La variation quantitative résulte de l'action combinée des gènes et de leur environnement. Pour comprendre la relation génotype-phénotype et disséquer l'architecture des caractères complexes, deux approches sont couramment employées. D'une part l'évolution expérimentale qui permet de quantifier le nombre et l'effet des mutations dans la construction d'un phénotype soumis à une pression de sélection, d'autre part la cartographie de QTL (Quantitative Trait Loci) et/ou la génétique d'association qui permettent d'identifier les locus responsables de la variation phénotypique. Au cours de cette thèse, nous avons combiné l'ensemble de ces approches pour (1) évaluer le rôle relatif des nouvelles mutations et de la variabilité résiduelle dans la réponse à la sélection ; (2) identifier les déterminants génétiques sous tendant cette réponse ; (3) disséquer, pour un locus candidat, les mécanismes génétiques de sa contribution à la variation phénotypique. Pour cela, nous disposons d'un matériel génétique résultant d'une expérience de sélection divergente pour la date de floraison menée depuis plus de dix ans. Cette expérience a été conduite en parallèle à partir de deux lots de semences de lignées commerciales de maïs (F252 et MBS847). Pour chaque lignée de départ, deux populations ont été constituées, une population précoce et une population tardive produites en sélectionnant et autofécondant les génotypes les plus précoces/tardifs à chaque génération. Nous avons caractérisé la réponse à la sélection après 7 générations. Cette réponse est rapide, asymétrique entre populations et significative dans 3 des 4 populations. Elle est linéaire avec le temps ce qui indique que des nouvelles mutations contribuent à créer de la variance génétique à chaque génération. Nous avons identifié un locus majeur contribuant à 35% de la variation pour la date de floraison dans la population F252 tardive et pour lequel les deux allèles étaient présents dans le lot de semence initial sous forme d'hétérozygotie résiduelle. Les deux allèles présentent des haplotypes très divergents autant au niveau de leur variation nucléotidique (5.7%) que d'un point de vue structural (16 indels) sur une région proche du gène eIF-4A (Eukaryotic Initiation Translation Factor 4A). L'association de ce locus avec la date de floraison et d'autres caractères corrélés tels que la hauteur et le nombre de feuilles a été confirmée par une caractérisation développementale fine de génotypes précoces et tardifs et également dans un panel d'association comprenant 317 lignées de maïs cultivé. En plus d'un effet pléiotrope, nous avons montré grâce au développement de méthodes statistiques que ce locus présente des interactions épistatique fortes avec d'autres locus en ségrégation puisque son effet dépend largement du fond génétique. Nous avons finalement utilisé des AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphisms) sur tous les génotypes issus des 7 premières générations de sélection afin d'identifier d'autres polymorphismes potentiellement impliqués dans la réponse à la sélection. Nos résultats préliminaires montrent une différenciation génétique et épigénétique entre les populations sélectionnées qui semble être préférentiellement due à de l'hétérozygotie résiduelle.

Les activités humaines génèrent des stress environnementaux pouvant entrainer l’extinction des populations végétales. Dès lors, la survie de ces populations nécessite l’évolution rapide de traits adaptatifs, qui augmenterait leur capacité de tolérance à ces stress d'origine anthropique. Par exemple, la colonisation d’un site métallifère nécessite l'évolution d'une capacité à tolérer les fortes concentrations en éléments traces métalliques (ETM) dans le sol. La tolérance aux métaux est ainsi généralement plus élevée chez les espèces se développant exclusivement sur sols métallifères (métallophytes strictes), et dans les populations métallicoles des espèces se développant occasionnellement sur sols métallifères (pseudométallophytes). Néanmoins, les mécanismes évolutifs permettant une augmentation de la tolérance aux métaux restent mal compris. Dans ce contexte, un projet d’évolution expérimentale a été initié dans le but d’observer l’effet du zinc sur l’évolution d’une population non-métallicole de l’espèce pseudométallophyte, Noccaea caerulescens. Pour cela, plusieurs populations métallicoles et non-métallicoles ont été échantillonnées afin de constituer quatre populations expérimentales (EP) qui ont été cultivées en mésocosme. Une EP d'origine non-métallicole a été exposée à un sol non contaminé (EP1), deux EP d'origine non-métallicole ont été exposées à sol contaminé à 750 mg.kg-1 de zinc (EP2 et EP3) et une EP d'origine métallicole a été exposée à un sol contaminé à 750 mg.kg-1 de zinc (EP4). A chaque génération, la performance de chaque individu a été mesurée, et les graines récoltées, de façon à construire la génération suivante. Après deux générations, plusieurs réplicas des populations dérivées et ancestrales de chaque EP ont été cultivées en conditions contrôlées dans différentes conditions d'exposition au zinc (750 mg.kg-1 et 2000 mg.kg-1 ). Leurs capacités de tolérance ont été évaluées à travers la mesure de plusieurs traits fonctionnels. Les résultats de cette étude montrent que le zinc représente effectivement une pression de sélection pour les populations non-métallicoles de Noccaea caerulescens, qui entraine une surreprésentation de certaines descendances à la génération suivante. Cette sélection semble avoir affecté de façon similaire les deux populations expérimentales d'origine non-métallicoles soumises au zinc (EP2 et EP3). En comparant différents traits fonctionnels morphologiques, physiologiques et phénologiques, potentiellement impliqués dans la tolérance aux métaux entre populations dérivées et ancestrales, nous observons une réponse phénotypique forte des populations EP2 et EP3 avec, notamment, une augmentation significatives de quasiment tous les traits morphologiques en lien avec la croissance des individus (nombre de feuilles, surface de la plante, hauteur de la plante, etc.). / Human activities generate environmental stresses that can lead to the extinction of plant populations. Therefore, the survival of these populations requires the rapid evolution of adaptive traits, which would increase their ability to tolerate these anthropogenic stresses. For example, the colonization of a metalliferous site requires the evolution of an ability to tolerate high concentrations of metal trace elements (MTE) in the soil. Thus, metal tolerance is generally higher in species growing exclusively on metalliferous soils (strict metallophytes), and in metallicolous populations of species growing occasionally on metalliferous soils (pseudometallophytes). However, the evolving mechanisms for increasing metal tolerance remain unclear. In this context, an experimental evolution project was initiated to observe the effect of zinc on the evolution of a nonmetallicolous population of the pseudometallophyte, Noccaea caerulescens. For this purpose, several metallicolous and nonmetallicolous populations were sampled to form four experimental populations (EP) that were cultured in mesocosm. One nonmetallicolous EP was exposed to uncontaminated soil (EP1), two non-metallicolous EPs were exposed to contaminated soil at 750 mg.kg-1 of zinc (EP2 and EP3) and one metallicolous EP was exposed to contaminated soil at 750 mg.kg-1 of zinc (EP4). In each generation, the performance of each individual was measured, and the seeds were harvested, in order to build the next generation. After two generations, several replicas of the derived and ancestral populations of each EP were cultivated in controlled conditions under different zinc doses (750 mg.kg-1 and 2000 mg.kg-1 ). Their tolerance abilities were assessed through the measurement of several functional traits. Results of this study showed that zinc represent a selection pressure for nonmetallicolous populations of Noccaea caerulescens, leading to an over-representation of some offspring in the next generation. This selection seemed to similarly affected EP2 and EP3. Comparison of different morphological, physiological and phenological functional traits, potentially involved in metal tolerance, between derived and ancestral populations showed strong phenotypic response of EP2 and EP3 with a significant increase in almost all morphological traits related to individual growth (number of leaves, plant surface, plant height, etc.).

La variation quantitative résulte de l’action combinée des gènes et de leur environnement. Pour comprendre la relation génotype-phénotype et disséquer l’architecture des caractères complexes, deux approches sont couramment employées. D’une part l’évolution expérimentale qui permet de quantifier le nombre et l’effet des mutations dans la construction d’un phénotype soumis à une pression de sélection, d’autre part la cartographie de QTL (Quantitative Trait Loci) et/ou la génétique d’association qui permettent d’identifier les locus responsables de la variation phénotypique. Au cours de cette thèse, nous avons combiné l’ensemble de ces approches pour (1) évaluer le rôle relatif des nouvelles mutations et de la variabilité résiduelle dans la réponse à la sélection ; (2) identifier les déterminants génétiques sous tendant cette réponse ; (3) disséquer, pour un locus candidat, les mécanismes génétiques de sa contribution à la variation phénotypique. Pour cela, nous disposons d’un matériel génétique résultant d’une expérience de sélection divergente pour la date de floraison menée depuis plus de dix ans. Cette expérience a été conduite en parallèle à partir de deux lots de semences de lignées commerciales de maïs (F252 et MBS847). Pour chaque lignée de départ, deux populations ont été constituées, une population précoce et une population tardive produites en sélectionnant et autofécondant les génotypes les plus précoces/tardifs à chaque génération. Nous avons caractérisé la réponse à la sélection après 7 générations. Cette réponse est rapide, asymétrique entre populations et significative dans 3 des 4 populations. Elle est linéaire avec le temps ce qui indique que des nouvelles mutations contribuent à créer de la variance génétique à chaque génération. Nous avons identifié un locus majeur contribuant à 35% de la variation pour la date de floraison dans la population F252 tardive et pour lequel les deux allèles étaient présents dans le lot de semence initial sous forme d’hétérozygotie résiduelle. Les deux allèles présentent des haplotypes très divergents autant au niveau de leur variation nucléotidique (5.7%) que d’un point de vue structural (16 indels) sur une région proche du gène eIF-4A (Eukaryotic Initiation Translation Factor 4A). L’association de ce locus avec la date de floraison et d’autres caractères corrélés tels que la hauteur et le nombre de feuilles a été confirmée par une caractérisation développementale fine de génotypes précoces et tardifs et également dans un panel d’association comprenant 317 lignées de maïs cultivé. En plus d’un effet pléiotrope, nous avons montré grâce au développement de méthodes statistiques que ce locus présente des interactions épistatique fortes avec d’autres locus en ségrégation puisque son effet dépend largement du fond génétique. Nous avons finalement utilisé des AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphisms) sur tous les génotypes issus des 7 premières générations de sélection afin d’identifier d’autres polymorphismes potentiellement impliqués dans la réponse à la sélection. Nos résultats préliminaires montrent une différenciation génétique et épigénétique entre les populations sélectionnées qui semble être préférentiellement due à de l’hétérozygotie résiduelle. / Quantitative variation results from the combined action of multiple genes and their environment. Two approaches are currently employed to gain insights into the link between genotype and phenotype and to dissect the genetic architecture of complex traits. On one hand, experimental evolution allows quantifying the number of mutations and their effect on the evolution of a phenotype subject to artificial selection. On the other hand, QTL (Quantitative Trait Locus) and association mapping are used to identify loci responsible for phenotypic variation. In this work, we have combined all 3 approaches in order to (1) evaluate the role of new mutations and standing genetic variation to the response to selection ; (2) to identify the genetic determinants underlying this response ; (3) to dissect at one candidate locus the genetic mechanisms of its contribution to phenotypic variation. We have used the material produced by a divergent selection experiment for flowering time conducted for over 10 years in the field. This experiment was conducted in parallel from two commercial maize inbred line, F252 and MBS847. From each initial seed lot, two populations, an early population and a late population, were created by selecting and selfing the earliest/latest individuals at each generation. We characterized the response to selection after 7 generations. The response was fast, asymmetric between populations and significant in 3 out of 4 populations. It was linear through time indicating that new mutations have generated new additive genetic variance at each generation. We identified a major locus contributing to 35% of the variation for flowering time in the late F252 population. At this locus, two alleles were present as residual heterozygocity in the initial seed lot. The two alleles exhibited haplotypes extending on a region around the eIF-4A (Eukaryotic Initiation Translation Factor 4A) that diverged drastically both at the nucleotide (5.7%) and structural level. We were able to confirm the association of the candidate locus to flowering time variation and other traits such as height and leaf number, first using an association panel containing 317 maize lines, second through the developmental characterization of early and late genotypes. In addition, to its pleiotropic effect, we have shown by developing a specific statistical framework that this locus exhibit pervasive epistatic interactions with other loci segregating in the population. Hence, its effect largely depended on the genetic background. We have finally applied methyl-sensitive AFLP (Amplified Frgament length Polymorphisms) to screen all genotypes in order to identify the polymorphisms potentially involved in the response to selection during the first 7 generations Our preliminary results indicate both a genetic and epigenetic differentiation between early and late populations. This differentiation seems however to be mainly driven by standing genetic variation.

Une plante peut être totalement protégée d'un agent pathogène grâce à un gène majeur de résistance, mais ce dernier peut être rapidement contourné suite à l'apparition et à la propagation de variants pathogènes adaptés. Cette thèse s'intéresse aux mécanismes évolutifs permettant le ralentissement de ce contournement chez les virus de plantes en agissant sur deux forces évolutives majeures, la dérive génétique et la sélection, depuis le niveau de l'hôte jusqu'à celui de la parcelle. D'abord, un modèle épidémiologique stochastique de type SI au niveau d'une parcelle agricole a montré que la dérive génétique pouvait être particulièrement bénéfique au rendement agricole lorsque l'adaptation du virus au gène majeur induit un coût de fitness intermédiaire dans les plantes sensibles. Ensuite, la conception et la validation d'un modèle basé sur des équations déterministes de Lotka-Volterra et des processus stochastiques Dirichlet-multinomiaux a permis de distinguer les effets de la dérive génétique et ceux de la sélection sur des données temporelles de compétition intra-plante entre variants viraux, et de mettre en évidence le contrôle génétique de ces effets par les plantes. Enfin, une analyse de la corrélation entre ces estimations des intensités de dérive génétique et de sélection et une estimation expérimentale de la durabilité d'un gène majeur a montré qu'une forte dérive génétique lors des stades précoces de l'infection augmentait la durabilité du gène majeur. Ces résultats ouvrent des perspectives pour une gestion plus durable de la résistance des plantes, par la sélection de variétés de plantes induisant une forte dérive génétique sur les populations d'agents pathogènes / Plants can be fully protected from their pathogens when they carry major resistance genes, but the efficiency of these genes is limited by the emergence and spread of adapted, resistance-breaking pathogen variants. This thesis studies how evolutionary forces imposed by the plants on pathogen populations may increase the durability of major resistance genes. Using plant viruses as a biological model, this thesis investigates the effect of genetic drift and selection, from the within-host to the host population level. Firstly, a stochastic epidemiological SI model at the field level showed that genetic drift could be particularly beneficial for crop yield when the fitness cost associated with virus adaptation to resistance was intermediate in susceptible plants. Then, the design and validation of a mechanistic-statistical model based on deterministic Lotka-Volterra equations and stochastic Dirichlet-multinomial processes allowed to disentangle the effects of genetic drift from those of selection on temporal data of within-host competition between virus variants. The intensities of genetic drift and selection acting on virus populations were shown to be controlled genetically by the hosts. Finally, a correlation analysis between these estimations of genetic drift and selection intensities and an experimental estimation of the durability of a major resistance gene showed that strong genetic drift during the early stages of plant infection led to an increase in resistance durability. These results open new perspectives for more durable management of plant resistance, by breeding plant varieties inducing strong genetic drift on pathogen populations

L’atrazine, un des herbicides les plus utilisés pour contrôler le développement des plantes adventices dans les cultures, a conduit à la contamination de l’environnement. L’exposition chronique à cet herbicide a conduit à l’émergence de populations microbiennes du sol capables de dégrader l’atrazine et de l’utiliser comme une source d’azote pour leur croissance. Ces populations microbiennes sont responsables de la biodégradation accélérée (BDA) de l’atrazine, un service écosystémique contribuant à diminuer la persistance de cet herbicidedans l’environnement. L’objectif de ce travail était d’étudier les mécanismes génétiques et physiologiques responsables du fonctionnement et de l’amélioration de ce service écosystémique. Nous avons appliqué une démarche expérimentale allant des gènes codant la dégradation à des communautés microbiennes afin d’identifier les processus adaptatifs impliqués dans l’évolution de la fonction de BDA de l’atrazine.Le premier volet a consisté à évaluer l’importance de mutations accumulées dans le gène atzA dans la transformation de l’atrazine en hydroxyatrazine catalysée par AtzA. Le séquençage de gènes atzA de différents isolats bactériens dégradant l’atrazine (Pseudomonas sp. ADP WT, Pseudomonas sp. ADP Ps et différents Chelatobacter heintzii) a montré que la séquence du gène atzA était très conservée. Toutefois quatre mutations non silencieuses ont pu être identifiées (1 chez Pseudomonas sp. ADP MSE et 3 chez Chelatobacterheintzii). La modélisation de la structure de la protéine AtzA a permis de montrer que trois des mutations étaient situées dans des régions importantes (site actif, poche de liaison avec l’atrazine et liaison avec le métalFe2+. [...] Le second volet a consisté à étudier la plasticité de la voie de biodégradation de l’atrazine dans deux conditions opposées : (i) la première visait à évaluer la persistance de la capacité de dégradation en absence de pression de sélection et (ii) la seconde visait à évaluer l’évolution de la capacité de dégradation en présence d’une pression de sélection élevée. Pour conduire ces études, des manipulations d’évolution expérimentale sur Pseudomonas sp. ADP ont été menées. (i) L’exposition à l’acide cyanurique, intermédiaire métabolique de l’atrazine, a conduit à la sélection d’une population nouvellement évoluée capable de croître plus rapidement dans un milieu de culture ne contenant que l’acide cyanurique comme source d’azote. Cette population est caractérisée par une délétion d’une région de 47 kb du plasmide ADP1 contenant les gènes atzABC. Les analyses conduites ont permis de conclure que le gain de compétitivité de la population évoluée résidait dans la perte du fardeau génétique représenté par la région de 47 kb, la capacité de dégradation de l’acide cyanurique restant inchangée. (ii) L’exposition à l’atrazine a conduit à la sélection d’une populationnouvellement évoluée caractérisée par l’insertion du plasmide ADP1 en quasi-totalité sur le chromosome bactérien. [...] Le troisième volet a consisté à développer un outil permettant d’évaluer, à l’échelle d’une communauté microbienne synthétique, l’évolution du potentiel génétique dégradant. Pour ce faire quatre souches dégradantes dont une, Arthrobacter sp. TES6, isolée au cours de cette étude, ont été choisies. [...] Ces travaux montrent que la fonction de biodégradation accélérée de l’atrazine est très versatile et qu’elle est en constante évolution. Il met en évidence que le principal facteur pilotant cette évolution est le niveau d’exposition des populations dégradantes au pesticide. / Atrazine, one of the most used herbicide to control the development of weeds in crop, has led to the contamination of the environment. Repeated exposure to this herbicide resulted in the emergence of microbial populations able to degrade atrazine and to use it as a nitrogen source for its growth. These microbial populations are responsible for accelerated biodegradation of atrazine (BDA), a key ecosystemic service diminishing the persistence of this herbicide in the environment. The aim of this PhD work was to study genetic and physiological mechanisms responsible for functioning and improving of this ecosystemic service. We applied an experimental approach starting from genes to communities degrading atrazine in order to identify processes of adaptation involved in the evolution of accelerated biodegradation function.The first part of the PhD aimed at evaluating the importance of accumulation of single mutations in the atzA gene for the activity of AtzA transforming atrazine to hydroxyatrazine. Sequencing or atzA genes amplified from different atrazine-degrading isolates (Pseudomonas sp. ADP WT, Pseudomonas sp. ADP Ps and differents Chelatobacter heintzii) showed that atzA sequence was conserved. However, four non synonymous mutations were identified (1 for Pseudomonas sp. ADP Ps and 3 for Chelatobacter heintzii). Modeling of AtzA structure showed that three mutations were located in important regions (active site, interaction with atrazine and with the metal Fe2+). [...] The second part aimed at studying the plasticity of the atrazine-degrading pathway in two opposed conditions: (i) one aiming at evaluating the persistence of degrading capability in absence of selection pressure and (ii) a second one aiming at evaluating the evolution of degrading capability under high selection pressure exerted by atrazine. With these aims, experimental evolutions were carried out with Pseudomonas sp. ADP. (i) We showed that cyanuric acid exposure led to the selection of a newly-evolved population characterized by increased growing ability on culture medium containing this substance as nitrogen source. This population is characterized by the deletion of a 47 kb region containing atzABC genes from ADP1. We showed that increased fitness of newly-evolved population was due to the selective loss of the genetic burden represented by the 47 kb region, the cyanuric acid degrading ability remaining unchanged. (ii) Atrazine exposure led to the selection of population characterized by the insertion of ADP1 plasmid in the bacterial chromosome. [...] The third part aimed at developing a tool allowing monitoring the evolution of atrazine-degrading genetic potential at the scale of a synthetic microbial community. To do so four degrading strains among which, one was isolated in this study, were chosen. [...] Altogether, these results showed that the atrazine accelerated biodegradation function is highly versatile and under constant evolution. Furthermore, they highlight that the exposure to atrazine is the key parameter driving the evolution of degrading population

L'atrazine, un des herbicides les plus utilisés pour contrôler le développement des plantes adventices dans les cultures, a conduit à la contamination de l'environnement. L'exposition chronique à cet herbicide a conduit à l'émergence de populations microbiennes du sol capables de dégrader l'atrazine et de l'utiliser comme une source d'azote pour leur croissance. Ces populations microbiennes sont responsables de la biodégradation accélérée (BDA) de l'atrazine, un service écosystémique contribuant à diminuer la persistance de cet herbicidedans l'environnement. L'objectif de ce travail était d'étudier les mécanismes génétiques et physiologiques responsables du fonctionnement et de l'amélioration de ce service écosystémique. Nous avons appliqué une démarche expérimentale allant des gènes codant la dégradation à des communautés microbiennes afin d'identifier les processus adaptatifs impliqués dans l'évolution de la fonction de BDA de l'atrazine.Le premier volet a consisté à évaluer l'importance de mutations accumulées dans le gène atzA dans la transformation de l'atrazine en hydroxyatrazine catalysée par AtzA. Le séquençage de gènes atzA de différents isolats bactériens dégradant l'atrazine (Pseudomonas sp. ADP WT, Pseudomonas sp. ADP Ps et différents Chelatobacter heintzii) a montré que la séquence du gène atzA était très conservée. Toutefois quatre mutations non silencieuses ont pu être identifiées (1 chez Pseudomonas sp. ADP MSE et 3 chez Chelatobacterheintzii). La modélisation de la structure de la protéine AtzA a permis de montrer que trois des mutations étaient situées dans des régions importantes (site actif, poche de liaison avec l'atrazine et liaison avec le métalFe2+. [...] Le second volet a consisté à étudier la plasticité de la voie de biodégradation de l'atrazine dans deux conditions opposées : (i) la première visait à évaluer la persistance de la capacité de dégradation en absence de pression de sélection et (ii) la seconde visait à évaluer l'évolution de la capacité de dégradation en présence d'une pression de sélection élevée. Pour conduire ces études, des manipulations d'évolution expérimentale sur Pseudomonas sp. ADP ont été menées. (i) L'exposition à l'acide cyanurique, intermédiaire métabolique de l'atrazine, a conduit à la sélection d'une population nouvellement évoluée capable de croître plus rapidement dans un milieu de culture ne contenant que l'acide cyanurique comme source d'azote. Cette population est caractérisée par une délétion d'une région de 47 kb du plasmide ADP1 contenant les gènes atzABC. Les analyses conduites ont permis de conclure que le gain de compétitivité de la population évoluée résidait dans la perte du fardeau génétique représenté par la région de 47 kb, la capacité de dégradation de l'acide cyanurique restant inchangée. (ii) L'exposition à l'atrazine a conduit à la sélection d'une populationnouvellement évoluée caractérisée par l'insertion du plasmide ADP1 en quasi-totalité sur le chromosome bactérien. [...] Le troisième volet a consisté à développer un outil permettant d'évaluer, à l'échelle d'une communauté microbienne synthétique, l'évolution du potentiel génétique dégradant. Pour ce faire quatre souches dégradantes dont une, Arthrobacter sp. TES6, isolée au cours de cette étude, ont été choisies. [...] Ces travaux montrent que la fonction de biodégradation accélérée de l'atrazine est très versatile et qu'elle est en constante évolution. Il met en évidence que le principal facteur pilotant cette évolution est le niveau d'exposition des populations dégradantes au pesticide.

Les changements globaux ont en partie pour effet de modifier les aires de répartition géographique des espèces. Les interactions nouvelles entre espèces n’ayant jamais été en contact peuvent potentiellement mener à des cas atypiques de reproduction, notamment l’hybridation. Ce phénomène peut avoir des implications épidémiologiques fortes car il peut conduire à la genèse de pathogènes hybrides. La combinaison du matériel génétique d’espèces distinctes peut conférer de meilleures capacités à la progéniture (vigueur hybride ou hétérosis), pouvant à terme potentiellement mener à des changements adaptatifs et à l'émergence de pathogènes dans des zones non endémiques, ce qui en fait une menace émergente à l’échelle mondiale. Ce travail de thèse se focalise sur la schistosomiase, seconde maladie parasitaire humaine et sa récente émergence en Europe (Corse, France). Après l’identification et la caractérisation génomique d’un parasite hybride entre deux agents distincts de la maladie, S. haematobium chez l’homme et S. bovis chez les bovins, nous avons mené une approche intégrative afin de caractériser à plusieurs échelles les capacités invasives et la virulence de tels parasites. A partir de souches du terrain, nous avons mis en place un protocole d’évolution expérimentale visant à générer des hybrides de première et deuxième générations au laboratoire. Nous avons analysé les modifications de traits d’histoire de vie de ces parasites ainsi que les conséquences moléculaires (génomique et transcriptomique) de ce « clash génomique » et nous montrons que l’hybridation peut être une force évolutive majeure pour les parasites. / Global changes contribute in modifying species geographical distribution. New interactions between species that have never been in contact before can potentially lead to atypical cases of reproduction, including hybridization. This phenomenon can have strong epidemiological consequences as it can potentially lead to the genesis of hybrid pathogens. The combination of genetic material of distinct species can confer increased capacities to the offspring (hybrid vigor or heterosis), eventually leading to adaptive changes and the emergence of pathogens in non-endemic areas, making them an emerging global threat. This thesis work focuses on schistosomiasis, the second human parasitic disease after malaria and its recent emergence in Europe (Corsica, France). After the identification and genomic characterization of a hybrid parasite between two distinct agents of the disease, S. haematobium in humans and S. bovis in cattle, we conducted an integrative approach to characterize at several scales the invasive capacities and virulence of such parasites. Starting from the field, we set up an experimental evolution protocol aimed at generating first- and second-generation hybrids in the laboratory. We analysed life history trait modifications of these parasites as well as the molecular consequences (genomics and transcriptomics) of this "genomic clash" and we show that hybridization can be a major evolutionary force for parasites.

Au cours des récentes épidémies, l’infection par le virus Zika (ZIKV) est à l’origine de microcéphalies chez le fœtus, d’avortements spontanés et du syndrome de Guillain–Barré chez l’adulte. L’infection par ZIKV représente donc un problème de santé publique. Il est nécessaire de comprendre la biologie de ce virus et quelles sont les réponses cellulaires impliquées. Dans les cellules infectées, les virus sont détectés par des récepteurs de la réponse immunitaire innée, tels que les Toll-like receptors (TLR). Cette reconnaissance conduit à la production de molécules antivirales, tel que l’interféron (IFN) de type I et III. De récents travaux montrent que l’activation de la voie TLR3 contribuerait au contrôle de la propagation de ZIKV et sa pathogénèse. Nous avons mis en place une approche pour cartographier les interactions génétiques entre le génome viral et différents régulateurs et effecteurs de cette réponse antivirale, incluant les étapes de reconnaissance du virus par TLR3. Cette approche est basée sur une combinaison de biologie moléculaire et d’évolution expérimentale qui repose sur le taux élevé de mutation de ZIKV et sa rapide faculté d’adaptation. J’ai pu mettre en avant l’apparition d’un phénotype de ZIKV face aux défenses antivirales de lignées cellulaires humaines qui se caractérise par une résistance à l’activation de la voie TLR3 et une meilleure propagation du virus après 5 passages. J’ai été capable d’observer que la population virale adaptée présente une perte d’activation des réponses antivirales (i.e. ISG15, MxA) 3h post-infection. La mise au point et la validation de l’approche CirSeq permet une analyse de précision des données de séquençage haut-débit, et permettra ainsi de prédire l’évolution de mécanismes d’échappement viral. / Zika virus (ZIKV) infection causes neurological diseases and birth defects representing an important threat for human health. Recent studies demonstrated that interferon (IFN) response is pivotal for the control of ZIKV spread, its in utero transmission and protects against ZIKV-induced neurological diseases. It is necessary to understand the biology of this virus and what are the cellular responses involved. In infected cells, viruses are detected by receptors of the innate immune response, such as Toll-like receptors (TLRs). This recognition leads to the production of antiviral molecules, such as type I and III interferon (IFN). Recent work shows that activation of the TLR3 pathway contributes to controlling the spread of ZIKV and its pathogenesis. We have implemented an approach to map the interactions between the viral genome and different regulators and effectors of this antiviral response, including the TLR3 virus recognition steps. This approach is based on a combination of molecular biology and experimental evolution based on the high mutation rate of ZIKV and its rapid adaptation. I was able to highlight the appearance of a phenotype of ZIKV against the antiviral defenses of human cell lines that triggered resistance to activation of the TLR3 pathway and a better spread of the virus after 5 iterative passages. I was able to observe that the adapted viral population exhibited a loss of activation of antiviral responses (i.e. ISG15, MxA) 3h after infection. The implementation and validation of the CirSeq approach allows an analysis of the accuracy of high throughput sequencing data, as well as predicting the evolution of viral escape mechanisms.

Les bactéries constituent le socle de presque tous les écosystèmes et l’étude de leurs dynamiques face aux perturbations biotiques et abiotiques est essentielle à la compréhension de leur maintien, de leur évolution et de leur diversification. Cette thèse vise à une meilleure appréhension de l’impact des bactériophages et des antibiotiques sur l’écologie évolutive des populations bactériennes et, plus particulièrement, sur l’évolution de leurs comportements sociaux. Dans une première partie, nous avons étudié comment les antibiotiques (Chapitres 1 et 2) et les phages (Chapitre 3) affectent les interactions fondées sur la production de biens publics ainsi que l’évolution de la résistance dans les populations de Pseudomonas aeruginosa, en combinant modélisation mathématique et évolution expérimentale. Nous avons montré que les phages et les antibiotiques favorisent les tricheurs face aux coopérateurs dans les environnements homogènes. Alors que l’avantage des tricheurs permet la croissance de la population et augmente la fréquence de résistance à court terme (Chapitre 1), les populations dominées par les tricheurs finissent par décliner en présence de phages, vraisemblablement suite aux pressions combinées des phages et des tricheurs (Chapitre 3). Dans une seconde partie, nous avons exploré in vitro les interactions complexes entre les phages et les antibiotiques dans le contexte des thérapies combinées. Conformément à la prédiction de la théorie de l’évolution selon laquelle plusieurs moyens de contrôle combinés sont plus efficaces que chacun séparément, nous avons montré que l’usage simultané de phages et d’antibiotiques réduit davantage la survie et la résistance des populations. Si ce résultat principal peut être modulé par différents facteurs tels que la dose d’antibiotiques (Chapitres 4 et 5), le moment d’inoculation (Chapitre 4), et le mode d’action des antibiotiques (Chapitre 5), il persiste sur le long terme (Chapitre 5). Nos résultats soulignent la complexité des interactions entre les effets négatifs des phages et des antibiotiques et l’écologie évolutive des populations bactériennes et apportent de nouveaux éléments à la fois à la compréhension de l’évolution de la socialité et à l’usage thérapeutique potentiel des phages et des antibiotiques. / Bacteria are the basis of virtually all ecosystems and examining their dynamics in the face of biotic and abiotic perturbations is essential to understanding their persistence, evolution and diversification. This thesis is directed towards a better understanding of the impact of phage and antibiotic pressure on the evolutionary ecology of bacterial populations and, in particular, on the evolution of bacterial social behaviours. First, using a combination of mathematical modelling and experimental evolution, we studied how antagonisms in the form of antibiotics (Chapters 1 and 2) and phages (Chapter 3) affect the dynamics of public goods production and strategies, and the evolution of resistance in populations of the bacterium Pseudomonas aeruginosa. We found that both phages and antibiotics favour cheats over cooperators in well-mixed environments. While the advantage to cheats leads to population growth and even increased resistance frequency in the short-term (Chapter 1), the cheat-dominated populations eventually declined in the presence of phage predators, arguably due to the combination of antagonist pressure and cheating load (Chapter 3). Second, based on the evolutionary prediction that multiple control agents will be more efficient at controlling bacterial populations and reducing the evolution of resistance, we investigated in vitro the complex interactions between phages and antibiotics in the context of combined therapies. We showed that the combination of phages and antibiotics decreased population survival and resistance evolution significantly more than either alone. While this main result may be mitigated by several factors such as antibiotic dose (Chapters 4 and 5), the timing of inoculation (Chapter 4), and antibiotic mode of action (Chapter 5), it is also obtained in longer-term assays (Chapter 5). Our results highlight the complexity of the interplay between the negative effects exerted by antibiotics and phages and the evolutionary ecology of bacterial populations, and bring new insights both to the understanding of social evolution and for the potential therapeutic use of phages and antibiotics.

La théorie de la sélection sexuelle a été largement élaborée à partir du constat de dimorphisme sexuel chez les espèces à sexes séparés. Une de ses caractéristiques générales est une sélection plus forte pour l'augmentation du nombre de partenaires sexuels chez les mâles que chez les femelles qui résulterait d'un investissement différentiel dans les descendants entre les deux sexes (anisogamie). Si hermaphrodisme et sélection sexuelle sont considérés comme compatibles depuis les travaux de Charnov (1979), les études sur le sujet restent rares que ce soit chez des animaux ou des plantes. Une raison importante est que la méthodologie disponible pour quantifier la sélection sexuelle ne prend pas en compte les particularités des hermaphrodites (par ex., corrélations ou effets croisés entre les deux fonctions sexuelles d'un même individu, autofécondation). Le premier objectif de cette thèse est de combler cette lacune méthodologique en proposant un cadre travail adapté aux hermaphrodites, que nous appliquons dans une étude empirique chez Physa acuta, un gastéropode hermaphrodite d'eau douce. Nous observons que la sélection sexuelle est plus intense sur la fonction mâle, comme généralement chez les espèces gonochoriques. Par ailleurs, nous ne détectons aucun effet des particularités des hermaphrodites dans cette expérience. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons de manière plus détaillée aux composantes du succès reproducteur mâle (RSm). Nous montrons que chez P. acuta il existe une priorité spermatique au premier partenaire mâle lorsque plusieurs individus sont en compétition. Enfin, nous proposons une décomposition de la variance de RSm en ses composantes pré- et post-copulatoires, qui représentent respectivement 60 et 40% de la variance. Dans la troisième partie, nous intégrons la sélection sexuelle à l'étude de l'évolution de l'allocation sexuelle d'un hermaphrodite, via une approche d'évolution expérimentale chez P. acuta. Menée sur plus de 10 générations, elle vise à faire évoluer l'allocation sexuelle de manière disruptive (lignées mâle ou femelle) en sélectionnant les composantes mâle et femelle du succès reproducteur. Les résultats préliminaires suggèrent qu'il est possible de manipuler l'allocation sexuelle chez un hermaphrodite simultané en sélectionnant sur son régime d'appariement. Nous concluons que l'anisogamie suffit à justifier l'existence de la sélection sexuelle sans avoir à supposer un dimorphisme sexuel. Son étude chez les hermaphrodites simultanés ouvre des perspectives pour la compréhension du rôle de l'allocation sexuelle dans l'évolution des systèmes de reproduction. / A cornerstone of the theory of sexual selection in gonochoric species is sexual dimorphism. A very general result is stronger selection on males than on females for increasing mating success, and this fundamentally relies on differential investment in offspring between the sexes (anisogamy). Although sexual selection does operate in hermaphroditic species as well, few empirical studies have been performed whether in animals or in plants. The main reason is that the current framework for studying sexual selection does not incorporate the particularities of hermaphrodites, including correlations or cross-sex effects between sex functions and self-fertilization. The first goal of this thesis is to fill this gap by proposing an appropriate framework for hermaphrodites (generalizing that available for gonochoric species). It was applied to approach sexual selection in the hermaphroditic freshwater gastropod Physa acuta. Sexual selection turns out to be stronger on the male than on the female function, as classically observed in gonochorists. Moreover, we do not detect any effect in relation to hermaphrodites' particularities. We then focus on the components of male reproductive success (RSm) in more details. We detect a pattern of sperm precedence in conditions of sperm competition. We develop a new method for decomposing the variance in RSm into pre- and post-copulatory components (representing 60 and 40% of the variance respectively). The third section aims at integrating sexual selection in studies of sex allocation and its evolution. It relies on a protocol of experimental evolution in P. acuta. Conducted over more than 10 generations. Its aim is to observe the evolution of sex allocation by disruptively selecting male and female components of reproductive success. Preliminary results indeed suggest that it is possible to manipulate sex allocation in a simultaneous hermaphrodite by manipulating its mating system. We conclude that anisogamy alone is a sufficient condition for sexual selection to proceed, and that sexual dimorphism is not required. Study sexual selection in simultaneous hermaphrodites gives insights for understanding the role of sex allocation in the evolution of mating systems.