Les bactéries symbiotiques facultatives, transmises verticalement de mère à descendants, sont connues pour avoir des effets importants sur la reproduction de leurs hôtes (incompatibilité cytoplasmique et biais de sex-ratio), sur l’adaptation à des situations de stress (spécialisation, résistance aux pathogènes et aux fortes températures) ainsi que sur l’évolution de l’ADN mitochondrial par l’induction de balayages sélectifs. Bemisia tabaci est un complexe d’espèces divisé en nombreux biotypes, principalement différenciés sur la base de marqueurs moléculaires (essentiellement mitochondrial). Cet insecte héberge 7 symbiotes, 1 symbiote nutritionnel obligatoire et 6 symbiotes facultatifs. Nos résultats ont montré une extrême diversité ainsi qu’une prévalence exceptionnelle des bactéries symbiotiques chez B. tabaci. Leur dynamique rapide a entraîné de nombreux balayages sélectifs sur l’ADN mitochondrial influençant nettement son évolution. La très forte fréquence des infections multiples chez cet insecte peut certainement être expliquée par la co-localisation de l’ensemble des bactéries au sein des mêmes cellules, avec le symbiote nutritionnelle. Enfin, la coexistence de différents cytotypes en sympatrie offre l’opportunité d’étudier les interactions qui se mettent en place entre différentes communautés symbiotiques et comment ces systèmes vont évoluer / Facultative endosymbiotic bacteria that are vertically transmitted from mother to offsprings, have important effects on their host reproduction (cytoplasmic incompatibilities and sex-ratio biais), on host adaptation to situation of stress (specialization, resistance against pathogens or high temperature) and also on the evolution of mtDNA, by inducing selective sweeps. Bemisia tabaci is a species complex divided into numerous, mainly differentiated based on molecular markers (essentially mtDNA markers). This insect is infected by 7 bacterial symbionts, one nutritionnal symbiont that is obligatory and 6 facultative symbionts. Our results show an extreme diversity of symbionts in this insect and a very high prevalence in B. tabaci populations. Moreover their rapid dynamic has strongly influenced mtDNA evolution by inducing recurrent selective sweeps. The colocalization of the whole symbiotic community in the same cells, with the nutritional symbiont, might certainly explain the very high frequency of multiple infections in B. tabaci. Finally, coexistence of very different cytotypes in sympatry allows to study the interactions that take place between different symbiotic communities and how these systems will evolve

Ce projet vise à comprendre comment la structure génétique intra-spécifique d'espèces végétales tropicales emblématiques et de l’espèce humaine a été affectée par les variations spatio-temporelles de l’environnement actuel et passé. Nous avons développé une approche d’inférence génétique basée sur la théorie de la coalescence pour évaluer l’influence potentielle des changements climatiques passés sur l’évolution de la distribution géographique et de la diversité génétique neutre et/ou adaptative d’Amborella trichopoda Baill. en Nouvelle-Calédonie (espèce-sœur des angiospermes, données NGS et microsatellites), de Coffea canephora Pierre ex A. Froehn en Afrique tropicale (caféier Robusta, données NGS) et de populations européenne et africaine (Luhya, Kenya) d’humains anatomiquement modernes (données NGS issues du Projet 1000 Génomes). Nos travaux suggèrent que les fluctuations climatiques du Pleistocène tardif ont joué un rôle majeur sur l’évolution de la diversité génétique des espèces étudiées de milieux tropicaux et tempérés, avec une empreinte remarquable du Dernier Maximum Glaciaire (DMG, 21 000 ans avant le présent). Les contractions démographiques associées à la glaciation planétaire ont vraisemblablement conduit à la divergence entre les lignées génétiques d’Amborella et participé à l’accumulation des différences génétiques entre les lignées de C. canephora. Nos résultats suggèrent que les événements de glaciation planétaire ont probablement entraîné une différenciation génétique idiosyncratique dans les forêts tropicales humides mais l’intensité de cette réponse semble avoir varié entre espèces. Nous avons également identifié de nombreux événements passés de sélection dans les génomes de la population humaine européenne qui ont été vraisemblablement provoquées par les conditions environnementales au cours du DMG. Les adaptations phénotypiques associées ont probablement assuré le maintien de l’expansion démographique en dépit des pressions de sélection nouvelles auxquelles les populations étaient confrontées au cours du dernier âge glaciaire en Europe. / This project aims at understanding how the structure of the intra-specific genetic diversity in emblematic tropical plant species and in the human species was shaped by the spatiotemporal variation of current and past environments. We developed a genetic inference approach based on the coalescent theory to assess the potential impact of past climatic change onto the evolution of the geographic range and of the neutral and/or adaptive genetic diversity in Amborella trichopoda Baill. in New Caledonia (sister-species of all extant angiosperms, NGS and microsatellite datasets), in Coffea canephora Pierre ex A. Froehn in tropical Africa (Robusta coffee, NGS dataset) and in North-Western European and African (Luhya, Kenya) human populations (NGS dataset 1000 Genomes Project). We found that the climatic fluctuations of the Late Pleistocene influenced the evolution of genetic diversity in these species distributed in temperate and tropical environments. The environmental conditions during the Last Glacial Maximum (LGM, 21.000 years before present) appear as an important factor. The demographic contraction associated with the last global glaciation influenced the divergence between Amborella genetic lineages and contributed to the accumulation of genetic differences between C. canephora lineages. Our results suggest that global glaciation events likely drove idiosyncratic genetic differentiation in tropical rain forests but the intensity of this response varied between species. We also identified multiple events of selection in the genomes of the European human population which were likely triggered by the environmental conditions during the LGM. The associated phenotypic adaptations probably allowed the paleo-populations to maintain their demographic expansion despite the new kinds of selective pressure they faced during the last glacial age in Europe.

Deux espèces sauvages de tournesols Helianthus annuus et H. petiolaris ont donné naissance il y a plusieurs milliers d'années à une espèce hybride H. paradoxus inféodée à des marais salins. Ma thèse a consisté à caractériser les bases génétiques de l'adaptation de H. paradoxus à ce milieu extrême.<br />J'ai recherché des signatures de sélection à deux échelles : à l'échelle du génome et à une échelle plus fine comprise entre 20 et 90 cM. Pour cela j'ai analysé les patrons de diversité génétique pour des marqueurs microsatellites dans trois populations naturelles de H. paradoxus et des deux espèces parentales, autour de trois QTL de survie et ailleurs dans le génome. A l'échelle du génome, une baisse de diversité autour de ces QTL a été mise en évidence chez l'espèce hybride et non chez ses parents indiquant qu'il est possible de détecter une signature de la sélection à cette échelle chez cette espèce. A l'échelle plus fine, le patron de diversité est en mosaïque. L'ordre des marqueurs n'étant pas connu avec certitude chez l'espèce hybride, une méthode basée sur le déséquilibre de liaison entre des marqueurs génotypés dans des populations naturelles a été développée. Cette méthode permet de regrouper sur une carte des marqueurs en fort déséquilibre de liaison. La correspondance entre carte de déséquilibre de liaison et carte génétique varie selon les populations et l'échelle génétique.<br />Parallèlement une étude physiologique et d'expression génique visant à comprendre le mécanisme d'adaptation à la salinité de H. paradoxus a été conduite. L'espèce hybride est très plastique, mais se porte mieux en milieu salin, ses feuilles sont plus succulentes, avec une concentration en sodium et sulfate très élevée dans ses tissus. Plusieurs gènes candidats, impliqués dans différentes voies de réponse à la salinité, et dont certains sont cartographiés dans les régions des QTL, sont différentiellement exprimés chez l'espèce hybride et chez ses parents. Ces résultats confirment qu'ils sont des candidats potentiels importants dans l'adaptation de H. paradoxus aux marais salins et donc impliqués dans le processus de spéciation.

Les populations humaines ont été confrontées à de nombreux changements environnementaux au cours de leur histoire et présentent aujourd’hui une grande diversité d’habitats et de modes de subsistance. Cependant, l’ampleur de l’adaptation génétique et des réponses épigénétiques à ces changements est débattue. Nous avons d’abord étudié la puissance de diverses statistiques pour détecter les balayages sélectifs dans le contexte des données de séquençage à haut débit, et évalué leur robustesse à différents facteurs confondants. En utilisant des jeux de données de séquençage, nous montrons que les balayages sélectifs ont eu un impact modéré mais non négligeable dans l’évolution récente du génome humain. Les régions sous sélection sont enrichies en mutations associées à des variations phénotypiques. Nous avons ensuite évalué l’impact respectif des facteurs génétiques et environnementaux sur la diversité épigénétique humaine. Pour cela, nous avons obtenu les génotypes et les profiles de méthylation de l’ADN de populations d’Afrique Centrale présentant des différences récentes d’habitat ou historiques de modes de vie et de profil génétique. Nous montrons que les deux facteurs ont un effet similaire sur le méthylome mais diffèrent par les fonctions biologiques affectées et les mécanismes expliquant les variations observées. Plus généralement, les variations de méthylation sont fortement associées à des mutations génétiques qui sont enrichies en signaux de sélection positive. En conclusion, ce travail apporte un aperçu de la contribution des mutations génétiques et des réponses épigénétiques à l’adaptation humaine aux changements environnementaux sur plusieurs échelles de temps. / Human populations have faced a large number of environmental challenges during their evolutionary history and present today a wide range of habitats and mode of subsistence. However, the extent of genetic adaptation and epigenetic responses to such environmental variation remains controversial. We first explored the power of several statistics to detect hard selective sweeps in the context of whole-genome sequencing data, and evaluated their robustness to demography and other selection modes. Using data from the 1,000 Genomes Project and Complete Genomics, we showed that hard sweeps targeting low-frequency standing variation have played a moderate, albeit significant, role in recent human evolution. The signals of selection detected were moreover enriched in functional variants detected by genome-wide association studies. We then evaluated the relative impacts of genetic and environmental factors on human epigenomic diversity. To do so, we generated genome-wide genetic and DNA methylation profiles for Central African populations differing in their current habitat or in their historical lifestyle and genetic background. We found that both factors have similar critical impacts on the shaping of the global methylome, but the biological functions affected and the mechanisms underlying DNA methylation variation strongly differ. More generally, methylation variation shows strong associations with nearby genetic variants that, moreover, are enriched in signals of natural selection. Together, this work provides new insight into the contribution of genetic adaptation and epigenetic responses to the adaptation of humans to environmental changes over different time scales.

Tous les individus ne répondent pas de la même façon à un même traitement médicamenteux, tant sur le plan pharmacologique (efficacité) que sur le plan toxicologique (effets indésirables). Des facteurs génétiques affectant la pharmacocinétique et la pharmacodynamie des médicaments jouent un rôle déterminant dans cette variabilité interindividuelle de réponse. Certains de ces facteurs sont distribués de manière hétérogène entre les populations humaines. Ces différences s'expliquent en partie par des phénomènes d'adaptation locale des populations à leur environnement. Au cours de son histoire, l'homme a dû en effet faire face à des changements de son environnement chimique, qui ont entraîné des pressions de sélection naturelle sur les gènes intervenant dans la réponse de l'organisme aux xénobiotiques. Ce sont ces mêmes gènes qui, aujourd'hui, influencent la réponse aux médicaments.La formidable accélération des progrès de la génétique donne accès aujourd'hui à la variabilité génétique des populations humaines sur l'ensemble du génome, facilitant la découverte et la compréhension des mécanismes génétiques à l'origine des traits complexes comme la réponse aux médicaments. Les outils de la génétique des populations permettent notamment d'identifier des variants affichant un niveau de différenciation génétique inhabituel entre les populations humaines et de déterminer dans quelle mesure la sélection naturelle a joué un rôle dans les profils atypiques observés.Dans cette thèse, nous avons appliqué ces outils à des données de génotypage et de séquençage pour analyser les profils de différenciation génétique des populations humaines pour les gènes de la réponse aux médicaments. Nous avons ainsi démontré qu'une sélection positive récente en Asie de l'Est dans la région génomique du gène VKORC1 était responsable d'une hétérogénéité de distribution du variant fonctionnel de VKORC1, à l'origine des différences de sensibilité génétique aux anticoagulant oraux de type antivitamine K entre les populations humaines. Puis, en étendant notre analyse à l'ensemble des pharmacogènes majeurs, nous avons identifié de nouveaux variants potentiellement intéressants en pharmacogénétique pour expliquer les différences de réponse aux médicaments entre les populations humaines et les individus. Enfin, l'étude approfondie du gène NAT2 nous a permis de révéler un processus de sélection homogénéisante ciblant un variant fonctionnel associé à un phénotype d'acétylation très lent. Ces résultats soulignent l'influence déterminante de la sélection naturelle dans la variabilité de réponse aux médicaments entre les populations et les individus. Ils montrent l'apport de la génétique des populations pour une meilleure compréhension de la composante génétique de la réponse aux médicaments et des traits complexes.

Tous les individus ne répondent pas de la même façon à un même traitement médicamenteux, tant sur le plan pharmacologique (efficacité) que sur le plan toxicologique (effets indésirables). Des facteurs génétiques affectant la pharmacocinétique et la pharmacodynamie des médicaments jouent un rôle déterminant dans cette variabilité interindividuelle de réponse. Certains de ces facteurs sont distribués de manière hétérogène entre les populations humaines. Ces différences s’expliquent en partie par des phénomènes d’adaptation locale des populations à leur environnement. Au cours de son histoire, l’homme a dû en effet faire face à des changements de son environnement chimique, qui ont entraîné des pressions de sélection naturelle sur les gènes intervenant dans la réponse de l’organisme aux xénobiotiques. Ce sont ces mêmes gènes qui, aujourd’hui, influencent la réponse aux médicaments.La formidable accélération des progrès de la génétique donne accès aujourd’hui à la variabilité génétique des populations humaines sur l’ensemble du génome, facilitant la découverte et la compréhension des mécanismes génétiques à l’origine des traits complexes comme la réponse aux médicaments. Les outils de la génétique des populations permettent notamment d’identifier des variants affichant un niveau de différenciation génétique inhabituel entre les populations humaines et de déterminer dans quelle mesure la sélection naturelle a joué un rôle dans les profils atypiques observés.Dans cette thèse, nous avons appliqué ces outils à des données de génotypage et de séquençage pour analyser les profils de différenciation génétique des populations humaines pour les gènes de la réponse aux médicaments. Nous avons ainsi démontré qu’une sélection positive récente en Asie de l’Est dans la région génomique du gène VKORC1 était responsable d’une hétérogénéité de distribution du variant fonctionnel de VKORC1, à l’origine des différences de sensibilité génétique aux anticoagulant oraux de type antivitamine K entre les populations humaines. Puis, en étendant notre analyse à l’ensemble des pharmacogènes majeurs, nous avons identifié de nouveaux variants potentiellement intéressants en pharmacogénétique pour expliquer les différences de réponse aux médicaments entre les populations humaines et les individus. Enfin, l’étude approfondie du gène NAT2 nous a permis de révéler un processus de sélection homogénéisante ciblant un variant fonctionnel associé à un phénotype d’acétylation très lent. Ces résultats soulignent l’influence déterminante de la sélection naturelle dans la variabilité de réponse aux médicaments entre les populations et les individus. Ils montrent l’apport de la génétique des populations pour une meilleure compréhension de la composante génétique de la réponse aux médicaments et des traits complexes. / Response to drug treatment can be highly variable between individuals, both in terms of therapeutic effect (efficacy) and of adverse reactions (toxicity).Genetic factors affecting drug pharmacodynamics and pharmacokinetics play a major role in this inter-individual variability. Some of these factors are heterogeneously distributed among human populations. Local adaptation of populations to their environment partly explained those differences. Indeed,during human evolution, populations had to cope with changes in their chemical environment that triggered selective pressures on genes involved in xenobiotic response. Those genes are the same ones that influence drug response today.The tremendous recent advances in genotyping and sequencing technologies now provide access to the genome-wide patterns of genetic variation in a growing number of human populations, facilitating our understanding of the genetic mechanisms underlying complex traits such as drug response. Population genetic tools allow the identification of variants showing an unusual pattern of genetic differentiation among human populations and the determination of the role played by natural selection in shaping the atypical patterns observed.In this thesis, we have applied these tools on both SNP-chip genotyping data and Next Generation Sequencing data to analyze the genetic differentiation patterns of human populations for genes involved in drug response. We show that a nearly complete selective sweep in East Asia in the genomic region of the VKORC1 gene is responsible for an heterogeneous distribution of theVKORC1 functional variant and can explain the inter-population genetic differences in response to oral anti-vitamin K anticoagulants. Extending the analysis to all major pharmacogenes, we have identified new variants of potential relevance to pharmacogenetics which could explain inter-population and inter-individual differences in drug response. Finally, by a comprehensive analysis of the NAT2 gene, we evidence a homogenizing selection process targeting a functional variant associated with a very slow acetylation phenotype. These results emphasize the crucial role of natural selection in the inter-population and inter-individual drug response variability.They also illustrate the relevance of population genetics studies for a better understanding of the genetic component underlying drug response and complex traits.

La domestication du mil (Pennisetum glaucum), dans le Sahel, a engendré une large gamme de variétés, très diversifiées pour de nombreuses caractéristiques agronomiques. En particulier, la diversité de la durée du cycle des variétés locales de mil est une composante essentielle des stratégies mises en œuvre par les agriculteurs pour faire face aux fluctuations des précipitations et assurer une certaine stabilité de la production. Au cours des dernières décennies, des évolutions dans les pratiques agricoles ont été observées, en réponse à des changements écologiques et sociaux. Une des conséquences de ces évolutions pourrait être l’existence de flux de gènes entre variétés à cycle court et variétés à cycle long du fait de l’émergence de situations de parapatrie entre ces deux types de variétés, naguère isolées. Par ailleurs, l’existence de recouvrement des périodes des floraisons de ces deux types variétaux a déjà été préalablement observée. Une telle situation amène donc à s’interroger sur la dynamique évolutive passée et actuelle de la diversité de la longueur du cycle du mil dans le Sahel. Dans la première partie de ma thèse, j’ai évalué les possibilités d’occurrence de flux de gènes entre variétés précoces et tardives de mil dans le Sud-ouest du Niger, en utilisant une approche comparative entre situations contrastées pour la distribution spatiale de ces deux types de variétés. J’ai réalisé : 1) une étude des périodes de floraison de deux variétés de mil (précoce (Haïni Kiré) : 75 à 95 jours entre le semis et la maturité et tardive (Somno) : 105 à 125 jours de durée de cycle) dans plusieurs champs paysans, et dans deux villages. 2) une analyse moléculaire à l’aide de 15 marqueurs microsatellites qui a permis l’estimation des niveaux de différenciation génétique entre populations de mils précoces et tardifs échantillonnés dans 4 villages (incluant les deux villages déjà cités) de la même région.Les résultats ont montré la possibilité effective de flux de pollen et l’existence d’introgressions génétiques entre variétés précoces et tardives. Les mécanismes qui pourraient permettre un maintien sur le long terme d’une différenciation phénologique entre les deux types variétaux malgré l’existence de ces flux de gènes, sont discutés.Dans la deuxième partie, j’ai utilisé une approche « gène candidat » combinée à une démarche de génétique des populations, pour tenter d’identifier des gènes qui auraient pu contribuer à la diversité de la durée de cycle chez le mil. Je me suis focalisé sur trois gènes du contrôle de la transition florale PgHd3a, PgDwarf8 et PgPHYC. Leur implication dans la diversité de la durée de cycle chez plusieurs espèces a déjà été montrée. J’ai estimé les niveaux de différenciation génétique entre les mils domestiques et sauvages, précoces et tardifs pour ces trois gènes J'ai aussi cherché à mettre en évidence, au sein de ces gènes, les empreintes éventuelles d’évènements sélectifs passés. Afin de prendre en compte l’histoire démographique des mils dans les tests de neutralité sélective, j’ai utilisé les données de polymorphisme nucléotidiques de 8 séquences témoins dans le cadre d’une approche Bayésienne.Les résultats obtenus suggèrent fortement que PgHd3a et PgDwarf8 ont été ciblés par la sélection durant la domestication. Cependant, les données ne soutiennent pas l’hypothèse d’un rôle potentiel des trois gènes candidats dans la différenciation de la durée de cycle entre les variétés locales précoces et tardives. L’approc / Domestication of pearl millet (Pennisetum glaucum) in the Sahel of Africa has produced a wide range of diversity in cycle duration of landraces. This diversity allows Sahelian farmers to outface the precipitation fluctuation and to ensure regularity in grain production. Due to ecological and social recent changes, modifications of farmer’s practices could be a factor promoting gene flow between the early and late flowering varieties by increasing the opportunity of neighboring and flowering overlap between them. Such a situation raises questions about the past and current evolutionary dynamics of phenological diversity in this crop.In the first part of my thesis I tried to evaluate the possibility of gene flow between pearl millet varieties in South-West Niger, through a comparative approach among contrasting situations pertaining to the spatial distribution of early and late landraces. Therefore I conducted: 1) a field study where we observed flowering periods, for two types of varieties (early type (Haïni Kiré): 75 to 95 days and late type (Somno): 105 to 125 days of cycle length) in several pearl millet fields, and in two villages 2) a molecular study that allows the assessment of the level of genetic differentiation between late and early flowering populations sampled from four villages (including the two where the field study was conducted) of the same region (Dallol Bosso), using microsatellite markers. I was able to demonstrate the occurrence of pollen flow between the two types of landraces and I also showed evidence of genetic introgression between early and semi-late landraces. Potential mechanisms that would allow for the maintenance of the phenological differentiation between these two varieties and despite the gene flow are discussed.In the second part of this work I used a candidate gene and a population genetics approach, to try to identify genes that may have contributed to the cycle length diversity in pearl millet. I focused on three flowering candidate genes, PgHd3a, PgDwarf8 and PgPHYC which have been shown to be involved in the cycle length genetic diversity in several species, in order to estimate the differentiation between wild and domestic pearl millets and between early and late landraces, on the basis of theses candidate genes. I also tried to track for the fingerprint of eventual past selective events within these candidate genes. To be able to distinguish the effects of selection from the effect of demographic events that occurred during the domestication process, I used 8 neutral STS loci and an Approximate Bayesian Computation approach.My results strongly suggest that PgHd3a and PgDwarf8 were likely targeted by selection during domestication. However, a potential role of any of the three candidate genes in the phenological differentiation between early and late landraces was not supported by our data. The Bayesian approach confirmed the idea, suggested by many authors, that the gene flow from the wild to the domestic genetic pool has contributed significantly to the genetic diversity of the domestic pearl millet.