La mise en place de barrières à la reproduction et, par conséquent, la spéciation elle-même, engendrent et maintiennent la biodiversité. Les principaux objectifs de mes travaux étaient premièrement d'identifier l'ampleur des différences d'expression de gènes entre des jeunes espèces de grand corégones nains, normaux, ainsi que leurs hybrides. Par la suite, grâce à une technique révolutionnaire de séquençage, nous avons obtenu de l'information de séquence et de polymorphisme pour plusieurs milliers de gènes. Finalement, le génotypage de marqueurs SNPs en populations naturelles et simultanément dans une famille de poissons hybrides a permis d'évaluer l'effet de la sélection naturelle sur la divergence génétique des corégones. Ainsi, cette thèse apporte une meilleure compréhension de la divergence adaptive et de l'isolement reproducteur chez le corégone, tout en identifiant spécifiquement des gènes candidats impliqués dans le processus de spéciation.

La sélection naturelle est un des facteurs dominants lors de l'évolution répétée et parallèle observée notamment chez les poissons des régions tempérées du Nord. Ainsi, au sein des populations de Coregonus clupeaformis, l'écotype nain s'est différencié plusieurs fois à partir d'un écotype normal, notamment dans six lacs du bassin versant de la rivière St-Jean (Maine, USA et Québec, CA). Cette étude porte sur les caractéristiques de l'habitat ainsi que sur la disponibilité des ressources et leurs variations temporelles influençant le niveau de différenciation atteint entre les écotypes de ces populations. Les résultats appuient les hypothèses théoriques faisant intervenir le rôle des fluctuations environnementales (biomasse et structure des ressources) dans la variation des pressions sélectives et le rôle de la compétition pour les ressources (disponibilités réduites) dans l'établissement et le maintien d'un degré de différenciation. Le rôle de d'autres interactions trophiques comme les relations prédateurs-proies semble aussi impliqué dans ce mécanisme de divergence. / Natural selection is one of the dominant factors in repeated parallel evolution observed notably in north temperate fish populations. In Coregonus clupeaformis populations located in six lakes of the St-John’s river watershed (Maine, USA and Québec, CA), a dwarf ecotype has differentiated from a normal ecotype many times. Here we study habitat and resource features, it temporal variations in relation to the observed level of differentiation between ecotypes of these populations. The results support the hypotheses that environmental fluctuation (zooplankton community structure and biomass) cause variation in selective pressure and that the resource competition (availability of habitat and resources) influence the establishment and persistence of a degree of differentiation. Trophic interactions such as predator-prey relationships seem also to be involved in giving rise to this divergence.

Le processus biologique fondamental que représente la spéciation permet l’émergence d’une diversité fulgurante sur Terre. L’un des défis qui se posent actuellement pour les biologistes évolutionnistes est de comprendre les mécanismes moléculaires fondamentaux qui sous-tendent l’expression de cette diversité observée en milieu naturel. Advenant la colonisation d’un nouvel environnement par une espèce donnée, ces mécanismes peuvent se mettre en place rapidement afin de permettre une exploitation différentielle et indépendante des niches écologiques disponibles. La divergence entre populations exploitant différentes niches s’exprime alors, au niveau génétique, par l’établissement de barrières au flux génique de façon hétérogène à l’intérieur des génomes. La situation évolutive du grand corégone en Amérique du Nord correspond précisément à ce contexte. En effet, on retrouve en milieu lacustre des populations sympatriques de deux écotypes, soit la forme normale benthique et la forme naine limnétique, qui démontrent des signes évidents de divergence morphologique et génétique. Dans le cadre de cette récente divergence entre écotypes, nous avons utilisé les plus récents développements biotechnologiques afin d’identifier et caractériser les régions génomiques fortement différenciées entre écotypes de grand corégone. Les objectifs de la présente étude étaient de i) mettre au point une bio-puce de capture ciblée d’ADN génomique, ii) d'hybrider de l’ADN génomique de plusieurs corégones appartenant aux populations sympatriques à l’aide de la puce conçue, iii) d’assembler et annoter un maximum de gènes capturés et iv) de caractériser la nature et l’ampleur des régions génomiques de divergence entre nains et normaux. L'utilisation de cette technique a permis de capturer et d'assembler avec précision 2 728 gènes (~10% du génome) afin de procéder à une étude à large spectre des différences génétiques entre les deux écotypes. Ce travail a permis d'identifier 267 marqueurs SNP, situés dans 210 gènes, fortement différenciés et potentiellement impliqués dans la divergence écologique qui s’exerce entre écotypes de grand corégone. Les résultats suggèrent que la régulation de l’expression des gènes et un ensemble de mutations, chacune de faible effet, interviennent tôt dans le processus de spéciation chez le corégone, par opposition aux mutations structurales qui modifient la séquence codante des gènes. / The fundamental process of speciation allows the emergence of an astonishing diversity on Earth. One of the main challenges in evolutionary biology is to understand and document the fundamental molecular mechanisms underlying this diversity observed in nature. The establishment of these mechanisms can be extremely rapid when a species colonizes new environments, which gives birth to niche specialization. On the genetic level, this population divergence appears by the emergence of heterogeneous barriers to gene flow in the genome. Lake Whitefish species pairs in North America represent a good model to study the ongoing process of speciation given its particular evolutionary situation. Various lakes in northeastern North America harbor sympatric populations of dwarf (limnetic) and normal (benthic) whitefish showing clear signs of morphological and genetic divergence. In this study, we have taken advantage of recent biotechnological developments in order to identify and document genomic regions of divergence between whitefish ecotypes. The objectives were to i) develop an exon capture chip, ii) enrich and capture genomic regions from multiple samples in natural populations, iii) assemble and annotate a maximum of captured genes and, ultimately, iv) document the extent of genetic differentiation between whitefish ecotypes. This new approach available with the technology of sequence capture allowed us to specifically capture and assemble 2,728 genes (~10% of the genome) to document on a large scale the extent of genetic differentiation between both ecotypes. In total, 267 SNP loci, located in 210 genes, were significantly divergent. This vast array of genes associated to many different biological processes potentially and partly explains the ecological divergence between whitefish ecotypes. Results suggest a greater role of regulation of gene expression and the role of many changes, each of small effect, as explaining early divergence between dwarf and normal whitefish, compared to functional mutations in the protein coding regions.

Alors que les technologies de séquençage à très haut débit ont permis de réaliser d’importants progrès pour documenter l’architecture génomique de la spéciation, les mécanismes moléculaires responsables de l’isolement reproducteur demeurent nébuleux. L’objectif principal de cette thèse est d’apporter un nouvel éclairage sur les bases moléculaires de l’isolement reproducteur dans un système d’espèces naissantes : le Grand Corégone. En particulier, l’approche était d’examiner les mécanismes associés à la stabilité du génome et à sa dérégulation dans un contexte de divergence et d’hybridation. Par une méthode de transcriptomique, nous avons documenté une profonde dérégulation à l’échelle du transcriptome chez les hybrides entre les formes naine et normale du Grand Corégone, incluant la dérépression des éléments transposables et des transcrits non-codants. Par la suite, nous avons observé que les hybrides montrent des signes importants de déstabilisation de la méiose et de la mitose, malgré l’absence de changement de caryotype entre les formes parentales. Finalement, nous avons observé un polymorphisme sub-chromosomique importants chez trois paires de Grand Corégones sympatriques, principalement associé à la période d’allopatrie. Ces travaux montrent que des changements importants à l’échelle du génome entier surviennent tôt au cours du processus de divergence, et sont susceptibles de conduire à de profonds dérèglements chez les hybrides. Enfin, cette thèse montre qu’une approche dite intégrative favorise une meilleure compréhension des mécanismes liés à la divergence et à la spéciation. / While high throughput sequencing has led to significant progress towards the understanding of the genomic architecture of speciation, molecular mechanisms responsible for reproductive isolation remain unclear. The main objective of this thesis is to contribute to elucidate the molecular basis of reproductive isolation in a nascent species complex : the Lake Whitefish. In particular, the approach was to examine the mechanisms associated with genome stability and instability in a context of divergence and hybridization. Using transcriptomics, we documented a profound deregulation at the transcriptome scale in hybrids between dwarf and normal Lake Whitefish, including transposable element and non-coding RNA derepression. Then, we found that hybrids show significant signs of meiosis and mitosis breakdown, despite the absence of karyotype changes between parental forms. Finally, we observed conspicuous sub-chromosomal polymorphism in three sympatric Lake Whitefish species pairs, mainly associated with earlier allopatry. This work shows that genome-scale reorganization occurs early during divergence, and may lead to profound dysregulation in hybrids. This thesis also shows that integrative biology promotes a better understanding of the mechanisms linked to divergence and speciation.

L'évolution répétée et indépendante de la différenciation phénotypique entre espèces divergentes, suggérant des pressions sélectives similaires, constitue un contexte propice à l'étude de l'architecture génomique de la spéciation parallèle. L'objectif principal de cette thèse est d'apporter des éléments de réponses concernant les bases génomiques impliquées dans la différenciation phénotypique, et leur influence sur l’évolution de la divergence entre deux complexes d'espèces apparentés, le Grand Corégone (Coregonus clupeaformis) et le Corégone Lavaret (C. lavaretus). Plus précisément, il était nécessaire d'élucider l'origine du polymorphisme de chacune des populations, le rôle de cette variation génétique, son maintient durant la divergence et la différenciation phénotypique entre paires d'espèces. Une analyse génomique a permis de réaliser des inférences démographiques historiques, mettant en évidence la contribution simultanée de processus démographiques et sélectifs qui ont façonné les paysages génomiques de différenciation entre paires d'espèces. Ensuite, une analyse transcriptomique a permis d'identifier des bases polygéniques partagées impliquées dans la différenciation phénotypique parallèle entre paires d'espèces. De plus, ces bases polygéniques indiquent une forte rétention du polymorphisme ancestral sous l’action de la sélection divergente. Finalement, un parallélisme de régions d’ADN différentiellement méthylées entre espèces a été identifié. Bien que cette méthylation repose sur des bases génomiques, ces régions différentiellement méthylées sont associées à une différenciation transcriptionnelle entre espèces des complexes d'espèces du Corégone Lavaret et du Grand Corégone. Ces travaux montrent que la sélection naturelle est contrainte par certains génotypes permettant d'acquérir un parallélisme phénotypique de façon indépendante, et agir sur du polymorphisme ancestral, notamment dans un contexte de spéciation parallèle. Enfin, cette thèse permet de lever le voile et de contribuer à la compréhension des mécanismes génomiques associés à la divergence adaptative pouvant mener à la spéciation écologique, notamment en utilisant une approche intégrative. / Repeated evolution of phenotypic differentiation between diverging species pairs provides an ideal context for the study of the genomic architecture of parallel speciation. The main objective of this thesis is to provide evidence concerning the genomic bases involved in phenotypic differentiation, and their influence on the evolutionary potential of species complexes belonging to two related lineages, the Lake Whitefish (Coregonus clupeaformis) and European Whitefish (C. lavaretus). Specificaly, it is necessary to elucidate the origin of the genetic polymorphism of each population from both whitefish lineages, and to which extend this polymorphism was involved in the genetic divergence and phenotypic differentiation between species pairs. A genome-wide analysis allowed to infer the divergence history combining the effects of historical demograhy and selective pressure that collectively shape the genomic landscape of differentiation between species pairs. Then, transcriptomic analyses revealed parallel polygenic bases involved in the phenotypic differentiation of species pairs, and such genes were enriched in shared ancestral polymorphism. Finaly, a parallel differential methylation level has been identified between species. Although this methylation is genomicaly based, these differentially methylated regions are associated with a transcriptional differentiation between the limnetic and benthic species. This work shows that selection is constrained by some genotypes which could lead to an independent parallel phenotypic aquisition, but also act on the maintainance of ancestral genetic polymorphism, particularly in a context of parallel speciation. This thesis allows to highlight and to contribute to the understanding of the genomic mechanisms generating biodiversity, notably by using an integrative approach.

Les animaux ont toujours évolué avec leur microbiote. Toutefois, peu d’études ont analysé le rôle des bactéries sur la spéciation. Il a été démontré que le microbiote oriente la spéciation de son hôte. L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer l’influence des bactéries sur la spéciation du grand corégone (Coregonus clupeaformis). Sous certaines conditions, il existe deux espèces de corégone qui ont évolué de façon parallèle ; l’espèce naine et l’espèce normale qui sont caractérisées par des niches trophique et écologique différentes. Plusieurs types d’interaction hôte-bactéries ont été analysés au niveau de populations de corégones sauvages et de corégones captifs, qui ont été élevés dans des conditions identiques. Chez les corégones sauvages, les résultats supportent un effet de parallélisme au niveau de la diversité bactérienne, mais cet effet n’a pas été observé au niveau de la structure des communautés bactériennes entre l’espèce naine et normale. La présence d’un noyau bactérien très conservé au niveau du microbiote intestinal démontre une influence marquée de l'hôte sur ses communautés bactériennes. L’ensemble de ces résultats soulignent la complexité de l'holobionte (hôte + bactéries) en démontrant que la direction de sélection peut différer entre l'hôte et son microbiote. Chez les corégones captifs, la différence de la structure bactérienne chez les nains, les normaux et les hybrides F1 réciproques met en évidence l’influence de l’hôte sur le microbiote. Finalement, cette étude pionnière des communautés bactériennes du grand corégone ouvre la voie à des nouvelles directions de recherche liées à l’évolution de l’holobionte. / Animals have evolved with their microbiota. However, little is known about the role of bacteria over the course of this evolution. These last few years, it has been shown that the microbiota influences speciation by controlling the pre-zygotic and post-zygotic reproductive isolation. The main goal of the thesis is to analysis for the first time the influence of the microbiota on the Lake Whitefish (Coregonus clupeaformis) which represents a continuum in the early stage of ecological speciation. Some species pairs of dwarf (limnetic niche specialist) and normal (benthic niche specialist) evolved in parallel inside several lakes in northeastern North America. Bacterial communities have been compared among five wild sympatric species pairs of whitefish as well as captive dwarf, normal and hybrids whitefish reared in identical controlled conditions. For the wild fish, difference of the bacterial community structure was highlighted in the three studied interactions between the bacterial community and the host: host-pathogen, host-symbiont and host-transient bacteria. Although no parallelism was detected for the bacterial community structure for these interactions, it was highlighted at the bacterial diversity level. Moreover, parallelism was not observed within the bacteria community structure, likely because the water bacterial communities, studied in this thesis, and the biotic and abiotic factors were characterized by important variation between the lake populations of whitefish. Furthermore, results revealed a strong influence of the host (dwarf or normal) on the bacterial communities with pronounced conservation of the core intestinal microbiota. Finally, our result highlighted the complexity of the holobiont (host + bacteria), suggesting that the direction of selection could differ between the host and its microbiota. In fact, three evolutionary directions have been highlighted between the fish and its bacterial communities. For the captive whitefish, an influence of host (normal, dwarf and hybrids) was also detected on bacterial taxonomic composition. Hybrid microbiota was not intermediate and its composition fell outside of that observed in the parental forms. This pioneer study on the bacterial communities of the Lake whitefish opens new research fields related to the evolution of the holobiont.

Un des supports théoriques de la biologie évolutive est la théorie de la radiation adaptative, qui stipule que la diversification des espèces est le fruit de l'action de la sélection naturelle divergente sur les populations, laquelle émerge des caractéristiques biotiques et abiotiques de l'environnement. Il existe plusieurs exemples de cas de radiation adaptative dans la littérature. Or, la majorité des études se penchent sur la variation phénotypique morphologique et sur l'histoire de vie. Ainsi y a-t-il relativement peu de données sur la variation physiologique, tant au niveau de l'organisme qu'au niveau moléculaire. De plus, la caractérisation des bases génétiques de traits phénotypiques complexes s'avère peu aisée et demeure élusive. Dans cette étude, nous avons tiré profit des nouvelles technologies de la génomique pour caractériser les bases génétiques de la variation phénotypique observée chez deux populations divergentes du grand corégone (Coregonus clupeqformis), l'écotype limnétique (nain) ainsi que l'écotype benthique (normal). À l'aide d'une biopuce à ADNc spécifique au Salmonidés, nous avons comparé les profils d'expression génétique des corégones nains et normaux issus de leur milieu naturel ainsi que d'un environnement contrôlé. Le parallélisme observé dans les patrons de transcription génétique entre deux lacs et le milieu contrôlé indique que la sélection naturelle a modulé la régulation de gènes candidats associés à des adaptations phénotypiques distinguant les deux écotypes du corégone. De plus, le compromis observé entre différents traits d'histoire de vie chez les corégones nains et normaux se reflète à travers le profil de transcription pour ces gènes candidats. Enfin, l'analyse de regroupements (cluster analysis) entre les patrons de transcription des gènes candidats suggère que les principales fonctions physiologiques impliquées dans la divergence adaptative des corégones nains et normaux sont sous le contrôle d'un seul ou de quelques gènes de régulation. / One important theoretical framework in evolutionary biology is the adaptive radiation theory, which states that species diversification is the outcome of diverging natural selection, a selective force stemming from biotic and abiotic characteristics of the environment and acting on populations. Many cases of adaptive radiation have been observed and documented in the literature, focusing mainly on morphological adaptations and on life-history traits. Thus relatively few data are available on the physiological processes of adaptation, both at the organismal and molecular levels. Moreover, characterizing the genetics of phenotypic variation for complex traits is not an easy task and remains elusive in most cases. In this study, we took advantage of technologies of the post-genomic era in order to characterize the genetic bases of adaptive phenotypic variation observed in two diverging populations of the lake whitefish (Coregonus clupeaformis), the limnetic (dwarf) and the benthic (normal) ecotypes. Using a salmonids-specific cDNA microarray, we compared the gene expression profiles of dwarf and normal whitefish individuals sampled from two natural populations and from a controlled environment. Parallelism in regulation patterns observed between two lakes and the control environment indicates that natural selection played a role in modulating the regulation for these candidate genes, in association with phenotypic adaptations distinguishing the two whitefish ecotypes. Also, the observed trade-off between life-history traits in dwarf and normal whitefish is reflected in the expression profiles for these candidate genes. Lastly, cluster analysis performed on transcription profiles for these genes suggests that the major physiological processes involved in the adaptive divergence of the dwarf and normal whitefish are under the control of one or few regulation genes

Au cours des 40 dernières années, il est devenu de plus en plus clair que la divergence d'expression génique est l'un des mécanismes impliqués dans l'émergence de nouvelles espèces. Chez le grand corégone (Coregonus clupeaformis), des expériences réalisées sur puce à ADN ont mené à l'identification de gènes candidats potentiellement impliqués dans l'évolution répétée du corégone nain limnétique, qui est extrêmement différent du corégone normal benthique en termes d'histoire de vie, de morphologie, de métabolisme et de comportement, malgré un temps de divergence de seulement 15 000 ans. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse était de tester l'hypothèse selon laquelle l'adaptation parallèle à la niche limnétique chez les corégoninés est associée à un parallélisme d'expression des gènes. Une divergence d'expression parallèle entre paires d'espèces de corégone pour trois gènes candidats a été observée, supportant ainsi l'hypothèse selon laquelle la sélection naturelle divergente joue un rôle important dans l'évolution de ces poissons. Le second objectif était d'évaluer la divergence transcriptomique entre nains et normaux telle que mesurée par séquençage à haut débit en plus de tester la corrélation entre la divergence d'expression et de séquence codante. Les résultats ont démontré qu'une telle corrélation était inexistante. Il y aurait donc découplage évolutif des séquences codantes et régulatrices dans la divergence adaptative du grand corégone. Pourtant, certains gènes, tels que la malate déshydrogénase (MDH), avaient une divergence significative d'expression et de séquence. La construction et le criblage d'une banque génomique BAC ont permis de sequencer en entier certains gènes candidats, dont MDH. Le dernier objectif était donc d'identifier des signatures de sélection naturelle dans les séquences codante et régulatrice de ce gène. Alors que sa région codante était clairement sous sélection purificatrice, un site polymorphe dans sa région régulatrice avait des fréquences d'alleles divergentes de façon parallèle parmi plusieurs paires sympatriques de corégones nord-américains et européens. De plus, le génotype pour ce site semblait associé au niveau d'expression de MDH. Ces résultats appuient le rôle de la sélection naturelle dans l'évolution de l'expression génique chez les paires d'espèces de corégone.

Les communautés piscicoles sont situées au sommet des chaînes trophiques. Cette position dans le réseau trophique lacustre leur confère, de ce fait, un rôle potentiel d'intégrateurs des processus sous-jacents, à l'échelle de l'écosystème. De plus, la composition en isotopes stables d'un organisme dépend des voies qui transfèrent le carbone jusqu'à cet organisme. Notre hypothèse de base était donc que la composition en isotopes stables des poissons pourrait donc constituer un indicateur relatif du fonctionnement trophique des lacs. <br />Pour valider cette hypothèse, nous avons employé, dans un premier temps, le corégone, Coregonus lavaretus, un salmoniforme zooplanctonophage commun dans les lacs alpins, comme modèle biologique. Une étude préalable avait révélée que la composition en isotopes stables du carbone des corégones était très variable au sein des lacs alpins. Selon notre hypothèse, cette variabilité serait le reflet de différences dans les voies de transferts du carbone dans les réseaux trophiques de ces lacs. Les facteurs explicatifs de cette variabilité inter-lacs ont donc, dans un premier temps, été étudiés. Au terme de cette première partie, la composition isotopique du corégone s'est montrée être effectivement un indicateur du fonctionnement trophique des lacs.<br />Les perturbations peuvent modifier les flux de carbone au sein des systèmes et devraient, de fait, conduire à des changements dans les compositions isotopiques des communautés de poissons. L'effet de deux perturbations d'origine anthropique sur la composition isotopique des poissons a donc, par la suite, été analysé : la première est relative à l'eutrophisation-restauration de deux lacs alpins, la seconde concerne le marnage dans deux réservoirs africains. Les résultats de ces deux études indiquent que des modifications majeures, engendrées par ces perturbations, dans l'origine et les flux de carbone dans les réseaux trophiques, sont enregistrées dans l'histoire isotopique des communautés piscicoles.