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The “risk allocation hypothesis” can predict how prey species will respond to predation risk, balancing vigilance with potentially risky behaviours. In order to maximize fitness, an optimal behavioural repertoire can evolve to respond to predation threat to allow for both survival and future fitness gains. High locomotor activity and time spent engaging in mating behaviours are expected to put Drosophila melanogaster at a greater risk to predation. With direct predator exposure, Drosophila are predicted to reduce activity and mating, which over years of exposure, will be reflected in evolved behavioural traits and evolved changes in the genome. Predation as a selective force shows alterations in flies genomes of experimentally evolved populations. Locomotor activity was found to be reduced in the presence of zebra jumping spiders (Salticus scenicus), presumably due to these spiders as visual hunters, using movement to detect prey. This behaviour is reflected in populations of Drosophila that have been constantly under selection by predators. Flies evolved with spider predators or mantid predators (Tenodera aridifolia sinensis) showed reduced locomotor activity when no predators are present. Interestingly, while alterations are seen for locomotory activity, the presumed risky behaviours of courtship and mating did not show an evolved response. Wild caught populations under threat from spiders, as well as the evolved populations when no predators were present showed no alterations in courtship or copulation behaviour. It appears that although there may be potential risks associated with mating behaviours, the benefits to future fitness when mating outweigh the potential costs from predation risks in Drosophila. / Thesis / Master of Science (MSc) / Predation is a profound selective force, with many anti-predator adaptations seen throughout the diversity of life. Antipredatory behavioural adaptations must balance immediate and future fitness effects, to maximize overall fitness. In Drosophila melanogaster, research into natural ecology and role of predation is generally lacking for behavioural & evolutionary studies. I will discuss research on the influence of predator exposure on Drosophila behaviours, as well as the evolution of Drosophila behaviours and genomes through experimentally evolved populations of Drosophila. While predation risk has resulted in changes in Drosophila locomotory activity, predation has not altered mating behaviours.

The crucial role of antibiotics in modern medicine, in curing infections and enabling advanced medical procedures, is being threatened by the increasing frequency of resistant bacteria. Better understanding of the forces selecting resistance mutations could help develop strategies to optimize the use of antibiotics and slow the spread of resistance. Resistance to ciprofloxacin, a clinically important antibiotic, almost always involves target mutations in DNA gyrase and Topoisomerase IV. Because ciprofloxacin is a substrate of the AcrAB-TolC efflux pump, mutations causing pump up-regulation are also common. Studying the role of efflux pump-regulatory mutations in the development of ciprofloxacin resistance, we found a strong bias against gene-inactivating mutations in marR and acrR in clinical isolates. MIC and fitness measurements revealed that amino acid substitutions conferred smaller susceptibility reductions and smaller fitness costs than gene-inactivating mutations, suggesting that resistance mutations in clinical isolates are selected for high fitness rather than high resistance (Paper I and II). We asked whether the high fitness costs of marR-inactivating mutations could be ameliorated without affecting the resistance phenotype. Multiple independent lineages were experimentally evolved to select for improved growth fitness. Whole genome sequencing revealed mutations affecting marA, lon and arcA as potential compensatory pathways. For the marA and lon mutations the improved growth rate was associated with an increased susceptibility (arcA is being investigated). (Paper III). An evolution experiment selecting for ciprofloxacin resistance revealed upon whole genome sequencing the expected mutations in drug target and efflux-regulatory genes, but also in genes encoding aminoacyl-tRNA synthetases. We investigated two independently selected leuS mutations, and concluded that they contributed to ciprofloxacin resistance by activating the stringent response that in turn caused up-regulation of genes involved in efflux. However, these leuS mutations incur a high fitness cost (Paper IV). To summarize, the research findings in this thesis suggest that the potential ciprofloxacin resistome may include more genes than previously thought, but a strong selection for high fitness selectively purifies many resistance mutations from clinical isolates. In conclusion, selection for high relative fitness constrains the spectrum of mutations that survive and get fixed in clinical populations of bacteria.

L’atrazine, un des herbicides les plus utilisés pour contrôler le développement des plantes adventices dans les cultures, a conduit à la contamination de l’environnement. L’exposition chronique à cet herbicide a conduit à l’émergence de populations microbiennes du sol capables de dégrader l’atrazine et de l’utiliser comme une source d’azote pour leur croissance. Ces populations microbiennes sont responsables de la biodégradation accélérée (BDA) de l’atrazine, un service écosystémique contribuant à diminuer la persistance de cet herbicidedans l’environnement. L’objectif de ce travail était d’étudier les mécanismes génétiques et physiologiques responsables du fonctionnement et de l’amélioration de ce service écosystémique. Nous avons appliqué une démarche expérimentale allant des gènes codant la dégradation à des communautés microbiennes afin d’identifier les processus adaptatifs impliqués dans l’évolution de la fonction de BDA de l’atrazine.Le premier volet a consisté à évaluer l’importance de mutations accumulées dans le gène atzA dans la transformation de l’atrazine en hydroxyatrazine catalysée par AtzA. Le séquençage de gènes atzA de différents isolats bactériens dégradant l’atrazine (Pseudomonas sp. ADP WT, Pseudomonas sp. ADP Ps et différents Chelatobacter heintzii) a montré que la séquence du gène atzA était très conservée. Toutefois quatre mutations non silencieuses ont pu être identifiées (1 chez Pseudomonas sp. ADP MSE et 3 chez Chelatobacterheintzii). La modélisation de la structure de la protéine AtzA a permis de montrer que trois des mutations étaient situées dans des régions importantes (site actif, poche de liaison avec l’atrazine et liaison avec le métalFe2+. [...] Le second volet a consisté à étudier la plasticité de la voie de biodégradation de l’atrazine dans deux conditions opposées : (i) la première visait à évaluer la persistance de la capacité de dégradation en absence de pression de sélection et (ii) la seconde visait à évaluer l’évolution de la capacité de dégradation en présence d’une pression de sélection élevée. Pour conduire ces études, des manipulations d’évolution expérimentale sur Pseudomonas sp. ADP ont été menées. (i) L’exposition à l’acide cyanurique, intermédiaire métabolique de l’atrazine, a conduit à la sélection d’une population nouvellement évoluée capable de croître plus rapidement dans un milieu de culture ne contenant que l’acide cyanurique comme source d’azote. Cette population est caractérisée par une délétion d’une région de 47 kb du plasmide ADP1 contenant les gènes atzABC. Les analyses conduites ont permis de conclure que le gain de compétitivité de la population évoluée résidait dans la perte du fardeau génétique représenté par la région de 47 kb, la capacité de dégradation de l’acide cyanurique restant inchangée. (ii) L’exposition à l’atrazine a conduit à la sélection d’une populationnouvellement évoluée caractérisée par l’insertion du plasmide ADP1 en quasi-totalité sur le chromosome bactérien. [...] Le troisième volet a consisté à développer un outil permettant d’évaluer, à l’échelle d’une communauté microbienne synthétique, l’évolution du potentiel génétique dégradant. Pour ce faire quatre souches dégradantes dont une, Arthrobacter sp. TES6, isolée au cours de cette étude, ont été choisies. [...] Ces travaux montrent que la fonction de biodégradation accélérée de l’atrazine est très versatile et qu’elle est en constante évolution. Il met en évidence que le principal facteur pilotant cette évolution est le niveau d’exposition des populations dégradantes au pesticide. / Atrazine, one of the most used herbicide to control the development of weeds in crop, has led to the contamination of the environment. Repeated exposure to this herbicide resulted in the emergence of microbial populations able to degrade atrazine and to use it as a nitrogen source for its growth. These microbial populations are responsible for accelerated biodegradation of atrazine (BDA), a key ecosystemic service diminishing the persistence of this herbicide in the environment. The aim of this PhD work was to study genetic and physiological mechanisms responsible for functioning and improving of this ecosystemic service. We applied an experimental approach starting from genes to communities degrading atrazine in order to identify processes of adaptation involved in the evolution of accelerated biodegradation function.The first part of the PhD aimed at evaluating the importance of accumulation of single mutations in the atzA gene for the activity of AtzA transforming atrazine to hydroxyatrazine. Sequencing or atzA genes amplified from different atrazine-degrading isolates (Pseudomonas sp. ADP WT, Pseudomonas sp. ADP Ps and differents Chelatobacter heintzii) showed that atzA sequence was conserved. However, four non synonymous mutations were identified (1 for Pseudomonas sp. ADP Ps and 3 for Chelatobacter heintzii). Modeling of AtzA structure showed that three mutations were located in important regions (active site, interaction with atrazine and with the metal Fe2+). [...] The second part aimed at studying the plasticity of the atrazine-degrading pathway in two opposed conditions: (i) one aiming at evaluating the persistence of degrading capability in absence of selection pressure and (ii) a second one aiming at evaluating the evolution of degrading capability under high selection pressure exerted by atrazine. With these aims, experimental evolutions were carried out with Pseudomonas sp. ADP. (i) We showed that cyanuric acid exposure led to the selection of a newly-evolved population characterized by increased growing ability on culture medium containing this substance as nitrogen source. This population is characterized by the deletion of a 47 kb region containing atzABC genes from ADP1. We showed that increased fitness of newly-evolved population was due to the selective loss of the genetic burden represented by the 47 kb region, the cyanuric acid degrading ability remaining unchanged. (ii) Atrazine exposure led to the selection of population characterized by the insertion of ADP1 plasmid in the bacterial chromosome. [...] The third part aimed at developing a tool allowing monitoring the evolution of atrazine-degrading genetic potential at the scale of a synthetic microbial community. To do so four degrading strains among which, one was isolated in this study, were chosen. [...] Altogether, these results showed that the atrazine accelerated biodegradation function is highly versatile and under constant evolution. Furthermore, they highlight that the exposure to atrazine is the key parameter driving the evolution of degrading population

Rarely are natural conditions constant, but generally biologists study microbes in artificially constant environments in the laboratory. I relaxed these assumptions of constant environments through time and space as I investigated how microbial populations evolve. First, I examined how bacteriophage evolved in the presence of permissive and nonpermissive hosts. I found that bacteriophage evolved discrimina- tion in mixed environments as well as in one of two environments with homogeneous, permissive hosts. This showed the asymmetry of host-shifting in viruses as well as the possibility of large, and somewhat unpredictable, pleiotropic effects. Secondly, I reconstructed ancestral environmental conditions for soil bacteria groups using phy- logenetics and environmental variables of extant species’ habitats. These generaliza- tions suggested characteristic phenotypes for several phylogenetic groups, including uncultured Acidobacteria. Lastly, I collected genetic sequences and global collection information for 65 bacteria genera across the domain. In examining the relation- ship between genetic distance, environmental conditions, and geography, I observed positive relationships specifically between genetic distance and geography or genetic distance and environmental conditions for bacteria from land sites but not from wa- ter sites. Phylogenic classifications or phenotypes of the genera could not predict these correlations. In all of these projects, variations in the environment created evolutionary signals that hinted at past environments of microbial populations. / text

Les herbivores polyphages sont des généralistes capables d’exploiter une large gamme de plantes hôtes. Au cours des travaux de cette thèse en évolution expérimentale, nous étudions l’évolution de traits d’histoire de vie de différentes populations d’une espèce de ravageur de culture, l’acarien Tetranychus urticae, suite à la colonisation d’un même nouvel hôte, la tomate. Au cours des deux premiers chapitres, des mesures de traits d’histoire de vie ont été collectées depuis le stade œuf jusqu’à la mort des individus permettant de décrire finement le cycle de vie de cet acarien en réponse à l’exploitation de la tomate. Dans le chapitre 1, j’ai montré que la survie au stade juvénile était étroitement liée à des effets maternels. Notamment, les mères s’étant préalablement développées sur la plante de tomate conféraient à leurs descendants une meilleure survie juvénile sur cet hôte. Cependant, ces juvéniles quittaient davantage la plante une fois adulte et avaient une fécondité (pour les femelles) réduite. De plus, l’histoire évolutive des populations affectait la proportion de femelles produites par les mères améliorant potentiellement la démographie des populations. Dans le second chapitre, j’ai montré que plusieurs traits d’histoire de vie (survie juvénile, survie adulte mâle et fécondité) avaient évolué dans les populations exposées à la tomate depuis plusieurs générations à comparer des populations témoins ayant évolué sur haricot. Néanmoins, l’étude du succès reproducteur total des femelles intégrant l’effet de plusieurs traits de vie montre paradoxalement un signal clair d’adaptation au nouvel hôte seulement pour des populations ayant évolué sur cet hôte pendant environ 38 générations et non pour des populations ayant évolué sur cette plante hôte pendant environ 78 générations. L’étude de la diversité génétique, sur la base de marqueurs microsatellites, suggère que ces dernières populations ont souffert de goulots d’étranglement, ce qui pourrait avoir compromis leur adaptation. Pour finir, dans le chapitre 3, je teste si les populations nouvellement adaptées à la tomate sont plus tolérantes aux défenses de la plante, induites par l’attaque d’herbivores, ou bien si ces populations induisent différents niveaux de défense chez les plantes attaquées, affectant la performance des acariens qui les colonisent ultérieurement. Pour cela, des acariens ont été mis en ponte sur des plantes de tomates non pré-infestées, pré-infestées par des acariens adaptés à la tomate ou pré-infestées par des acariens non adaptés à cet hôte. Les populations adaptées à la tomate ont une fécondité plus forte sur cette plante, quel que soit le traitement de la plante, tandis que toutes les populations d’acariens voient leur mortalité augmenter sur les plantes pré-infestées par des acariens adaptés à la tomate. Mes résultats semblent indiquer que l’évolution sur tomate se manifeste par une plus grande capacité à tolérer les défenses de cette plante et une plus grande induction de ces défenses.Ainsi, mon étude décrit un continuum de réponses évolutives chez un polyphage allant de l’absence de détection d’adaptation, conduisant à l’extinction des populations, à la présence de réponses plastiques adaptatives, jusqu’au processus d’adaptation à la plante hôte via possiblement l’acquisition de la capacité à tolérer les défenses de la plante hôte. Ces travaux soulignent l’importance d’intégrer l’effet des variations contrastées de différents traits d’histoire de vie dans une mesure de valeur sélective afin de décrire l’adaptation à une nouvelle plante hôte. Des investigations futures en ce sens permettraient d’enrichir la littérature sur la persistance des herbivores suite à la colonisation de nouvelles plantes hôtes mais aussi d’affiner nos compétences en terme de contrôle d’espèces de ravageurs. / Polyphagous herbivores are generalists able to exploit a large range of host-plants. In this thesis, using experimental evolution, I study the evolution of life history traits in different populations of a crop pest, the spider mite Tetranychus urticae, after colonization of a new host, the tomato plant. In the first two chapters, measures of life history traits were collected from the egg stage to the death of individuals allowing the precise description of the life cycle of mites in response to the exploitation of tomato plants. As described chapter 1, I found that juvenile survival on the new host was influenced by maternal effects. In particular, mothers having developed on tomato had offspring surviving better on this host as juvenile. However, these juveniles left more often the plant as adults and had a reduced fecundity (for females). Moreover, the evolutionary history of populations affected the proportion of females produced by mothers, potentially enhancing demography of populations having previously evolved on this host. In chapter 2, I show that several life history traits (juvenile survival, male adult lifespan and fecundity) had evolved in all populations exposed to tomato for several generations relative to control populations evolving on bean. Nevertheless, the study of female lifetime reproductive success integrating the effect of several successive traits only showed, paradoxically, an adaptive signal for populations having evolved on this host for approximately 38 generations and not for populations having evolved on tomato for approximately 78 generations. The study of genetic diversity with microsatellite markers suggests that these latter populations may have suffered from bottlenecks, which could have compromised their adaptation. Finally, as shown chapter 3, I test whether populations newly adapted to tomato are more tolerant to the host-plant defenses, induced by herbivore attacks, and/or whether these populations differentially trigger the defences of damaged plants, affecting the performance of mites that subsequently colonize this host. For that purpose, I recorded the fecundity and mortality of female adult mites put on clean tomato plants, or on tomato plant pre-infested by tomato-adapted mites or by mites not adapted to this host. Populations adapted to tomato had a higher fecundity on this host irrespective of the plant treatment, while mortality increased for all populations on plants pre-infested with tomato-adapted mites. My results thus suggest that evolution on tomato leads to an increased capacity to tolerate host-plant defences and also to a higher induction of such defences. My studies describe a continuum of evolutionary responses in a polyphagous species from failure of adaptation, leading to the eventual extinction of populations, to the presence of adaptive plastic responses and finally to host-plant adaptation via the possible acquisition of higher tolerance to host-plant defenses. My work also underlines the relevance of integrating the effects of different life history traits with contrasted variations within a same fitness measure to describe host-plant adaptation. Further investigations in this direction should enrich our understanding of mechanisms of herbivore persistence on a new host-plant but also allow developing better crop pest management strategies.

Les changements globaux ont en partie pour effet de modifier les aires de répartition géographique des espèces. Les interactions nouvelles entre espèces n’ayant jamais été en contact peuvent potentiellement mener à des cas atypiques de reproduction, notamment l’hybridation. Ce phénomène peut avoir des implications épidémiologiques fortes car il peut conduire à la genèse de pathogènes hybrides. La combinaison du matériel génétique d’espèces distinctes peut conférer de meilleures capacités à la progéniture (vigueur hybride ou hétérosis), pouvant à terme potentiellement mener à des changements adaptatifs et à l'émergence de pathogènes dans des zones non endémiques, ce qui en fait une menace émergente à l’échelle mondiale. Ce travail de thèse se focalise sur la schistosomiase, seconde maladie parasitaire humaine et sa récente émergence en Europe (Corse, France). Après l’identification et la caractérisation génomique d’un parasite hybride entre deux agents distincts de la maladie, S. haematobium chez l’homme et S. bovis chez les bovins, nous avons mené une approche intégrative afin de caractériser à plusieurs échelles les capacités invasives et la virulence de tels parasites. A partir de souches du terrain, nous avons mis en place un protocole d’évolution expérimentale visant à générer des hybrides de première et deuxième générations au laboratoire. Nous avons analysé les modifications de traits d’histoire de vie de ces parasites ainsi que les conséquences moléculaires (génomique et transcriptomique) de ce « clash génomique » et nous montrons que l’hybridation peut être une force évolutive majeure pour les parasites. / Global changes contribute in modifying species geographical distribution. New interactions between species that have never been in contact before can potentially lead to atypical cases of reproduction, including hybridization. This phenomenon can have strong epidemiological consequences as it can potentially lead to the genesis of hybrid pathogens. The combination of genetic material of distinct species can confer increased capacities to the offspring (hybrid vigor or heterosis), eventually leading to adaptive changes and the emergence of pathogens in non-endemic areas, making them an emerging global threat. This thesis work focuses on schistosomiasis, the second human parasitic disease after malaria and its recent emergence in Europe (Corsica, France). After the identification and genomic characterization of a hybrid parasite between two distinct agents of the disease, S. haematobium in humans and S. bovis in cattle, we conducted an integrative approach to characterize at several scales the invasive capacities and virulence of such parasites. Starting from the field, we set up an experimental evolution protocol aimed at generating first- and second-generation hybrids in the laboratory. We analysed life history trait modifications of these parasites as well as the molecular consequences (genomics and transcriptomics) of this "genomic clash" and we show that hybridization can be a major evolutionary force for parasites.

Au cours des récentes épidémies, l’infection par le virus Zika (ZIKV) est à l’origine de microcéphalies chez le fœtus, d’avortements spontanés et du syndrome de Guillain–Barré chez l’adulte. L’infection par ZIKV représente donc un problème de santé publique. Il est nécessaire de comprendre la biologie de ce virus et quelles sont les réponses cellulaires impliquées. Dans les cellules infectées, les virus sont détectés par des récepteurs de la réponse immunitaire innée, tels que les Toll-like receptors (TLR). Cette reconnaissance conduit à la production de molécules antivirales, tel que l’interféron (IFN) de type I et III. De récents travaux montrent que l’activation de la voie TLR3 contribuerait au contrôle de la propagation de ZIKV et sa pathogénèse. Nous avons mis en place une approche pour cartographier les interactions génétiques entre le génome viral et différents régulateurs et effecteurs de cette réponse antivirale, incluant les étapes de reconnaissance du virus par TLR3. Cette approche est basée sur une combinaison de biologie moléculaire et d’évolution expérimentale qui repose sur le taux élevé de mutation de ZIKV et sa rapide faculté d’adaptation. J’ai pu mettre en avant l’apparition d’un phénotype de ZIKV face aux défenses antivirales de lignées cellulaires humaines qui se caractérise par une résistance à l’activation de la voie TLR3 et une meilleure propagation du virus après 5 passages. J’ai été capable d’observer que la population virale adaptée présente une perte d’activation des réponses antivirales (i.e. ISG15, MxA) 3h post-infection. La mise au point et la validation de l’approche CirSeq permet une analyse de précision des données de séquençage haut-débit, et permettra ainsi de prédire l’évolution de mécanismes d’échappement viral. / Zika virus (ZIKV) infection causes neurological diseases and birth defects representing an important threat for human health. Recent studies demonstrated that interferon (IFN) response is pivotal for the control of ZIKV spread, its in utero transmission and protects against ZIKV-induced neurological diseases. It is necessary to understand the biology of this virus and what are the cellular responses involved. In infected cells, viruses are detected by receptors of the innate immune response, such as Toll-like receptors (TLRs). This recognition leads to the production of antiviral molecules, such as type I and III interferon (IFN). Recent work shows that activation of the TLR3 pathway contributes to controlling the spread of ZIKV and its pathogenesis. We have implemented an approach to map the interactions between the viral genome and different regulators and effectors of this antiviral response, including the TLR3 virus recognition steps. This approach is based on a combination of molecular biology and experimental evolution based on the high mutation rate of ZIKV and its rapid adaptation. I was able to highlight the appearance of a phenotype of ZIKV against the antiviral defenses of human cell lines that triggered resistance to activation of the TLR3 pathway and a better spread of the virus after 5 iterative passages. I was able to observe that the adapted viral population exhibited a loss of activation of antiviral responses (i.e. ISG15, MxA) 3h after infection. The implementation and validation of the CirSeq approach allows an analysis of the accuracy of high throughput sequencing data, as well as predicting the evolution of viral escape mechanisms.