Leaf phenology refers to the timing of leaf life cycle events and is essential to our understanding of the earth system as it impacts the terrestrial carbon and water cycles and indirectly global climate through changes in surface roughness and albedo. Traditionally, leaf phenology is described as a response to higher temperatures in spring and lower temperatures in autumn for temperate regions. With the advent of carbon ecosystem models however, we need a better representation of seasonal cycles, one that is able to explain phenology in different areas around the globe, including tropical regions, and has the capacity to predict phenology under future climates. We propose a global phenology model based on the hypothesis that phenology is a strategy through which plants reach optimal carbon assimilation. We fit this 14 parameter model to five years of space borne data of leaf area index using a Bayesian fitting algorithm and we use it to simulate leaf seasonal cycles across the globe. We explain the observed increase in leaf area over the Amazon basin during the dry season through an increase in available direct solar radiation. Seasonal cycles in dry tropical areas are explained by the variation in water availability, while phenology at higher latitudes is driven by changes in temperature and daylength. We explore the hypothesis that phenological traits can be explained at the biome (plant functional group) level and we show that some characteristics can only be explained at the species level due to local factors such as water and nutrient availability. We anticipate that our work can be incorporated into larger earth system models and used to predict future phenological patterns.

Plusieurs habitats de l'Océan profond sont caractérisés par la présence de composés chimiques réduits. Les communautés benthiques prospèrent dans ces "habitats réducteurs", en raison de liens trophiques avec des bactéries chimiosynthétiques, qui tirent l'énergie de donneurs (sulfures, hydrocarbures) et accepteurs (O2) d'électrons. Les moules bathymodiolines sont un taxon clé dans ces habitats. À l'âge adulte, presque toutes possèdent des bactéries symbiotiques, mais les données sont rares concernant leur cycle de vie. Cette recherche explore la biologie de la reproduction, le développement et la nutrition dans le cycle de vie des espèces Idas modiolaeformis et "I." simpsoni. Les analyses anatomiques, histologiques et moléculaires à divers stades du développement sont associées à des observations in vivo. Une comparaison est proposée entre ces espèces. Chez les deux, les post-larves n'ont pas de symbiotes, suggérant des larves strictement hétérotrophes. L'infection par les symbiotes est environnementale, extracellulaire et initialement non-spécifique, se restreignant aux surfaces latéro-abfrontales des filaments branchiaux chez les adultes. La maturation est rapide, de même que la transition de l'hétérotrophie à la mixotrophie chimiosymbiotique: les symbioses, l'alimentation par filtration, et la rétention d'un système digestif complet coïncident. Les différences entre espèces et habitats sont discutées dans le contexte de leur évidente réussite évolutive à s'adapter aux habitats réduits et éphémères de l'Océan profond. / An array of deep-sea habitats are characterised by thermo- and/or biogenic production of chemically reduced compounds. Benthic communities thrive at these ‘reducing habitats’, due to trophic links to free-living and symbiotic chemosynthetic bacteria which derive energy from electron donors (sulphides, hydrocarbons) and acceptors (O2), at reduction-oxidation boundaries. The bathymodiolin mytilids (sensu lato) are a keystone taxon in these habitats; all-but-one species host gill-associated symbiotic Gammaproteobacteria as adults, but data are scarce on the remaining lifecycle, particularly at organic falls. To understand how mussels are adapted to these habitats, this research characterises the reproductive, developmental and nutritional lifecycle biology of two species, Idas modiolaeformis and I. simpsoni. Anatomical, histological and molecular analyses on post-larval-to-adult size spectra are complemented with live observations. Contrasting and converging aspects of their biology and symbioses are presented. In both species, aposymbiotic post-larvae confirm strict, larval heterotrophy. While still very small, environmental symbiont infection is extracellular and initially non-specific, becoming progressively isolated to latero-abfrontal gill surfaces in adults. Maturation is rapid, in parallel with a transition from heterotrophy to chemosymbiotic mixotrophy: symbioses, filter-feeding, and the retention of a complete gut are observed simultaneously. Interspecific and habitat differences are discussed in the context of both species’ evident evolutionary success in adapting to ephemeral, chemically reduced habitats in the deep sea.

Au cours de cette thèse, des outils théoriques (simulation) et expérimentaux (tracking) ont été développés afin d’établir les mécanismes sous-jacents aux phénomènes de choix collectifs d’exploitation de sources de nourriture et à la gestion collective des stocks de nourriture constitués au sein d’une colonie de fourmis. Le premier volet de mon travail révèle l’influence de caractéristiques physiques (telles que l’angularité et la topographie) des pistes entre le nid et les sources de nourritures, sur les comportements des fourmis au niveau individuel et leur résultante au niveau collectif en termes d’exploitation de ressources alimentaires. Le second volet de ma thèse est consacré aux dynamiques et régulations à l’œuvre au sein des phénomènes de dissémination collective et d’accumulation de nourriture au niveau intranidal. Les réseaux de distributions et d’échanges, reconstitués chez différentes espèces grâce à un marquage individuel et dans différents contextes montrent des similarités inattendues, notamment en termes d’hétérogénéités interindividuelles et de robustesse face à la variabilité des ressources. / During my PhD I have developed theoretical (simulation) and experimental (tracking) tools to investigate the mechanisms underlying the collective food source choice as well as collective food management at the intranidal level in ants. A first part of my thesis reveals the influence of the physical (and in particular the angularity and the topography) properties of the trail to the food source on the ant behavior at the individual level and its resulting food source choice/exploitation at the collective level. The second part of my thesis is dedicated to the dynamics of the food flow entering the nest, its regulation and the food dissemination/accumulation processes at the intranidal level through trophallaxis (mouth-to-mouth fluid exchange). The networks of food distributions and exchanges were built for two ant species in various experimental conditions. Interestingly, all theses networks show several similar properties, such as a high degree of heterogeneity in the individual participation to the food exchange activity as well as a robustness facing environmental variabilities.

Les variations de forme affectant le mentum et les ailes de Chironomus riparius (Insecte, Diptère), en réponse à un stress toxique, ont été analysées par morphométrie traditionnelle et par morphométrie géométrique. Afin de comprendre les causes et les mécanismes impliqués dans la genèse de ces variations phénotypiques, nous avons étudié : (1) la relation entre stress chimique, réponse cellulaire et variations de forme, (2) l'importance des variations de forme selon que le stress soit simple ou multiple, (3) l'évolution des variations de forme après la métamorphose des organismes ainsi que leur transmission à la génération suivante. Pour ce faire, nous avons exposé des larves de Chironomus riparius pendant l'intégralité de leur cycle larvaire, à du plomb (entre 3 et 500 mg/kg de MS), à du 4-nonylphénol (entre 0 et 200 mg/kg de MS), ainsi qu'à deux sédiments multi-contaminés provenant du milieu naturel : l'un caractérisé par une faible pollution d'origine urbaine, l'autre par une forte pollution d'origine urbaine et industrielle. Nous avons mesuré les effets du plomb sur la biochimie des organismes (réserves énergétiques, concentration en métallothionéines et dommages cellulaires). En outre, pour tous les essais, nous avons évalué les variations morphologiques (phénodéviations, asymétrie fluctuante et changement de la forme moyenne) affectant une pièce buccale du chironome : le mentum. Nous les avons également quantifiées, pour les essais portant sur les matrices provenant du milieu naturel, sur les ailes des adultes ainsi que sur le mentum des larves appartenant à la génération suivante. Enfin, dans la station dans laquelle le sédiment faiblement contaminé a été échantillonné, les variations phénotypiques affectant le mentum de la population en place, appartenant au genre Chironomus, ont été mesurées. Si le plomb affecte la biochimie de la larve de chironome, son action est, en revanche, peu visible au niveau de la forme du mentum. De même, nous n'observons que peu de variations morphologiques de cette pièce buccale après une exposition au 4-nonylphénol. Au contraire, nous notons une augmentation des phénodéviations du mentum chez les larves ayant crû dans le sédiment faiblement contaminé provenant du milieu naturel, ce qui suggère un effet toxique de cette matrice. Dans le sédiment fortement pollué, les faibles niveaux de phénodéviations et d'asymétrie fluctuante observés pourraient être expliqués par la sélection au cours du développement larvaire des individus présentant les phénotypes les plus stables. Cette hypothèse expliquerait, en outre, la ré-augmentation des instabilités de développement que nous observons chez la génération suivante placée dans un sédiment témoin. Aucune augmentation du niveau d'asymétrie fluctuante n'est détectée sur les ailes des adultes provenant de larves exposées. Enfin, nous remarquons que le niveau d'anomalies du mentum relevé dans le milieu naturel est similaire à celui observé sur la souche de laboratoire exposée au sédiment provenant de cette station. Les résultats obtenus mettent en évidence la faible réponse des biomarqueurs de forme étudiés en présence d'une pression toxique, qu'elle soit unique ou multiple. Ils soulignent, en outre, l'importance de la génétique de la population dans la réponse morphologique observée. Ces résultats suggèrent un intérêt limité de ces marqueurs ontogéniques pour révéler un stress chimique chez Chironomus riparius / Using traditional and geometric morphometrics, we analysed morphological variations of the mentum and the wings in Chironomus riparius (Insecta, Diptera) exposed to toxic stress. To understand both the causes and mechanisms involved in phenotypic changes, we studied: (1) the relationship between toxic stress, cellular response and shape variations, (2) the pattern of shape variations according to the type of stress: single vs toxic mixture, (3) the evolution of shape variations after metamorphosis and the transmission of the morphological defects to the next generation. To achieve this, Chironomus riparius larvae were exposed during their entire larval life cycle, first to sediment spiked with lead (from 3 to 500 mg/kg dry weight) or 4-NP (from 0 to 200 mg/kg dry weight), second to two sediments sampled in the wild. The first of the latter was characterized by light urban pollution and the other by heavy urban and industrial pollution. We measured the effects of lead on three biochemical markers (energy reserve content, concentrations of metallothionein and cellular damages). Furthermore, for all the bioassays, we assessed shape variations (phenodeviations, fluctuating asymmetry and mean shape changes) of the mentum, a mouthpart structure of the chironomid larvae. For both the sediments sampled in the wild, we also assessed the shape changes of imago wings and the shape changes of the mentum affecting the next generation. At the station where the sediment was characterized by light urban pollution, we also measured morphological variations of the mentum in the Chironomid population belonging to the genus Chironomus. Despite the adverse effects of lead observed at the biochemical level, only slight effects were observed in the mentum shape. Similarly, 4-NP exposure did not induce strong phenotypic defects. On the contrary, mentum deformities increased in Chironomid larvae exposed to slightly contaminated sediment sampled in the wild. This might have been due to the exposure to the toxic mixture. In the heavily contaminated sediment, the low levels of both deformities and fluctuating asymmetry observed might have been the result of selection acting during early developmental stages. This hypothesis could thus explain the increase of developmental instability observed in the next generation placed in a control sediment. In the imago from exposed larvae, no increases in fluctuating wing asymmetry were detected. We observed that the level of morphological variations observed in natural population was similar to that detected in the laboratory in our stock culture reared in the sediment from this station. These results underlined the weak response of the shape biomarkers studied to toxic stress, whether related to multiple toxic exposure or not. Moreover, they highlighted the importance of genetics in shape changes. Consequently, the use of these ontogenic biomarkers as indicators of toxic stress in Chironomus riparius seems to be of limited interest

Lactococcus lactis est une espèce appartenant au groupe des bactéries lactiques, largement utilisées dans l’industrie pour leur capacité à produire de l’acide lactique au cours de la fabrication des produits laitiers fermentés. L’étude de la diversité globale de L. lactis ssp. lactis a été entreprise par l’intégration de données biologiques obtenues à partir d’analyses génétiques, génomiques, physiologiques, transcriptomiques et métaboliques. L’accès à la phylogénie de l’espèce par l’étude de la variabilité génétique du génome cœur par MLST (MultiLocus Sequence Typing) a permis de décrire deux groupes de souches : les souches environnementales, génétiquement très diverses, isolées de laits crus, de plantes ou d’animaux et les souches domestiquées, génétiquement très proches, isolées des levains utilisés dans l’industrie laitière. Malgré la perte de diversité génétique observée dans les souches domestiquées probablement associée à un processus de spécialisation à un environnement technologique, l’approche intégrative a permis de montrer que ce groupe présente une diversité génomique et fonctionnelle aussi importante que les souches environnementales. L’investigation des génomes de la sous-espèce lactis par la mesure de la taille des chromosomes et la caractérisation en nombre et en taille du contenu plasmidique, a révélé une variabilité de plus de 300 kb en capacité de codage génétique des souches domestiquées et environnementales. D’autre part, les souches domestiquées appartenant au biovar Diacetylactis ont montré des physiologies et des régulations métaboliques différentes, résultant en une production d’arômes de type diacetyl ou acétoïne variable selon la souche. Enfin, le séquençage du génome de la souche environnementale A12 isolée d’un levain de panification, et sa comparaison avec les 4 génomes actuellement séquencés de L. lactis a révélé un pangénome (ensemble des gènes de l’espèce) étendu, montrant que cette espèce offre un grand réservoir de diversité. Environ 20 % des gènes spécifiques de souches ont été mis en évidence témoignant des grandes capacités adaptatives de la sous-espèce. L’étude approfondie de la souche A12 par une analyse transcriptomique a permis de rendre compte des mécanismes impliqués dans l’adaptation d’une souche à un écosystème complexe / The Lactococcus lactis species belong to lactic acid bacteria group widely used for their ability to produce lactic acid in fermented dairy products. The study of the global diversity of L. lactis ssp. lactis was carry out by the integration of biological data obtained from genetic, genomic, physiological, transcriptomic and metabolic analyses. The genetic variability investigated by MLST (MultiLocus Sequence Typing) describe two strains groups according to their phylogeny : the “environmental” strains, displaying high genetic diversity and isolated from different natural environments such as raw milks, plants and animals and the “domesticated” strains, genetically closely related, isolated from starters in dairy industries. Despite the lost of genetic diversity in domesticated strains, probably associated to a specialisation process, the integrative approach showed a genomic and functional diversity as huge as in environmental strains. The characterization of chromosome size and plasmidic content of the lactis subspecies revealed a variation higher than 300 kb in genetic coding capacity for domesticated and environmental strains. Moreover, the domesticated strains belonging to the biovar Diacetylactis showed different physiologies and metabolic regulations resulting in variable amount of aroma produced according to the strains. Finally, the genome sequencing of the A12 strain isolated from sourdough bread and its comparison with 4 other L. lactis genomes already sequenced revealed a spread pangenome (all the genes of a species). Approximately 20 % of each genome correspond to strain specific genes, showing large adaptive capacities of the subspecies. The in-depth study of the A12 strain by transcriptomic analysis allows to highlight mechanisms involved in the adaptation of a strain to a complex ecosystem

L’arsenic est naturellement présent dans la croûte terrestre et de manière abondante dans certains environnements. Si cet élément est toxique pour la plupart des formes de vies, des micro-organismes développent différents mécanismes pour y faire face. Ce travail porte sur l’étude de ces processus impliquant à la fois des réponses individuelles et des interactions entre organismes appartenant à des domaines différents du vivant. Des approches de génomique descriptive et fonctionnelle mettent ainsi en évidence différents mécanismes adaptatifs et fonctions cellulaires impliqués dans la réponse à l’arsenic d’une bactérie et d’un protiste photosynthétique, Rhizobium sp. NT-26 et Euglena mutabilis, tous deux particulièrement résistants à cet élément. Par ailleurs, tandis que Rhizobium sp. NT-26 semble avoir perdu sa capacité à interagir avec les plantes, E. mutabilis fait au contraire partie intégrante d’une communauté microbienne incluant différentes bactéries et bénéficie de leur activité. / Arsenic naturally occurs in earth crust and is particularly abundant in some environments. While this element is toxic for most forms of life, micro-organisms have evolved different mechanisms to cope with it. This work deals with these different processes involving individual responses as well as interactions between organisms belonging to different domains of life. Descriptive and functional genomics approaches highlight several adaptative mechanisms and cellular functions involved in the arsenic response of a bacterium and a photosynthetic protist, Rhizobium sp. NT-26 and Euglena mutabilis, respectively, both being particularly resistant to arsenic. Also, while Rhizobium sp. NT-26 seems to have lost its ability to interact with plants, E. mutabilis is on the contrary an integral part of a microbial community including different bacteria and benefits from their activity.

Cette thèse présente les adaptations spécifiques des hibernants ‘food-storing’ qui s’alimentent au cours de l’hibernation, et les conséquences de la qualité du régime alimentaire sur leur cycle annuel. Tandis que les espèces ‘fat-storing’ jeûnent pendant toute l’hibernation, les ‘food-storing’ alternent jeûnes courts et réalimentations. L’adiponectine stimulerait la lipolyse pendant l’hibernation contribuant ainsi à la cétogenèse. Le maintien d’un système digestif fonctionnel conduisant à la sécrétion d’incrétines, permet l’absorption optimale de nutriments lors des courtes euthermies inter-torpeurs. Une absorption accrue de glucose en particulier permettrait de restaurer la glycémie et les réserves de glycogène. Par ailleurs, un régime appauvri en protéines et enrichi en lipides induit un engraissement augmenté en période pré-hibernatoire provoquant une moindre utilisation de la torpeur donc une perte de masse accrue lors de l’hibernation, et une baisse du succès reproducteur. / This thesis presents the specific adaptations of food-storing hibernators that feed during hibernation, and the impact of diet quality on their annual cycle. In contrast to the fat-Storing species which fast during hibernation, the food-storing presents metabolic responses to an alternation of short fasting phases and hyperphagia. These responses involve one hand use of fat reserves during hibernation contributing to ketogenesis, which would be induced by adiponectin. On the other hand, maintaining a functional digestive system leading to the secretion of incretins, permits optimal nutrient absorption in the short inter-torpor euthermia. Increased glucose uptake in particular would restore body reserves to spare. Moreover, a lean protein diet enriched in fat and induces increased in body mass in pre-hibernation period causing reduced use of torpor thus an increased loss of mass during hibernation, and decreased reproductive success.

Depuis 157 ans et la publication originelle de la théorie de l’évolution par sélection naturelle de Charles Darwin, ce concept n’a cessé d’évoluer. Un principe fondamental suggère que des traits handicapants aient évolués dans la mesure où ils informent de manière honnête les congénères sur la qualité intrinsèque du porteur. Le manchot royal est un modèle exceptionnel permettant de tester la valeur sélective de ce signal dans un contexte sexuel et social (non-reproductif). Mes résultats suggèrent que l’apparition et le maintien de certains de ces traits au cours de l’évolution se sont opérés sous l’influence de la sélection sexuelle et d’un choix mutuel du partenaire, tandis que d’autre, non contraint par la condition fluctuante de l’individu, aurait évolué sous l’influence de la sélection sociale. Ce travail de recherche participe à la compréhension des mécanismes impliqués dans l’évolution de signaux coûteux, et à la nature des bénéfices ultimes que ces traits procurent. / Darwin’s seminal theory of evolution by means of natural selection, first published 157 years ago, has been in constant refinement ever since. The production and maintenance of extravagant ornaments is widely suggested to evolve by conspecific preference providing information on individual intrinsic quality in sexual contexts or on individual social quality in non-reproductive contexts. The king penguin is a monomorphic bird species and an outstanding model to study ornament evolution. My results show that those ornaments are partly condition-dependent, and reliable traits that may be used to assess the quality of a potential sexual partner, implying that their evolution and maintenance is partly determined by sexual selection. On the other hand, some traits remained condition-independent in their production, suggesting that the cost associated with their expression was deferred over time and the evolution of those ornaments likely shaped by non-sexual social selection.

De nombreuses études mettent en évidence un effet positif de la diversité spécifique sur la productivité des communautés végétales et la biodiversité associée. Mais l’effet de la diversité génétique sur la communauté d’espèces reste encore peu étudié en dépit des rares études montrant un effet positif avec des perspectives d’application dans le domaine de l’amélioration des plantes. C’est dans ce contexte que cette thèse s’interroge sur l’effet de la diversité génétique sur les communautés prairiales et la biodiversité du sol associée. Cette thèse repose sur une situation réelle via un dispositif d’évaluation de mélanges prairiaux installé par et chez un sélectionneur de plantes fourragères. Les résultats majeurs de cette thèse sont un effet positif de la diversité génétique des espèces sur la production de biomasse du mélange, particulièrement lors d’épisodes de sècheresse, et sur l’équilibre d’abondance des espèces. Ces effets positifs semblent être le résultat d’une différenciation de niches des espèces qui est à la base de la complémentarité des espèces en écologie. Il a été mis en évidence une complémentarité temporelle des espèces par une asynchronie des dynamiques de croissance, mais aussi une complémentarité sur l’acquisition de la lumière par des mécanismes de sélection et de plasticité. Enfin, des effets de la diversité génétique ont été observés sur la diversité microbienne avec des rétroactions potentielles sur les plantes. Au vu de ces résultats, il apparait que la diversité génétique occupe une place centrale dans l’assemblage et la structuration des communautés végétales et microbiennes, nous amenant à réfléchir quant à sa valorisation en amélioration des plantes. / Many studies highlight a positive effect of species diversity on plant community productivity and associated biodiversity. But genetic diversity effect on species community is still poorly studied despite the rare studies showing a positive effect with prospects for application in the field of plant breeding. It is in this context that this thesis examines the genetic diversity effect on grassland communities and associated soil biodiversity. This thesis is based on a real situation via an evaluation design of grassland mixtures installed by and in a plants breeding company. The major results of this thesis are a positive effect of the species genetic diversity on mixture biomass production, especially during drought episodes, and on species abundance equilibrium. These positive effects seem to be the result of a niche differentiation of species which is at the basis of species complementarity in ecology. Temporal complementarity of species has been demonstrated by asynchronous growth dynamics, but also by a complementarity for light acquisition via selection and plasticity mechanisms. Finally, genetic diversity effects have been observed on microbial diversity with plants feedbacks. In view of these results, it appears that genetic diversity occupies a central role in the assembly and structure of plant and microbial communities, leading us to consider how it could be integrated into plant breeding program.

Cette thèse a pour but d’étudier l'influence de l'hétérogénéité des forêts de terre ferme en Guyane sur l'organisation des communautés de moyens et grands vertébrés. Nous avons, d'abord, choisi une espèce modèle afin de déterminer une méthode adéquate d'estimation d'abondance prenant en compte la détection imparfaite et l'immigration temporaire des espèces, et de tester l'effet des conditions environnementales à différentes échelles d'analyse. Puis, partant du constat que les biais dus à la détection dans l'estimation d'abondance pouvaient être importants, nous avons déterminé l'importance relative des conditions environnementales et des traits biologiques des espèces sur la probabilité de détection. A partir de ce cadre d'étude, nous avons étudié la composition et les diversités alpha et beta en utilisant de façon complémentaire les métriques taxonomique, fonctionnelle, et phylogénétique pour déterminer le rôle relatif de l'environnement et de la contingence historique dans l'organisation des communautés, et de tester l’hypothèse des refuges forestiers. Enfin, en descendant dans l'échelle d'analyse, nous avons tenté de démêler l'effet de l'environnement et des interactions interspécifiques sur la cooccurrence des espèces, et utilisé les traits fonctionnels des espèces pour tester le lien entre cooccurrence et similitude fonctionnelle. Cette thèse met en avant les rôles prépondérants de la contingence historique et de la facilitation dans, respectivement, la structuration de la diversité régionale et les processus d’assemblages locaux des communautés de moyens et grands vertébrés en Guyane. / The main objective of this thesis was to study the influence of Guianan terra firme rainforests types on medium- and large-sized vertebrates community organization. First, we choose a model species which permitted to develop an appropriate abundance estimation method which take into account the imperfect detection and temporary immigration of mobile species, and to test environmental conditions effects at different spatial scales of analysis. Second, given that bias due to animal detection can be important in the abundance estimation, we determinated the relative role of environmental conditions and species biological traits on detection probability. From this methodological framework, we studied then processes of community organization, by identifying the main determinants involved in community organization, using composition and alpha and beta diversities, and, in a complementary manner, three metrics (taxonomic, functional, and phylogenetic). We sought from these general framework to determinate the relative role of environmental conditions and historical contingency, responsible for the current community organization, and to test the forest refugia hypothesis. Finally, we downscaled the analysis to determinate, and tried to disentangle the effects of environmental conditions and interspecific interactions on species co-occurrence. We used then functional traits to test the relationship between species co-occurrence and similarities.This thesis highlights the important role of historical contingency and facilitation in the structure of regional diversity and the local assembly processes of medium- and large-sized vertebrates, respectively, in French Guiana.