Comprendre comment est générée la diversité biologique est un enjeu majeur de la biologie évolutive. Chaque espèce vit dans un environnement écologique qui lui est propre et dans lequel elle s’est adaptée au cours de l’évolution par les moyens de la sélection naturelle. Chaque espèce est également soumise à la sélection sexuelle contribuant au dimorphisme entre les sexes. Les traits phénotypiques associés au succès évolutif sont formés lors du développement par l’action de gènes qui sont transmis de génération en génération. Ces traits et ces gènes varient d’une espèce à une autre et contribuent directement à la diversité morphologique. La compréhension des interactions entre les mécanismes développementaux et les pressions écologiques permettent de mieux comprendre les processus qui influent sur la diversité morphologique et l’évolution des espèces. Obtenir une vision intégrative est un réel défi et demande de combiner diverses approches. Au cours de ma thèse, j’ai utilisé les insectes semi-aquatiques (Gerromorphes) qui sont un modèle permettant de lier évolution, écologie et développement. En utilisant différentes approches j’ai pu mettre en évidence des gènes impliqués dans le développement de divers traits adaptatifs, l’importance de ces traits dans un contexte écologique et leur impact sur l’évolution du groupe des Gerromorphes. L’ensemble des résultats obtenus améliore notre compréhension de comment sélection naturelle et sélection sexuelle, en agissant sur les mécanismes génétiques, génèrent de la diversité morphologique. / Understand how biodiversity is generated is a major goal in evolutionary biology. Every species live in a specific ecological habitat where they adapted during evolution by the mean of natural selection. Every species is also under sexual selection that generates dimorphism between the sexes. Adaptive traits contributing to evolutionary success are shaped during development by the action of genes that are transmitted through generations. These traits and genes vary across species and directly contribute to generate morphological diversity. The study of the interactions between developmental genetic mechanisms and selective ecological pressures allow a better understanding of the processes generating morphological diversity and driving the evolution of species. Obtain an integrative view is a challenge and required the combination of different approaches. During my PhD, I used the semiaquatic bugs (Gerromorpha) that are model systems allowing to link evolution, ecology and development. By using various approaches I could highlight genes involved in the development of different adaptive traits, the relevance of these traits in an ecological context and their impact on the evolution of the group of Gerromorpha. Altogether these results improve our understanding of how natural and sexual selection, by acting on genetic mechanisms, generate morphological diversity.

Chez les espèces sexuées, une sélection sexuellement antagoniste (SA) peut agir si les deux sexes ont des optimums en fitness différents pour un même trait. De plus, si l'architecture génétique de ce trait est partagée entre les sexes, un conflit sexuel intralocus (IASC) peut se produire, menant à l'évolution d'un dimorphisme sexuel. Un modèle de génétique des populations classique prédit que le chromosome X offre un environnement plus favorable à l'accumulation de locus sous sélection SA en comparaison aux autosomes. Nous nous sommes dans un premier temps intéressée à la détection d'une signature d'IASC dans le génome humain, c'est-à-dire des différences de fréquences alléliques entre les sexes. En effectuant un balayage du génome, nous avons mis en évidence un enrichissement en locus montrant une signature d'IASC sur le chromosome X en comparaison aux autosomes. Un mécanisme possible à l'origine des différences de fréquences alléliques entre les sexes dans une population est une distorsion de transmission sexe-spécifique. Dans un second temps, nous avons donc mis au point une méthode de détection de locus pour lesquels les parents transmettent préférentiellement un allèle à leurs fils, et un autre allèle à leurs filles, en utilisant une base de données de séquençage de trios parents-enfant. Nos résultats indiquent que des processus de distorsion de transmission sexe-spécifique seraient à l'origine d'une grande partie des différences de fréquences alléliques entre les sexes observées chez les enfants. Cela suggère que des processus sexuellement antagonistes agissant sur la survie pourraient avoir lieu entre la production des gamètes et la naissance chez l'Homme. / Sexually Antagonistic (SA) selection can occur when, within a species, the two sexes have different fitness optima for a trait. If a trait under SA selection is encoded by the same set of genes in the two sexes, an Intralocus Sexual Conflict (IASC) can arise, leading to the evolution of sexual dimorphism. A classical theoretical model predicts that the X chromosome should be a hotspot for the accumulation of loci under IASC, as compared to the autosomes. In this dissertation, we first aimed at detecting differences in allelic frequencies between males and females, a signature of IASC, in the human genome using a genome scan. We show that loci exhibiting signatures of ongoing IASC are preferentially located on the X chromosome as compared to autosomes. Moreover, they are enriched in genes involved in the determination of traits known to be sexually dimorphic in humans, including reproduction, metabolism and immune system, supporting an implication of sexually antagonistic selection in the evolution of sexual dimorphisms in humans. One possible mechanism leading to differences in allelic frequencies between the sexes is a sex-specific transmission distortion. Therefore, we aimed at detecting loci for which parents preferentially transmit one allele to their sons and another allele to their daughters in a sequencing dataset containing trios (parents-child). We found that sex-specific transmission distortions are at the origin of a large proportion of the differences in allelic frequencies between the sexes observed in children. This suggests that sexually antagonistic processes on survival may occur between the production of gametes and birth in humans.

En raison des forts coûts en temps et en énergie associés à chaque reproduction, les femelles ne sont généralement pas aussi disponibles que les mâles pour se reproduire. Les mâles entrent donc souvent en compétition pour accéder aux femelles disponibles. Ceci conduit à une forte sélection sexuelle chez les mâles. Un des exemples les plus frappants de compétition entre mâles peut être observé chez certaines espèces de crustacés chez qui les femelles ne sont sexuellement réceptives que pour un temps très limité. Les mâles ont donc évolué une stratégie de gardiennage précopulatoire grâce à laquelle ils monopolisent une femelle plusieurs jours avant qu’elle ne devienne réceptive. Ce comportement mâle est lui-même coûteux en temps et en énergie. En conséquence, il a été suggéré que les mâles devraient devenir sélectifs envers les femelles du fait du fort investissement que chaque reproduction représente pour eux. A l’aide d’un modèle mathématique, nous prédisons que les mâles effectuant de longs gardiennages précopulatoires devraient préférer s’apparier avec les grandes femelles plus fécondes. Toutefois, cette sélectivité devrait rester faible du fait de la forte compétition pour accéder aux femelles libres. Nous suggérons plutôt que les mâles devraient chercher à s’apparier avec des femelles de bonne qualité après s’être initialement apparié avec une femelle. Quand les mâles en couple rencontrent une femelle libre de meilleure qualité que leur propre femelle, ils devraient quitter leur femelle pour s’accoupler avec la nouvelle femelle. Contrairement à cette prédiction, nos expériences ont montré que les mâles en couple d’un crustacé amphipode Gammarus pulex ne changeaient pas systématiquement de femelle quand nous leurs proposions une femelle de meilleure qualité que leur propre femelle. Ils décidaient de changer de partenaire uniquement quand leur femelle était de mauvaise qualité, indépendamment de la qualité de la nouvelle femelle libre. D’autres expériences sont nécessaires pour comprendre le caractère adaptatif de ce comportement de changement de partenaire, seulement basé sur une partie de l’information disponible. Ces deux études soulignent la difficulté d’inférer des patrons de reproduction uniquement à partir des préférences individuelles. Dans la première étude, les mâles étaient contraints par la compétition pour accéder aux femelles libres. Dans la seconde, le processus de prise de décision des mâles conduisait à un comportement de choix apparemment sous-optimal. Ces contraintes n’ont que rarement été prises en compte malgré leur grande importance lorsqu’il s’agit de comprendre les causes comportementales d’un patron de reproduction très répandus chez les crustacés à gardiennage précopulatoire : l’homogamie pour la taille. Il a principalement été suggéré que ce patron de reproduction était issu d’une préférence mâle pour les grandes femelles associée à un avantage des grands mâles pour accéder aux femelles. Cette hypothèse n’a malgré tout reçu que peu de support empirique. A l’aide d’un modèle par simulation individu centrée, nous avons donc testé l’hypothèse selon laquelle une préférence mâle pour la distance à la mue des femelles serait à l’origine de l’homogamie pour la taille chez les crustacés à gardiennage précopulatoire. Quand les mâles préfèrent s’apparier avec des femelles qui sont strictement plus proches de la mue qu’eux, les couples formaient un patron d’homogamie pour la taille. Puisque plusieurs préférences différentes peuvent conduire à un même patron de reproduction, ce résultat souligne l’importance de considérer le processus complet de mise en couple pour étudier le lien entre les préférences individuelles et les patrons de reproduction. Les stratégies de femelles peuvent aussi jouer un rôle important dans les processus de mise en couple. Contrairement aux mâles, les femelles ont été décrites comme préférant les gardiennages courts du fait des coûts associés à la mise en couple. / Because of strong costs associated with each mating event, females are usually not as available for reproduction as males at any given time. Males are therefore in competition with each other for access to receptive females, hence leading to strong sexual selection. One textbook case of such a mating system occurs in moulting crustaceans where females can only be fertilized during a short period following their moult. This has favoured the evolution male strategies to monopolize females before their period of receptivity. Such a precopulatory mate guarding is widespread among many taxa and represents one of the most striking example of males’ competitive traits favoured by sexual selection. However, recent investigations have suggested that because males’ sexually selected traits often involve opportunity or mortality costs, males should become choosy towards females. Using a theoretical approach, we showed that males performing long lasting mate guarding should choose larger, more fecund females. However, under sequential encounter of potential mates, competition for female access decreases male choosiness before entering in precopula. We rather suggest that males should become choosy after initial pairing with a female. When encountering an unpaired female of better quality than their current female, paired males should switch partners. Contrary to our expectations, even under simultaneous encounters of two females, males did not seem to assess their relative quality. Instead they decided to change partner when their own female was of low absolute quality. This led to several cases where males forewent the possibility of increasing their fitness. Further investigations are needed to understand the adaptive significance of using only a subset of information in decision making. These two cases highlight the difficulty of inferring mating patterns from mating preferences only. In the first case, male preference was constrained by competition for access to females while in the second one, sampling processes led to apparent suboptimal mate choices. These potential constraints on decision making have rarely been acknowledge in precopulatory mate guarding crustaceans in spite of their major importance when inferring the causes of a well-known pairing pattern occurring in these species: size-assortative pairing. Size assortment among pairs has mainly been considered to come from a male directional preference for larger females associated with a large male advantage in getting access to preferred females. However, this hypothesis has received contrasted empirical support and little is known about the underlying pairing process causing size-assortative pairing. We investigated theoretically the possibility that a state-dependent male mating preference could account for size-assortative pairing. When males chose females which were exclusively closer to moult than them, assortative pairing by size arose under strong male-male competition. Because several preferences can account for a given pattern, this result emphasises the importance of considering the whole pairing process when studying the link between preferences and mate choice. Female strategies may also be of great importance during the pairing process. Contrary to males, females have been suggested to prefer short precopulatory mate guarding due to costs associated with pairing. Such a sexual conflict over guarding duration may have major effects on co-evolutionary dynamics between males and females traits. Proving its occurrence is yet challenging because empirical studies often lack a full economical survey of costs and benefits for females associated with male traits. Females benefits associated with long lasting precopulatory mate guarding have particularly been overlooked in previous studies. Here, we proposed several potential benefits for females and discuss their influence on sexual conflict over guarding duration.