Melampsora larici-populina est un champignon pathogène responsable de la rouille foliaire sur les peupliers, causant de graves dommages dans les plantations du monde entier. Presque toutes les résistances des peupliers déployées en France ont été contournées et l'événement majeur est survenu en 1994 avec le contournement de la résistance R7 largement déployée en populiculture. Dans le but d'identifier des gènes candidats liés à la pathogénicité, j'ai mené une étude de génomique comparative basée sur le séquençage de 15 isolats. Cette analyse a mis à jour des patrons de polymorphisme corrélés à la distribution des virulences au sein des isolats tout en révélant la nécessité d'une étude populationnelle. Pour se faire, une étude de génétique des population basée sur le génotypage de 600 isolats de M. larici-populina échantillonnés de 1992 à 2012 a été conduite. Cette analyse m'a permis de décrire l'histoire démographique des populations de M. larici-populina et de documenter l'impact majeur du contournement de la R7 sur la structure des populations. Enfin, j'ai mené une analyse de génomique des populations afin d'obtenir un scenario démographique décrivant les liens historiques entre les populations et d'identifier les régions sous sélection. Cette analyse est basée sur le séquençage en Illumina de 86 isolats répartis en quatre populations clés mises en évidence par l'analyse de la structure génétique des populations. Plus de 1 000 000 positions polymorphes ont été identifiées. Un scenario fiable a été identifié par ABC à partir duquel les enveloppes de confiance des indices de génétique des populations ont été mesurées. L'analyse du génome scan qui a été réalisée sur les 86 génomes en utilisant ces mêmes indices a révélée 20 régions génomiques contenant 14 gènes candidats potentiellement impliquées dans le contournement de la R7. / Melampsora larici-populina is a pathogenic fungus responsible of poplar leaf rust, causing severe damages in plantations worldwide. Almost all poplar resistances deployed so far in France have been overcome and a major event that occurred in 1994 with the breakdown of resistance R7 mostly used in poplar cultivation. In order to identify candidate genes linked to pathogenicity, I conducted a comparative genomics study based on the sequencing of 15 isolates. This analysis revealed polymorphism patterns correlated to the distribution of virulences among isolates while the necessity of a population genetics study. I then analyzed the genetic structure of a comprehensive collection of 600 isolates of M. larici-populina sampled from 1992 to 2012. This analysis demonstrated the major impact of the R7 breakdown on populations. Finally, I conducted a population genomics analysis to obtain a demographic scenario describing the historical links between populations and to identify genomic regions under selection. This analysis is based on the Illumina sequencing of 86 isolates in four key populations identified by the population genetic analysis. Over 1,000,000 polymorphic positions were identified. The best demographic scenario was assessed using Approximate Bayesian Computation algorithms based on coalescent simulations. Using this demographic scenario, I computed the confidence interval of several population genetic indices. This genome scan analysis was performed on the 86 genomes using this same indices and revealed 20 genomic regions containing 14 genes potentially involving in the resistance 7 breakdown

Les champignons phytopathogènes sont des parasites majeurs des espèces végétales, autant naturelles que domestiquées. Botrytis cinerea, l’agent de la pourriture grise, en infecte plus de 1400 et est ainsi considéré comme un pathogène généraliste. Pourtant, des données récentes ont mis en évidence une structure des populations liée à leur hôte d’origine. Cette observation soulève l’hypothèse d’une spécialisation à l’hôte, à l’œuvre chez une espèce généraliste. Ce modèle d’étude pourrait permettre de faire avancer la connaissance des mécanismes évolutifs en jeu dans la divergence précoce des populations et la formation de nouvelles espèces fongiques. Cette thèse de doctorat a pour objectifs : (i) de démontrer formellement la spécialisation à l’hôte dans les populations de B. cinerea et d’en déterminer la magnitude et (ii) d’identifier les déterminants génomiques de cette spécialisation. Ainsi j’ai étudié la structure des populations par l’analyse de microsatellites d’un échantillon de 683 isolats, que nous avons corrélé à des tests de pathogénicité croisés sur différents hôtes. Ces travaux ont permis de mettre en évidence la spécialisation de B. cinerea aux hôtes tomate et vigne. En complément de ces lignées sélectionnées, l’espère Botrytis cinerea est constituée d’individus généralistes capables de coloniser les autres hôtes. Des méthodes d’inférence de structure et de généalogies sur des données de polymorphisme issues du séquençage de 32 individus nous ont permis de mieux définir la structure des populations ainsi que d’identifier une lignée spécialisée à la tomate. Enfin, des tests de McDonald-Kreitman et des méthodes de scans génomiques pour détecter des balayages sélectifs ont permis de mettre en évidence des gènes soumis à la sélection divergente entre les populations spécialisées, révélant de possibles déterminants de cette spécialisation. Ces travaux sont ainsi une base pour la validation de plusieurs gènes impliqués dans la pathogénicité hôte-spécifique de B. cinerea, et ouvrent la voie à des améliorations de la gestion du réservoir d’hôtes et des pratiques culturales contre la pourriture grise. / Phytopathogenic fungi are major parasites to wild or domesticated plant species. The grey mold fungus, Botrytis cinerea, infects more than 1400 plant species and thus is considered a broad generalist. However, recent data have revealed population structure correlated to the host of origin of isolates. This observation raises the hypothesis of ongoing host specialization in a generalist species. Studying this question could greatly deepen our theoretical knowledge of the evolutionary mechanisms involved in the early stages of population divergence and subsequent speciation. This thesis aims (i) to formally demonstrate the host specialization in B. cinerea’s populations and determine its magnitude, and (ii) to identify the genomic determinants of this specialization. Thus, I studied population structure based on 683 isolates characterized using microsatellite markers. We compared the inferred genetic structure with variations in aggressiveness measured through cross-pathogenicity tests on multiple hosts. These experiments and analyses confirmed the specialization of B. cinerea to tomato and grapevine hosts. Besides these specialized lineages, the species B. cinerea is composed of generalist individuals capable of infecting multiple hosts. I sequenced the whole genome of 32 individuals and characterized nucleotide polymorphism. Structure inference and genomic genealogy methods allowed us to more accurately define the population structure and identify a lineage specialized on tomato. Lastly, McDonald-Kreitman tests and genomic scans methods allowed the identification of genes under divergent natural selection between populations, revealing possible genomic determinants of specialization. This work can serve as foundation for the validation of multiple genes involved in host-specific pathogenicity of B. cinerea, and pave the way for the implementation of efficient strategies for managing pathogen reservoirs and new agricultural practices for controlling grey mold.

Pour lutter contre les agents phytopathogènes, la sélection de plantes résistantes est la stratégie la plus rentable et la plus écologique. Les résistances quantitatives, basées sur des mécanismes de résistances complexes, sont connues pour être sujettes à l’érosion, en cas d’évolution de l’agressivité des agents pathogènes. L’objectif de ce travail basé sur le pathosystème peuplier – rouille du peuplier (Melampsora larici-populina) est d’évaluer le potentiel évolutif des caractères d’agressivité et morphologiques du parasite par des approches de génétique quantitative et d'identifier les bases génétiques par génétique d'association. Pour estimer la plasticité, l’héritabilité et les compromis évolutifs d’un ensemble de caractères quantitatifs, nous avons précisément mesuré leurs variations dans quatre populations contrastées du champignon. Nous avons montré que le volume des spores est un caractère héritable qui évolue rapidement. La quantité de mycélium in planta est aussi héritable mais très conservée car sous sélection stabilisante dans les populations étudiées. Le temps de latence, la taille des lésions et le taux de sporulation présentent une héritabilité faible, ce qui explique l’absence d’évolution observées au cours du temps pour ces trois caractères. Les caractères liés à la fonction de sporulation semblent être les plus plastiques le long d’un gradient de maturité foliaire. Cependant, l’absence de mise en évidence de compromis évolutifs ne nous a pas permis d’identifier des caractères d’agressivité qui seraient les meilleures cibles pour les résistances quantitatives chez le peuplier. Si aucune base génétique de ces caractères quantitatifs n’a été mise en évidence, nous avons localisé un locus d’avirulence potentiel (Avr7) sur lequel une caractérisation fonctionnelle est envisagée / To control plant pathogens, breeding resistant plants is the most cost-effective and ecological strategy. Quantitative resistances, which are based on complex plant mechanisms, are known to be exposed to erosion through an increase of pathogens aggressiveness. Through the study the poplar – poplar rust (Melampsora larici-populina) pathosystem, this work aims to estimate the evolutionary potential of aggressiveness and morphological traits using quantitative genetic approaches and to identify molecular bases through genome-wide association study. To estimate plasticity, heritability, and trade-offs for a set of quantitative traits, we precisely measured their variation in four contrasted pathogen populations. It appeared that spore volume is highly heritable and evolved rapidly. In planta mycelium quantity is also heritable but constant because of stabilizing selection occurring in the studied populations. Latent period, lesion size and sporulation rate exhibit low heritability, which explains the absence of evolution during the studied time period. Traits involved in the sporulating function seem to be the most plastic ones along a leaf maturity gradient. However, the lack of evidence of trade-offs did not allow us to identify aggressiveness traits that would be the best targets for the construction of durable resistance in poplar. No genetic underpinning has been found for quantitative traits, but we have identified a potential avirulence locus (Avr7), opening the way for its functional characterization

L’adaptation d’un champignon pathogène à son milieu, ainsi que l’évolution et la structuration des populations qui en découlent, sont fortement influencés par ses traits d’histoire de vie qui conditionnent sa fitness. C’est ce que nous avons illustré chez Melampsora larici-populina, l’agent de la rouille du peuplier. Ainsi, nous avons mis en évidence que le volume des spores du champignon évolue de manière répétable au cours des épidémies annuelles dans la vallée de la Durance, et ce sous l’effet de la sélection naturelle, signe que ce trait intervient directement dans le processus adaptatif du champignon. Par conséquent, les contraintes génétiques conditionnant le potentiel adaptatif du champignon en lien avec les traits d’histoire de vie ont été étudiées en laboratoire, au sein d’une descendance S1 issue de l’autofécondation d’une souche de référence. Les résultats obtenus suggèrent que M. larici-populina présente un potentiel adaptatif élevé. Enfin, une carte génétique à haute résolution du champignon, comprenant 18 chromosomes, a été construite afin d’étudier le déterminisme génétique de ces traits d'histoire de vie. Un locus de virulence ainsi que des QTL intervenant dans l’expression de la taille des lésions ont pu être détectés et positionnés avec précision sur cette carte. Ce travail a mis en évidence le rôle des traits quantitatifs dans l’adaptation et la structuration des populations de M. larici-populina en réponse aux pressions de sélection du milieu, en lui conférant un potentiel adaptatif élevée, essence de l’adaptation des organismes. Il ouvre également de nombreuses perspectives de recherche visant à identifier les bases génétiques de l’adaptation de ce champignon pathogène à son hôte, éléments indispensables à l’élaboration de stratégies de lutte durables / Adaptation of a phytopathogenic fungus to its environment, as well as the resulting evolution and structuration of its populations, are strongly influenced by its life history traits which condition its fitness. This is illustrated here with the poplar rust fungus Melampsora larici-populina. Hence, we showed that spore volume repeatedly evolved through natural selection, during annual epidemics in the Durance River valley, showing the implication of this trait in the fungus adaptive processes. Consequently, genetic constraints conditioning the adaptive potential of the fungus, in connection with life history traits, were studied in laboratory, over a progeny resulting from a selfing of a reference strain. Results suggest that M. larici-populina has a high adaptive potential. Finally, a high resolution genetic map of the fungus, comprising 18 chromosomes, has been built in order to study genetic determinism of these traits. One locus of virulence and three QTL involved in the expression of the lesion size were detected and accurately mapped on this map. This work emphasizes the role of quantitative traits in adaptation and structuration of M. larici-populina populations in response to the environmental selective pressures, by conferring an adaptive potential, the basis of organisms’ adaptation. It also opens many opportunities to identify the genetic bases of adaptation of this fungus, these elements being essential for the development of sustainable strategies of disease control

La structure génétique et la dynamique des populations des champignons phytopathogènes peuvent être influencées par de nombreux facteurs, ce que nous avons illustré à différentes échelles chez Melampsora larici-populina, l'agent de la rouille du peuplier. A l'échelle de la France, deux principaux groupes génétiques se différencient. Le premier, inféodé aux hôtes sauvages, est le produit de l'évolution des populations en conditions naturelles. Le second, formé suite au contournement de la résistance R7 portée par le cultivar "Beaupré", se caractérise par une forte proportion d"individus virulents 7 et présente des signatures de sélection et d'expansion démographique, témoins de l'invasion de ce groupe sur tous les peupliers (y compris sauvages) de la moitié nord de la France. A une échelle plus restreinte, nous avons examiné une zone de contact située dans les Alpes, où la délimitation entre les groupes « cultivé » et « sauvage » était la plus marquée. En testant l'effet du paysage, nous avons montré que le massif des Ecrins protégeait le groupe « sauvage » situé à l'est, en amont de la vallée de la Durance, de l'invasion des individus au profil « cultivé » venant du nord-ouest. Il n'en est pas de même dans la partie aval de cette vallée, colonisée annuellement par une vague épidémique, issue de ces deux groupes génétiques présents en amont de part et d'autre du Massif des Ecrins. En dernier lieu nous avons examiné les conséquences génétiques des évènements de colonisation, qui se traduisent par une augmentation de la différenciation par rapport à la source de l'épidémie ainsi qu'une érosion de la diversité génétique. Ce travail original a permis de souligner l'importance de combiner les approches d'épidémiologie et de génétique des populations pour caractériser au mieux les processus démographiques et leurs conséquences génétiques / Many factors can impact the genetic structures and population dynamics of fungal plant pathogens. Here we illustrated some of them at different spatial scales for the poplar rust fungus Melampsora larici-populina. At the scale of France, two main genetic groups were found. The first one infects only wild hosts and results from natural evolution of rust populations. The second one was formed after the R7 resistance breakdown, which is carried by the cultivar ?Beaupré?. This group exhibited a high proportion of virulent 7 individuals and presented signs of selection and demographic expansion; these signs indicate the recent invasion of individuals from this group on both wild and cultivated poplars in the northern half of France. At a regional scale, we focused on a contact zone between the ?cultivated? and the ?wild? genetic groups, located in the Alps. Upstream the Durance River valley, the influence of landscape has been highlighted by the effect of the Ecrins range which protects the ?wild? group located on the east side from the invasion of individuals from the ?cultivated? group, which arise from the northwest. Downstream the valley the annual epidemic wave was shown to be composed of admixed individuals from ?wild? and ?cultivated? groups, originating from both sides of the Ecrins range. Lastly we assessed the genetic consequences of the colonization wave. We evidenced a gradual increase of genetic differentiation with the epidemic source and a loss of genetic diversity. This work highlights the need of combining population genetics and epidemiology to characterize demographic processes and their genetic consequences