufficient to induce ectopic pigmentation in D. biarmipes, which suggests that Dll is regulating yellow and other pigmentation genes. Furthermore, we find that the divergence of Yellow expression pattern in the melanogaster species group is correlated with the divergence in expression of Dll. Based on our findings we propose a model to explain the regulatory mechanisms that lead to the emergence and diversification of wing pigmentation patterns within the melanogaster species group. We suggest that in a common ancestor of all spotted species within the Oriental lineage, there was a gain of regulatory links between Dll and terminal pigmentation genes, such as yellow, which lead to the emergence of an ancestral pigmentation pattern. We further propose that once a regulatory link was formed between Dll and terminal pigmentation genes, divergence of Dll expression could lead to changes in the spatial regulation of all downstream target genes, which would give rise to the diversification of pigmentation patterns. Our study illustrates how key regulators of terminal genes could be targets for mutations that are more likely to lead to morphological diversification.

Les cténophores représentent l’un des quatre embranchements animaux extérieurs aux Bilateria. La majoritédes espèces sont planctoniques et gélatineuses, et sont reconnaissables à leurs huit rangées de peignes dont lebattement permet la nage. Leur systématique est encore de nos jours mal comprise. L'anatomie descténophores offre peu de caractères aussi bien pour placer la lignée dans l’arbre des métazoaires, que pourétablir les relations de parenté au sein de l’embranchement et délimiter les espèces, et jusqu’à présent lesdonnées moléculaires n’ont pas permis de résoudre ces problèmes de manière satisfaisante. L’objectif de cetravail de thèse est de contribuer à améliorer notre compréhension de l'évolution des cténophores àdifférentes échelles taxonomiques. A l’échelle des métazoaires, la position phylogénétique des cténophores aété abordée par une approche phylogénomique. Un effort significatif a été réalisé pour améliorerl’échantillonnage taxonomique à travers le séquençage et l’assemblage des transcriptomes de 22 espèces denon-Bilateria (cténophores, cnidaires, spongiaires). Deux jeux de données indépendants ont été analysés, lepremier représentant une mise à jour d’une supermatrice existante de 128 gènes ; le second (4235 gènes)ayant été entièrement construit de novo via un protocole original comportant la mise au point de nouvellesméthodes pour traiter de manière semi-automatisée les principales sources potentielles d’artéfact(contaminations, paralogies, données manquantes). Les résultats contredisent certaines études récentes enmontrant que les spongiaires et non les cténophores représentent le groupe-frère des autres métazoaires. Laposition exacte de ces derniers reste à ce stade incertaine (trois options se présentant suivant les analyses). Al’échelle intra-phylétique, l'analyse d'un jeu de données comprenant les marqueurs ADNr 18S et InternalTranscribed Spacers (ITS), associée à des analyses de gènes dupliqués chez les cténophores et aux analysesphylogénomiques précédentes, a permis de résoudre une grande partie des relations phylogénétiques entre lesordres et les familles de cténophores, tout en permettant de préciser la position de la racine. Enfin, à uneéchelle taxonomique plus fine, une comparaison approfondie entre deux espèces du genre Pleurobrachia aumoyen de marquages immunohistochimiques montre le potentiel de ces techniques comme source denouveaux caractères structuraux « micro-anatomiques » à valeur diagnostique pour la délimitation etl’identification des espèces de cténophores. En conclusion, ce travail se veut une contribution au progrès dela systématique d’un embranchement encore méconnu et d’une grande importance pour la compréhensiondes évènements anciens de l’évolution animale. / Ctenophores are one of the four animal phyla positioned outside from the Bilateria. Most ctenophore species are planktonic and gelatinous, and are easily recognisable by their eight comb rows used for swimming. Ctenophore systematics remains nowadays poorly understood. Anatomical characters do not help much in placing them within the animal tree, and similarly the grounds for establishment of their internal phylogeny as well as delimitation of species are notoriously weak due to a paucity of informative morpho-anatomical characters. Until now, the use of molecular data has failed to improve significantly this situation. The aim of this PhD thesis was to bring a contribution to our understanding of ctenophore evolution at different taxonomic scales. At the metazoan level, the position of ctenophores was addressed using a phylogenomic approach. Taxonomic sampling was significantly improved through sequencing and assembly of transcriptomes of 22 non-bilaterian species (belonging to ctenophores, cnidarians and sponges). Two independent datasets were analysed, one consisting in an update of an existing supermatrix of 128 genes, the other one (4235 genes) having been entirely built de novo, thanks to a newly-devised semi-automated protocol intended to eliminate all major potential causes of artefacts (contaminations, paralogies, missing data). Results clearly contradict recent phylogenomic studies which claimed Ctenophora to be the most early-diverging animal lineage, our analyses instead supporting Porifera as the sister-group to other metazoans. The exact position of ctenophores remains however uncertain at this stage, different conditions of analyses yielding three contradictory hypotheses as open possibilities. At the intra-phyletic level, analyses of a ADNr 18S and ITS (internal transcribed spacers) dataset, together with study of duplicated genes and the results of phylogenomic analyses, allowed resolving most phylogenetic relationships between ctenophore orders and families, including the placement of the ctenophore tree root. Finally, at smaller taxonomic scale, in-depth comparison between two species of the genus Pleurobrachia using immunohistochemistry demonstrates the potential of these techniques for uncovering new structural “micro-anatomical” characters useful for diagnosis and identification of ctenophore species. It is our hope that this work will contribute to improving the systematics of a poorly known phylum of great importance for understanding early animal evolution.

Il est largement accepté qu'il existe une relation évolutive entre Archées et Eucaryotes, mais la nature exacte de cette relation reste vivement débattue. Au cours de cette thèse, je me suis servie de la grande quantité de données génomiques disponibles pour étudier ce problème à travers deux approches phylogénomiques complémentaires : (i) l'analyse d'un système cellulaire archéen particulier possédant une relation évolutive avec les eucaryotes, et (ii) une analyse phylogénomique à large échelle étendue aux trois domaines du vivant. Dans la première étude, j'ai conduit une analyse détaillée d'un système cellulaire possédant un lien entre Archées et Eucaryotes, la réplication de l'ADN. J'ai réalisé une analyse phylogénomique exhaustive des composants de la réplication de l'ADN chez tous les génomes complets d'archées. Cela m'a permis de les classer précisément en terme d'orthologie, de paralogie, de transferts horizontaux de gènes, et de copies issues d'éléments mobiles. Mes résultats fournissent un panorama complet de la diversité de la réplication de l'ADN parmi les différentes lignées, and m'ont permis d'inférer l'existence d'une machinerie de réplication de l'ADN de type moderne chez le dernier ancêtre commun archéen. J'ai ainsi été capable de clarifier l'histoire évolutive qui a forgée cette machinerie cellulaire clef au cours de la diversification des archées. Mon étude m'a permis de mettre en avant un nouveau jeu de marqueurs porteurs d'information sur les relations évolutives, non encore résolues, des différentes archées. De plus, j'ai analysé, pour la première fois, le signal phylogénétique porté pour les composants de la réplication de l'ADN. Ce signal est fortement en accord avec celui porté par deux autres machineries informationnelles clefs, la traduction et la transcription, renforçant ainsi l'existence d'un arbre archéen robuste. Enfin, la plupart des composants inférés comme étant présents chez l'ancêtre archéen sont partagés avec les eucaryotes, permettant de discuter des relations évolutives entre Archées et Eucaryotes... / It is widely accepted that there exist an evolutionary relationship between Archaea and Eukaryotes, but the exact nature of this relationship is hotly debated. In this thesis I have taken advantage of the large available genomic data to investigate the issue through two complementary phylogenomic approaches: (i) the analysis of a specific archaeal cellular system with an evolutionary link to eukaryotes, and (ii) a large-scale phylogenomic analysis at the level of the three domains of life. In the first study, I carried out a detailed analysis of a cellular system with an evolutionary link between Archaea and Eukaryotes, DNA replication. I performed an exhaustive phylogenomic analysis of the components of DNA replication in all complete archaeal genomes. This allowed me to accurately assign them in terms of orthology, paralogy, horizontal gene transfers, and copies originating from mobile elements. My results provide a full picture of the diversity of DNA replication among different lineages, and allowed me to infer the presence of a modern-type DNA replication machinery in the last archaeal common ancestor. I was able to clarify the evolutionary history that shaped this key cellular machinery during archaeal diversification. My study allowed me to highlight a new set of markers that provide information on yet unclear evolutionary relationships within archaea. In addition, I analyzed, for the first time, the phylogenetic signal carried by DNA replication components. This is highly consistent with that harbored by two other key informational machineries, translation and transcription, strengthening the existence of a robust organismal tree for the Archaea. Finally, most of the components inferred to have been present in the archaeal ancestor are shared with eukaryotes, allowing discussion on the evolutionary relationships between Archaea and Eukaryotes...

La formation de l'émail dentaire met en jeu des phosphoprotéines sécrétées liant le calcium. Parmi celles-ci figurent amélogénine (AMEL), améloblastine (AMBN) et énaméline (ENAM), qui ont fait l'objet de nombreuses études chez les mammifères. Plus récemment, une quatrième protéine de la même famille a été découverte, l'amélotine (AMTN). Elle n'a été étudiée que chez les rongeurs et son rôle au cours de l'amélogenèse reste mal défini. L'objectif de cette thèse est d'élargir les connaissances sur AMTN en étudiant son évolution chez les amniotes et son expression au cours de l'amélogenèse chez le lézard Anolis carolinensis. Les séquences d'AMTN d'un grand nombre d'amniotes ont été extraites des bases de données ou obtenues par PCR, et analysées. Ces analyses ont mis en évidence différentes structures géniques et des acides aminés très conservés au cours de l'évolution. Cette conservation indique qu'ils sont essentiels à la structure ou à la fonction de la protéine. L'expression d'AMTN ainsi que celle d'AMEL, AMBN et ENAM ont été étudiées par hybridation in situ sur des coupes de mâchoires de lézard. La comparaison des patrons d'expression chez le lézard avec ceux décrits chez la souris a révélé des différences dans l'expression spatio-temporelle d'AMTN. De ce fait, afin de mieux comprendre l'évolution de ce gène, son expression a été étudiée chez un amphibien (Pleurodeles waltl) et un marsupial (Monodelphis domestica).Ces travaux suggère un lien entre l'évolution de la structure génique d'AMTN (perte d'exons et de domaines fonctionnels) et de son expression (précoce versus tardive) avec l'émergence de la structure prismatique de l'émail chez les mammifères. / Enamel formation requires the involvement of secretory calcium-binding phosphoproteins. Three of them, amelogenin (AMEL), ameloblastin (AMBN) and enamelin (ENAM), have been extensively studied in mammals. More recently, a fourth protein belonging to the same family has been identified: amelotin (AMTN). AMTN has only been studied in rodents and its role during amelogenesis remains unclear.The aim of this thesis is to extend the knowledge on AMTN by studying its evolution in amniotes and its expression in the lizard Anolis carolinensis.AMTN sequences from many amniote species have been extracted from databases or obtained by PCR, and analyzed. Those analyses allowed us to reveal differences in the gene structure and to highlight residues that were conserved during mammalian or amniote evolution. These conserved amino acids are essential to the structure and/or function of the protein.The expression of AMTN and of AMEL, AMBN and ENAM has been studied by in situ hybridization on lizard jaw sections. Comparison of the expression pattern of these genes during amelogenesis in the lizard with that described in rodents points to similarities (AMEL, AMBN and ENAM) but also to important differences, especially in the spatio-temporal expression of AMTN. In order to better understand AMTN evolution in tetrapods, I studied its expression in an amphibian (Pleurodeles waltl) and a marsupial (Monodelphis domestica).Taken together, these results suggest a link between the evolution of AMTN gene structure (loss of exons and of functional domains in mammals) and its expression (early in non-mammals versus late in mammals) with the emergence of prismatic structure of enamel in early mammals.

Les premières formes de vie sur Terre seraient apparues durant l’Archéen, il y a 4 à 2,5 milliards d’années. Durant cette période, les océans et l’atmosphère étaient anoxiques. Vers la fin de cet éon, la concentration en dioxygène a brusquement augmenté grâce à la photosynthèse, contribuant à la Grande Oxygénation de la Terre. Toutefois, en raison de la rareté des microorganismes fossiles connus, les métabolismes actifs à cette époque restent mal compris. Le fractionnement des isotopes stables du carbone est souvent utilisé comme un critère de biogénicité et pour l’appréciation des voies métaboliques présentes. Ces fractionnements peuvent être le résultat d’au moins six à huit voies de fixation du carbone. Pour étudier l’histoire évolutive des voies de fixation du carbone et de déterminer leur ordre d’émergence, j’ai appliqué une approche phylogénomique sur l’importante diversité microbienne récemment découverte. Le but était d’identifier les voies responsables des signatures isotopiques du carbone datant de l’éon Archéen inférieur (>3,2 milliards d’années). Le premier chapitre constitue une revue récente sur la diversité, l’écologie et l’évolution des Archaea. J’ai construit une phylogénie de référence des Archaea, robuste et incluant un nombre important de nouveaux génomes. Cette phylogénie m’a permis de mettre en évidence de nouveaux clades d’Archaea pour lesquels j’ai proposé des nouveaux noms. De plus, j’ai examiné la distribution des gènes marqueurs classiquement utilisés dans la taxonomie des Archaea. Dans le chapitre 2, j’ai assemblé différents jeux de données pour construire des phylogénies de référence pour les bactéries. Ceci m’a permis de discuter la classification au sein de ce domaine et la position de quelques groupes proches de la racine. Ces phylogénies des Archaea et Bacteria m’ont servi de cadre pour retracer l’évolution des voies de fixation du carbone. J’ai ensuite étudié la voie de Wood-Ljungdahl (WL) qui est considérée comme la forme la plus ancienne de fixation du carbone mais dont les origines restent encore controversées. J’ai assemblé des banques de données locales englobant 6400 génomes et couvrant toute la diversité connue des archées et des bactéries. Ces banques ont été utilisées pour des recherches exhaustives des homologues des enzymes de la branche carbonyle (chapitre 3) et méthyle basée sur la tétrahydrométhanoptérine (H4MPT; chapitre 4) de la voie de WL. Ces analyses m’ont permis d’inférer la présence d’une forme fonctionnelle de la branche carbonyle chez LUCA (Last Universal Common Ancestor). Cette voie a ensuite été héritée verticalement chez les archées et bactéries en gardant la co-localisation de ses gènes, à l’exception de quelques rares transferts intra et inter-domaines. La branche méthyle-H4MPT semble être apparue chez les archées puis transférée aux bactéries chez lesquelles elle serait impliquée dans la syntrophie ou l’assimilation du carbone. A la suite de gains et de pertes de gènes au sein de cette branche, elle a ensuite été successivement adaptée pour la méthylotrophie anaérobie, la détoxification du formaldéhyde, et la méthylotrophie aérobie. Ces résultats indiquant l’origine de la voie de WL à l’Archéen m’ont permis d’interpréter les signatures isotopiques du carbone et d’apporter des éléments sur la composition de l’atmosphère à la fin de cet éon. Enfin, dans le chapitre 5, j’ai étudié l’histoire évolutive des autres voies de fixation du carbone (Calvin-Benson-Bassham, Reductive Hexulose Phosphate, reverse Krebs, 3-hydroxypropionate bicycle, 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate, dicarboxylate/4-hydroxybutyrate). Mes résultats préliminaires m’ont permis de discuter la présence possible de ces voies pendant l’Archéen. / Life on Earth emerged during the Archean Eon (4-2.5 billion years ago). At the time the oceans and atmosphere were anoxic, and oxygen rose at the end of the Eon as a result of oxygenic photosynthesis, in what is known as the Great Oxygenation Event. Anaerobic microorganisms and metabolisms are expected to have operated at the time. However, the specifics are poorly understood, since the fossil record is scarce. The fractionation of stable carbon isotopes is often used as a criterion of biogenicity but also to interpret possible metabolic processes. Such fractionations can arise from at least six to eight different carbon fixation pathways. I took advantage of the newly available microbial diversity, and applied a phylogenomic approach to elucidate the evolutionary history of carbon fixation pathways, and determine their relative order of emergence. The aim was to deduce which ones would have been responsible for the isotopic signatures in the lower Archean (before 3.2 billion years). In the first Chapter, I reviewed the recent literature on the diversity, ecology, and evolution of Archaea. I constructed a well-resolved reference phylogeny taking into account all the novel lineages, for which genomic information has recently become available. I assigned names to some of them, as well as to some of the taxonomic units that were recovered from the phylogeny. Then I examined the distribution of genes that have been used in the past as taxonomic markers for the Archaea. Similarly, in Chapter 2, I constructed well-resolved bacterial phylogenies using different datasets, and used them to map the distribution of potential marker genes. I then discussed the taxonomic classification of Bacteria above phylum level, and the position of some possibly deep-branching phyla. From these endeavors, I gleaned highly resolved phylogenies of Bacteria and Archaea which were then used to map the evolution of carbon fixation pathways. Next, I analyzed the evolution of the Wood-Ljungdahl pathway. It is believed to be the most ancient form of carbon fixation but its origins have been controversial. I assembled local databanks of over 6400 genomes of Bacteria and Archaea encompassing all their known diversity. These were used to perform exhaustive homology searches for the components of the carbonyl (Chapter 3) and tetrahydromethanoperin (H4MPT; Chapter 4) methyl branches. A functional form of the carbonyl branch was found to date back to the Last Universal Common Ancestor. It was then inherited mostly vertically across Bacteria and Archaea with its genes remaining co-localized, except for a few rare intra and interdomain transfers. The H4MPT branch seems to have originated in Archaea and was subsequently transferred to Bacteria where its original role was probably related with hydrogen syntrophy or as a carbon assimilation electron sink. Afterward, through gene gains and losses linking the branch with other pathways, it came to be used in anaerobic methylotrophy and formaldehyde detoxification, and finally in aerobic methylotrophy. These results highlight a presence of the Wood-Ljungdahl pathway throughout the Archean, and also allow me to discuss possible inferences on the composition of the atmosphere and the interpretation of some late Archean carbon isotopic signatures.Finally, in Chapter 5, I attempt to determine the earliest possible origin for the remaining carbon fixation pathways (Calvin-Benson-Bassham, Reductive Hexulose Phosphate, reverse Krebs, 3-hydroxypropionate bicycle, 3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate, dicarboxylate/4-hydroxybutyrate), by studying the evolution of their marker genes. I managed to deduce some possible constraints about the presence of these pathways in the Archean. My results contribute to expanding our knowledge on early life, the Last Universal Common Ancestor, and the evolution of carbon fixation. They also shed light on the processes on the Archean Earth from the perspective of microbial evolution.

Le développement de nouvelles techniques a accéléré l'exploration structurale et fonctionnelle des génomes des conifères et contribué à l’étude de leur physiologie et leur adaptation aux conditions environnementales. Cette thèse s’intéresse à l’évolution des gènes chez les conifères et (i) fait le point sur les facteurs génomiques qui ont influencé la structure des gènes et (ii) analyse une grande famille de gènes impliqués dans la tolérance à la sécheresse, les déhydrines. Notre étude de la structure génique s’est fait à partir de diverses séquences de l’épinette blanche (Picea glauca [Moench] Voss) provenant de clones BAC, de l'assemblage du génome et de l’espace génique obtenu à partir de la technologie de «sequence capture». Par le biais d’analyses comparatives, nous avons observé que les conifères présentent plus de séquences introniques par gène que la plupart des plantes à fleurs (angiospermes) et que la longueur moyenne des introns n'était pas directement corrélée à la taille du génome. Nous avons constaté que les éléments répétitifs qui sont responsables de la très grande taille des génomes des conifères affectent également l'évolution des exons et des introns. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons entrepris la première analyse exhaustive de la famille des gènes des déhydrines chez les conifères. Les analyses phylogénétiques ont indiqué l'apparition d'une série de duplications de gènes dont une duplication qui a provoqué l'expansion de la famille génique spécifiquement au sein du genre Picea. L’analyse démontre que les déhydrines ont une structure modulaire et présentent chez les conifères des agencements variés de différents motifs d'acides aminés. Ces structures sont particulièrement diverses chez l'épinette et sont associées à différents patrons d'expression en réponse à la sècheresse. Dans l’ensemble, nos résultats suggèrent que l'évolution de la structure génique est dynamique chez les conifères alors que l'évolution des chromosomes est largement reconnue comme étant lente chez ceux-ci. Ils indiquent aussi que l'expansion et la diversification des familles de gènes liés à l'adaptation, comme les déhydrines, pourraient conférer de la plasticité phénotypique permettant de répondre aux changements environnementaux au cours du long cycle de vie qui est typique de plusieurs conifères. / Technical advances have accelerated the structural and functional exploration of conifer genomes and opened up new approaches to study their physiology and adaptation to environmental conditions. This thesis focuses on the evolution of conifer genes and explores (i) the genomic factors that have impacted the evolution of gene structure and (ii) the evolution of a large gene family involved in drought tolerance, the dehydrins. The analysis of gene structure was based on white spruce (Picea glauca [Moench] Voss) sequence data from BAC clones, the genome assembly and the gene space obtained from sequence capture. Through comparative analyses, we found that conifers presented more intronic sequence per gene than most flowering plants (angiosperms) and that the average intron length was not directly correlated to genome size. We found that repetitive elements, which are responsible for the very large size of conifer genomes, also affect the evolution of exons and introns. In the second part of the thesis, we undertook the first exhaustive analysis of the dehydrin gene family in conifers. The phylogenetic analyses indicated the occurrence of a series of gene duplications in conifers and a major lineage duplication, which caused the expansion of the dehydrin family in the genus Picea. Conifer dehydrins have an array of modular amino acid structures, and in spruce, these structures are particularly diverse and are associated with different expression patterns in response to dehydration stress. Taken together, our findings suggest that the evolution of gene structure is dynamic in conifers, which contrast with a widely accepted slow rate of chromosome evolution. They further indicate that the expansion and diversification of adaptation-related genes, like the dehydrins in spruce, may confer the phenotypic plasticity to respond to the environmental changes during their long life span.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Les Algues vertes de la classe Chlorophyceae appartiennent au sous-embranchement Chlorophyta, l'une des deux divisions majeures formant le groupe des Algues vertes et des Plantes terrestres. Au moment d'initier le projet de recherche décrit dans cette thèse, seuls les génomes chloroplastiques de Chlamydomonas reinhardtii (Chlamydomo-nadales) et de Scenedesmus obliquus (Sphaeropleales) étaient connus dans cette classe. De surcroît, l'ordre d'apparition des principaux groupes évolutifs (ordres) était incertain. Pour clarifier les relations évolutives chez les Chlorophyceae, mais aussi pour étudier les mécanismes d'évolution du génome chloroplastique, les génomes de cinq représentants appartenant aux trois autres lignées majeures des Chlorophyceae ont été séquences et analysés dans leurs moindres détails. Des analyses phylogénétiques, conduites notamment avec les séquences d'Oedogonium cardiacum (Oedogoniales), de Stigeoclo-nium helveticum (Chaetophorales) et de Floydiella terrestris (Chaetopeltidales), ont montré que les Chlorophyceae sont divisées en deux grands groupes évolutifs : le groupe CS (Chlamydomonadales et Sphaeropleales) et le groupe OCC (Oedogoniales, Chaetophorales et Chaetopeltidales). L'analyse des caractères moléculaires présents dans ces génomes a permis de valider ces conclusions phylogénétiques et de déterminer que les Oedogoniales représentent le groupe frère des Chaetophorales et des Chaetopeltidales. Ces études comparatives ont aussi établi que, chez les Chlorophyceae, le génome chloroplastique est très fluide en termes de structure et affiche les changements les plus marqués par rapport à sa condition ancestrale chez les Algues vertes. Le génome chloroplastique des Chlorophyceae a été sensiblement transformé par la réduction de son répertoire génique, l'importance des réarrangements génomiques et la modification de la structure de certains gènes. Par ailleurs, l'analyse des génomes d'Oedocladium caroli-nianum (Oedogoniales) et de Schizomeris leibleinii (Chaetophorales) a mis en évidence des tendances évolutives bien particulières. Chez les Oedogoniales, de nouveaux gènes ont été acquis à l'occasion de transferts latéraux et des introns de groupe II sont vraisemblablement apparus à la suite de la prolifération intragénomique de quelques introns fondateurs. De même, chez les Chaetophorales, le génome chloroplastique apparaît avoir conservé une architecture singulière qui est compatible avec un mode de replication bidirectionnel à partir d'une origine de replication unique.