Les processus de diversification adaptative, qui sont au cœur de la diversité du monde vivant, ont été étudiés grâce à une stratégie d'évolution expérimentale, initiée par le Pr Richard Lenski en 1988. Douze populations, fondées à partir d'un ancêtre commun d'Escherichia coli, sont propagées indépendamment depuis plus de 55 000 générations par transferts journaliers dans un milieu minimum limité en glucose. Un événement de diversification a émergé après 6500 générations d'évolution dans une seule des douze populations, appelée Ara-2, conduisant à deux lignées cellulaires différenciées, appelées S et L, qui continuent de co-exister depuis notamment grâce à des interactions négatives dépendant de leur fréquence. Deux propriétés confèrent à ce polymorphisme une grande originalité et donc un intérêt d'étude important : sa durée car il s'agit du plus long polymorphisme jamais identifié lors d'expériences d'évolution en laboratoire, et son unicité puisqu'il ne s'est produit qu'une seule fois au sein des douze populations initiées à partir d'un ancêtre commun. L'objectif de ce travail a été d'identifier les mécanismes du maintien au long terme des lignées S et L, ainsi que les bases génétiques de leur émergence. Le maintien du polymorphisme est lié à une forte dynamique des relations écologiques entre S et L, l'une des lignées envahissant systématiquement les niches écologiques de l'autre, qui réagit en conséquence pour éviter l'extinction. L'émergence de la lignée S est due à une succession précise de trois mutations, nécessaires et suffisantes pour établir les phénotypes de la lignée S. Les trois mutations affectent toutes des gènes codant des régulateurs globaux de la transcription, dont deux sont impliqués dans la régulation du métabolisme central. Pour l'un d'entre eux, l'allèle évolué altère les propriétés de liaison à l'ADN de la protéine évoluée. Bien que ce polymorphisme soit unique, ces trois gènes sont pourtant les cibles de la sélection naturelle dans la majorité des autres populations de l'expérience d'évolution. Pour deux d'entre eux, seul l'allèle substitué dans la population Ara-2 confère en fait les phénotypes de la lignée S. Ainsi, l'unicité de cet événement de diversification est liée à une succession d'événements mutationnels très précis, qui affectent par ailleurs les réseaux globaux de l'expression des gènes. Ces modifications graduelles ont ainsi conduit à l'émergence du plus long polymorphisme mis en évidence à ce jour dans des expériences d'évolution en laboratoire. / Adaptive diversification events that underly the diversity of the living world have been studied by an experimental evolution strategy initiated by Richard Lenski in 1988. Twelve populations founded from a common ancestor of Escherichia coli are propagated independently since more than 55,000 generations by daily transfer in a glucose-limited minimal medium. A diversification event emerged after 6500 generations of evolution in only one of the twelve populations, called Ara-2, resulting in two lineages of differentiated cells, called S and L, that coexist ever since owing to negative frequency-dependent interactions. Two properties make this polymorphism original and important: its length as the longest one ever observed in evolution experiments, and its uniqueness as it occurred only once in the twelve populations founded from the same ancestor. The aim of this work was to identify the mechanisms of the long-term coexistence of the S and L lineages, together with the genetic bases of their emergence. The maintenance of the polymorphism is characterized by a strong dynamic of the ecological relationships between S and L, with with L seeming to encroach over time on the niche of S, which reacts to avoid extinction. The emergence of the S lineage is due to the succession of three mutations, necessary and sufficient to establish its phenotypes. All three mutations affect genes encoding global transcriptional regulators, with two of them being involved in the regulation of central metabolism. For one of them, the evolved allele alters the DNA binding ability of the evolved protein. Although this polymorphism is unique, the same three genes are targets of natural selection in most other populations of the evolution experiment. For two of them, only the substituted allele of the Ara-2 population results in the phenotypes of the S lineage. Thus, the uniqueness of this diversification event is linked to a succession of precise mutational events that affect the global regulatory network in the cell. Those gradual modifications lead thus to the emergence of the longest polymorphism ever identified during evolution experiments in the laboratory.

Les bactéries constituent le socle de presque tous les écosystèmes et l’étude de leurs dynamiques face aux perturbations biotiques et abiotiques est essentielle à la compréhension de leur maintien, de leur évolution et de leur diversification. Cette thèse vise à une meilleure appréhension de l’impact des bactériophages et des antibiotiques sur l’écologie évolutive des populations bactériennes et, plus particulièrement, sur l’évolution de leurs comportements sociaux. Dans une première partie, nous avons étudié comment les antibiotiques (Chapitres 1 et 2) et les phages (Chapitre 3) affectent les interactions fondées sur la production de biens publics ainsi que l’évolution de la résistance dans les populations de Pseudomonas aeruginosa, en combinant modélisation mathématique et évolution expérimentale. Nous avons montré que les phages et les antibiotiques favorisent les tricheurs face aux coopérateurs dans les environnements homogènes. Alors que l’avantage des tricheurs permet la croissance de la population et augmente la fréquence de résistance à court terme (Chapitre 1), les populations dominées par les tricheurs finissent par décliner en présence de phages, vraisemblablement suite aux pressions combinées des phages et des tricheurs (Chapitre 3). Dans une seconde partie, nous avons exploré in vitro les interactions complexes entre les phages et les antibiotiques dans le contexte des thérapies combinées. Conformément à la prédiction de la théorie de l’évolution selon laquelle plusieurs moyens de contrôle combinés sont plus efficaces que chacun séparément, nous avons montré que l’usage simultané de phages et d’antibiotiques réduit davantage la survie et la résistance des populations. Si ce résultat principal peut être modulé par différents facteurs tels que la dose d’antibiotiques (Chapitres 4 et 5), le moment d’inoculation (Chapitre 4), et le mode d’action des antibiotiques (Chapitre 5), il persiste sur le long terme (Chapitre 5). Nos résultats soulignent la complexité des interactions entre les effets négatifs des phages et des antibiotiques et l’écologie évolutive des populations bactériennes et apportent de nouveaux éléments à la fois à la compréhension de l’évolution de la socialité et à l’usage thérapeutique potentiel des phages et des antibiotiques. / Bacteria are the basis of virtually all ecosystems and examining their dynamics in the face of biotic and abiotic perturbations is essential to understanding their persistence, evolution and diversification. This thesis is directed towards a better understanding of the impact of phage and antibiotic pressure on the evolutionary ecology of bacterial populations and, in particular, on the evolution of bacterial social behaviours. First, using a combination of mathematical modelling and experimental evolution, we studied how antagonisms in the form of antibiotics (Chapters 1 and 2) and phages (Chapter 3) affect the dynamics of public goods production and strategies, and the evolution of resistance in populations of the bacterium Pseudomonas aeruginosa. We found that both phages and antibiotics favour cheats over cooperators in well-mixed environments. While the advantage to cheats leads to population growth and even increased resistance frequency in the short-term (Chapter 1), the cheat-dominated populations eventually declined in the presence of phage predators, arguably due to the combination of antagonist pressure and cheating load (Chapter 3). Second, based on the evolutionary prediction that multiple control agents will be more efficient at controlling bacterial populations and reducing the evolution of resistance, we investigated in vitro the complex interactions between phages and antibiotics in the context of combined therapies. We showed that the combination of phages and antibiotics decreased population survival and resistance evolution significantly more than either alone. While this main result may be mitigated by several factors such as antibiotic dose (Chapters 4 and 5), the timing of inoculation (Chapter 4), and antibiotic mode of action (Chapter 5), it is also obtained in longer-term assays (Chapter 5). Our results highlight the complexity of the interplay between the negative effects exerted by antibiotics and phages and the evolutionary ecology of bacterial populations, and bring new insights both to the understanding of social evolution and for the potential therapeutic use of phages and antibiotics.

L’étude des modifications phénotypiques et génomiques associées à l’adaptation des pathogènes aux résistances est une étape fondamentale pour mieux comprendre et anticiper le phénomène de contournement des résistances. Le nématode à kyste Globodera pallida est un important pathogène de la pomme de terre, vis-à-vis duquel un QTL majeur de résistance, GpaVvrn, a été identifié chez Solanum vernei. Cependant, la capacité des populations de G. pallida à s’adapter à cette résistance en quelques générations seulement a été mise en évidence par évolution expérimentale. Dans ce contexte, ce travail de thèse avait pour objectifs (1) d’étudier les traits d’histoire de vie du nématode impactés par l’adaptation, afin de tester l’existence éventuelle d’un coût de virulence, et (2) d’identifier les régions génomiques impliquées dans l’adaptation, par une approche originale combinant évolution expérimentale et scans génomiques sur des lignées virulentes et avirulentes. Contre toute attente, nous avons montré que l’adaptation à la résistance issue de S. vernei entraînait une augmentation de la fitness des individus virulents sur hôte sensible. Nous avons également pu identifier des régions génomiques candidates à l’adaptation à la résistance de la plante hôte, contenant des gènes codant pour des effecteurs, et notamment des SPRYSECs, connus chez les nématodes à kyste pour être impliqués dans la suppression des défenses des plantes mais aussi dans la virulence du nématode. À terme, ces résultats s’avéreront utiles pour la conception de stratégies durables de déploiement de variétés de pommes de terre résistantes. / Studying phenotypic and genomic modifications associated with pathogen adaptation to resistance is a crucial step to better understand and anticipate resistance breakdown. The cyst nematode Globodera pallida is an important pest of potato crops, for which a major resistance QTL, GpaVvrn, has been identified in Solanum vernei. However, the capability of G. pallida populations to adapt to this resistance in only few generations has been highlighted through experimental evolution. In this context, the purposes of this work were (1) to study the nematode life-history traits impacted by adaptation, in order to test for potential existence of a virulence cost, and (2) to identify genomic regions involved in adaptation, through an original approach combining experimental evolution and genome scans on virulent and avirulent lineages. Unexpectedly, we highlighted that adaptation to resistance from S. vernei leads to an increase of virulent individual’s fitness on susceptible host. We were also able to pinpoint candidate genomic regions to adaptation to host plant resistance, containing genes encoding effectors, and especially SPRYSECs, known in cyst nematodes to be involved in suppression of host defense but also in nematode virulence. These results will ultimately be useful in order to conceive sustainable strategies of use of potato resistant cultivars

La théorie de la sélection sexuelle a été largement élaborée à partir du constat de dimorphisme sexuel chez les espèces à sexes séparés. Une de ses caractéristiques générales est une sélection plus forte pour l'augmentation du nombre de partenaires sexuels chez les mâles que chez les femelles qui résulterait d'un investissement différentiel dans les descendants entre les deux sexes (anisogamie). Si hermaphrodisme et sélection sexuelle sont considérés comme compatibles depuis les travaux de Charnov (1979), les études sur le sujet restent rares que ce soit chez des animaux ou des plantes. Une raison importante est que la méthodologie disponible pour quantifier la sélection sexuelle ne prend pas en compte les particularités des hermaphrodites (par ex., corrélations ou effets croisés entre les deux fonctions sexuelles d'un même individu, autofécondation). Le premier objectif de cette thèse est de combler cette lacune méthodologique en proposant un cadre travail adapté aux hermaphrodites, que nous appliquons dans une étude empirique chez Physa acuta, un gastéropode hermaphrodite d'eau douce. Nous observons que la sélection sexuelle est plus intense sur la fonction mâle, comme généralement chez les espèces gonochoriques. Par ailleurs, nous ne détectons aucun effet des particularités des hermaphrodites dans cette expérience. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons de manière plus détaillée aux composantes du succès reproducteur mâle (RSm). Nous montrons que chez P. acuta il existe une priorité spermatique au premier partenaire mâle lorsque plusieurs individus sont en compétition. Enfin, nous proposons une décomposition de la variance de RSm en ses composantes pré- et post-copulatoires, qui représentent respectivement 60 et 40% de la variance. Dans la troisième partie, nous intégrons la sélection sexuelle à l'étude de l'évolution de l'allocation sexuelle d'un hermaphrodite, via une approche d'évolution expérimentale chez P. acuta. Menée sur plus de 10 générations, elle vise à faire évoluer l'allocation sexuelle de manière disruptive (lignées mâle ou femelle) en sélectionnant les composantes mâle et femelle du succès reproducteur. Les résultats préliminaires suggèrent qu'il est possible de manipuler l'allocation sexuelle chez un hermaphrodite simultané en sélectionnant sur son régime d'appariement. Nous concluons que l'anisogamie suffit à justifier l'existence de la sélection sexuelle sans avoir à supposer un dimorphisme sexuel. Son étude chez les hermaphrodites simultanés ouvre des perspectives pour la compréhension du rôle de l'allocation sexuelle dans l'évolution des systèmes de reproduction. / A cornerstone of the theory of sexual selection in gonochoric species is sexual dimorphism. A very general result is stronger selection on males than on females for increasing mating success, and this fundamentally relies on differential investment in offspring between the sexes (anisogamy). Although sexual selection does operate in hermaphroditic species as well, few empirical studies have been performed whether in animals or in plants. The main reason is that the current framework for studying sexual selection does not incorporate the particularities of hermaphrodites, including correlations or cross-sex effects between sex functions and self-fertilization. The first goal of this thesis is to fill this gap by proposing an appropriate framework for hermaphrodites (generalizing that available for gonochoric species). It was applied to approach sexual selection in the hermaphroditic freshwater gastropod Physa acuta. Sexual selection turns out to be stronger on the male than on the female function, as classically observed in gonochorists. Moreover, we do not detect any effect in relation to hermaphrodites' particularities. We then focus on the components of male reproductive success (RSm) in more details. We detect a pattern of sperm precedence in conditions of sperm competition. We develop a new method for decomposing the variance in RSm into pre- and post-copulatory components (representing 60 and 40% of the variance respectively). The third section aims at integrating sexual selection in studies of sex allocation and its evolution. It relies on a protocol of experimental evolution in P. acuta. Conducted over more than 10 generations. Its aim is to observe the evolution of sex allocation by disruptively selecting male and female components of reproductive success. Preliminary results indeed suggest that it is possible to manipulate sex allocation in a simultaneous hermaphrodite by manipulating its mating system. We conclude that anisogamy alone is a sufficient condition for sexual selection to proceed, and that sexual dimorphism is not required. Study sexual selection in simultaneous hermaphrodites gives insights for understanding the role of sex allocation in the evolution of mating systems.

L'évolution contemporaine des organismes vivants est de plus en plus dépendante des perturbations d'origine anthropique. En particulier, la pollution amplifie l'intensité des pressions de sélection auxquelles sont soumises les populations. Or ces changements peuvent avoir des effets négatifs sur la vie des individus, la démographie des populations, mais aussi, au cours des générations, sur leurs caractéristiques phénotypiques et génétiques. Ainsi en réponse aux pressions de sélection, des changements microévolutifs sont susceptibles de se manifester. Mais ces phénomènes entraînent en parallèle la mise en place de coûts adaptatifs qui fragilise le maintien des populations. Il est donc indispensable de développer nos connaissances sur l'évolution des populations en milieu pollué. Dans ce contexte, cette étude vise à déterminer les réponses microévolutives de populations de C. elegans, exposées à diverses pollutions et à mesurer les coûts adaptatifs de ces microévolutions. Ces populations ont été exposées expérimentalement, durant 22 générations, à une forte concentration en uranium et/ou en chlorure de sodium. Nous avons mis en évidence une différentiation génétique des populations exposées, associée à augmentation de la résistance, au cours du temps. La vitesse des réponses évolutives était dépendante des conditions d'exposition et de leurs effets sur l'expression de la structure génétique des traits d'histoire de vie. Ces phénomènes ont pu être reliés à des coûts adaptatifs, comme une réduction de la fertilité, dans de nouveaux environnements stressants (ex : augmentation de la température) ou en l'absence de stress. Ce projet nous a permis de mieux identifier comment une exposition à un ou deux polluants peut affecter la réponse évolutive de populations de C. elegans et d'évaluer les conséquences sur leur sensibilité. / The contemporary evolution of organisms is largely dependent on anthropogenic disturbances. In particular, the pollution amplifies the intensity of selection pressures suffered by populations. However, these changes may have negative effects on the life of individuals, the demographics of the populations, and its phenotypic and genetic characteristics over generations. Thus, microevolutionary changes are likely to occur in response to selection pressures. These phenomenon lead to collateral damages: adaptive costs. Populations can be more susceptible to many environmental changes. Hence, it is essential to expand our knowledge on the evolution of populations in polluted environment. In this context, our study aims to determine the microevolutionary response of C. elegans populations exposed to different pollutions, and to measure their costs of adaptation. Populations were experimentally exposed for 22 generations to a high concentration of uranium and/or sodium chloride. We confirmed the genetic differentiation between populations with an increase of resistance in populations exposed to different pollutions. The speed of evolutionary responses depended on exposure conditions and their effects on the expression of the genetic structure of life history traits. Microevolutionary changes were linked to costs of adaptation, such as reduced fertility, in stressful novel environments (e.g. fast temperature raise) or in the absence of stress. This project allowed us to better identify how exposure to one or two pollutants affects the evolutionary response of C. elegans populations and evaluate the impact on their sensitivity to environmental conditions.

Aujourd'hui, alors que le nombre de marqueurs génétiques disponibles augmente rapidement, de nouvelles populations doivent être créées pour exploiter au mieux cette quantité d'informations dans le but de mieux comprendre l'architecture génétique de caractères complexes. Les populations de type MAGIC ont été créées pour rassembler les avantages des populations bi-parentales et des panels d'associations, la bonne puissance de détection et une localisation précise. L'objectif de cette thèse était d'étudier l'intérêt de la population MAGIC INRA pour l'analyse de l'architecture génétique de la précocité de floraison. Cette population a été créée à partir de 60 parents brassés durant 12 générations de panmixie grâce à l'introduction d'un gène de stérilité mâle (ms1b). Cette étude a été réalisée sur 56 parents toujours disponibles en banque de graines et 380 lignées dérivées de la population après les 12 générations de recombinaison. Cette population a été génotypée avec la puce 9K iSelect, représentant environ 5 000 SNPs localisés sur tout le génome, additionnée de 14 marqueurs localisés dans des gènes candidats. Ce jeu de données moléculaires a été complété par des données fines de phénotypage de la précocité de floraison. Suite aux 12 générations de panmixie, le DL de cette population a été très réduit, à longue comme à moyenne distance (<10cM). Ce faible DL nous a amené à développer un algorithme basé uniquement sur le DL qui ordonne les marqueurs de manière à avoir un DL décroissant monotone avec la distance. L'algorithme ordonne globalement de la même manière que la carte génétique les marqueurs à longue distance mais à courte distance le DL est moins lié à la distance génétique. La différence réside sur l'équilibre entre les effets de la recombinaison et de la dérive génétique sur le DL. L'intérêt de la population MAGIC INRA pour détecter des QTLs a ensuite été étudié avec deux approches : une approche évolutionniste et une approche de génétique d'association. La première approche détecte les loci soumis à sélection par comparaison des fréquences alléliques de la population initiale (G0) et de la population évoluée (G12) grâce à une nouvelle méthode. La population initiale est composée des parents pondérés par une contribution estimée avec une nouvelle méthode bayésienne. 26 régions génomiques soumises à sélection ont été détectées. Une analyse de génétique d'association avec les marqueurs détectés sous sélection a montré que respectivement cinq et trois zones étaient associées à la précocité avec un semis d'automne et au caractère printemps/hiver. Une analyse phénotypique a effectivement mis en évidence la précocification de la date de floraison et une augmentation de la proportion de plantes de type printemps. Une analyse de génétique d'association a ensuite été réalisée sur les lignées SSD sur 12 caractères x environnements i.e. la date d'épiaison et le temps de remplissage du grain mesurés dans six environnements. Les tests d'association ont aussi été réalisés avec des variables synthétisant l'information présente dans plusieurs traits phénotypiques soit avec une ACP, soit avec un modèle écophysiologique. Au total, toutes ces analyses ont détecté six QTLs dont trois correspondants à des gènes majeurs. Parmi ces six QTLs, deux sont spécifiques des caractères mesurés avec un semis d'automne et deux avec ceux mesurés avec un semis de printemps. / Nowadays, with the dramatically increase of available molecular markers, there is a deep need for new populations allowing to exploit all of this information to better understand the genetic architecture of complex traits. MAGIC populations as they are built to bring together bi-parental populations and association panel advantages, provide such powerful detection and fine mapping capacities. The aim of these PhD was to study the MAGIC INRA population usefulness for the study of genetic architecture of earliness. This population is derived from 12 cycles of random crosses between 60 founders, turning wheat from selfing to outcrossing thanks to the use of a nuclear male sterility gene (ms1b, Probus donor). This population is composed of 56 parents still available and 380 SSD lines. Parents and SSD lines were genotyped using the 9K iSelect SNPs array, providing around 5 000 SNPs on the whole genome, as well as 14 addition markers located in candidate genes. They were also finely phenotyped for earliness traits. With the 12 panmictic generations, the population LD decreased strongly, especially at long and medium distance (<10cM). This allowed us to develop an algorithm mapping markers on the sole pairwise LD information, ordering markers in a way to have the LD decreasing along the distance. When considering long distances, overall the results were consistent with the order found on genetic maps while at short distance LD was poorly linked to genetic distance. These differences between long and short distances were linked to the balance between recombination and drift effects on LD. The usefulness of the MAGIC INRA population for QTL detection was analyzed with two approaches: an evolutionary approach and an association genetics approach. The first one detects loci under selection by identifying high shift in allelic frequency with a new method. The initial population was composed of founders weighted by a contribution estimated with a new Bayesian method. 26 genomic areas under selection were detected. An association genetics analysis with the markers detected as under selection showed respectively five and three genomic regions associated with earliness and growth habit. Actually the G12 population was found phenotypically earlier than the G0 and with more spring individuals. A broader association genetics analysis was performed on G12 population, studying 12 traits x environments i.e. heading date and grain filling time, both observed in six environmental conditions. Two additional integrated traits from either PCA or ecophysiological model were also analyzed. In all, these different analyses detected six QTLs, three of them corresponding to candidate genes. Among these six QTLs, two were specific to autumn sowing and two specific to spring sowing.

The study of bacterial evolution is fundamental for addressing current problems of antibiotic resistance and emerging infectious diseases and lays a solid foundation for successful and rational design in biotechnology and synthetic biology. The main aim of this thesis is to test evolutionary hypotheses, largely based on theoretical considerations and sequence analysis, by designing scenarios in a laboratory setting to obtain experimental data. Paper I examines how genomic GC-content can be reduced following a change in mutation rate and spectrum. Transcription-related biases in mutation location were found, but no replicative bias was detected. Paper II explores the distribution of fitness effects of random substitutions in two ribosomal protein genes using a highly sensitive fitness assay. The substitutions had a weakly deleterious effect, with low frequencies of both neutral and inactivating mutations. The surprising finding that synonymous and non-synonymous substitutions have very similar distribution of fitness effects suggests that, at least for these genes, fitness constraints are present mainly on the level of mRNA instead of protein. Paper III examines selective barriers to inter-species gene transfer by constructing mutants with a native gene replaced by an orthologue from another species. Results suggest that the fitness costs of these gene replacements are large enough to provide a barrier to this kind of horizontal gene transfer in nature. The paper also examines possible compensatory mechanisms that can reduce the cost of the poorly functioning alien genes and found that gene amplification acts as a first step to improve the selective contribution after transfer. Paper IV investigates the fitness constraints on horizontal gene transfer by inserting DNA from other species into the Salmonella chromosome. Results suggest that insertion of foreign DNA often is neutral and the manuscript provides new experimental data for theoretical analysis of interspecies genome variation and horizontal gene transfer between species.

Fisher’s adaptive sex ratio theory predicts that organisms should invest equally in sons and daughters and the sex ratio at conception should be 1:1. Hamilton’s theory predicts that organisms should adjust sex ratios based on the relative strength of competition within a mating group. Testing sex ratio and sex allocation theories requires variation in sex ratio. Different sex allocation and sex allocation adjustment mechanisms can produce skewed sex ratios. I used Tigriopus californicus, a harpacticoid copepod with extrabinomial variation in sex ratios, to test sex ratio evolution and socially-mediated sex determination. Using artificially selected sex-biased populations, the trajectory of population sex ratios were as expected under Fisher’s theory and sex ratios approached/reached 0.5 proportion males. Populations with overlapping generations had a slower rate of change towards 0.5 than populations with non-overlapping generations. I show that these data are supported by multiple different models: a mechanistic and simulation model. I tested socially-mediated sex determination using seawater conditioned with different local sex ratios of copepods. There were detectable effects found in both wild populations and isofemale lines. However, these effects may be trivial as differences were small between treatments. Sex determination in T. californicus is a complex mechanism, with multiple genetic and environmental components. The complex nature of sex determination in T. californicus and the dynamic nature of their habitat in highly ephemeral splash pools provide a possible explanation for the non-Fisherian sex ratios we see. / Graduate

Les guêpes endoparasitoïdes effectuent leur développement dans un hôte arthropode, entraînant sa mort. Parmi les stratégies assurant leur succès parasitaire, la plus commune est l’injection de venin dans l’hôte lors de l’oviposition, provoquant la suppression de l’immunité de l’hôte. Il est connu que la composition du venin est variable entre espèces et que la virulence des parasitoïdes peut évoluer rapidement. Pourtant la variation intraspécifique de la composition du venin n’a jamais été étudiée alors qu’elle est essentielle pour comprendre l’évolution de la gamme d’hôte des parasitoïdes, un paramètre clé en lutte biologique. Cette thèse a permis de démontrer l’existence d’une variabilité inter-Individuelle du venin, et de développer une méthode basée sur l’analyse de profiles d’électrophorèse 1D à l’aide de fonctions “R” permettant la comparaison statistique de la composition protéique d’un grand nombre d’individus. Des évolutions expérimentales ont ensuite été réalisée sur Psyttalia lounsburyi et Leptopilina boulardi pour étudier les effets de la variabilité du venin lors d’un changement d’environnement brutal. Globalement, cette thèse a mis en évidence que la composition du venin (i) est très variable à tous les niveaux étudiés, (ii) évolue rapidement et (iii) impacte des paramètres clés de la biologie des parasitoïdes. Ceci pourrait avoir d’importantes implications en lutte biologique et pose la question des mécanismes de maintien de la variabilité du venin dans le milieu naturel. / Endoparasitoid wasps lay eggs and develop inside arthropod hosts, leading to their death. They have evolved various strategies to ensure parasitism success, notably the injection with the eggs of venom that suppresses the host immunity. Although venom composition has been characterized in a growing number of parasitoid families and recent studies suggest that parasitoid virulence can rapidly evolve, the intraspecific variation of venom and its short-Term evolvability remained to be investigated. This information is however essential for understanding the evolution of parasitoid host range and may have implications in biological control. This thesis allowed to demonstrate the occurrence of inter-Individual variability of venom and to develop a method based on the analysis of electrophoretic 1D profiles and the use of “R” functions allowing statistic comparison of protein quantities from numerous individuals. Then, to study the effect of this variability of the venom composition, experimental evolution studies were performed on Psyttalia lounsburyi and Leptopilina boulardi. Overall, the thesis evidenced that parasitoid venom composition (i) is variable at all studied biological levels (ii) changes rapidly, confirming its high evolvability, and (iii) influences key parameters of the parasitoid biology. This may have important implications in biocontrol and raises the question of the mechanisms sustaining this variability.

Les événements de diversification adaptative sont des éléments primordiaux de l'évolution. En effet, ils engendrent des innovations phénotypiques telles que la colonisation de nouvelles niches écologiques et au final, la spéciation. Afin d'étudier les ressorts écologiques et moléculaires de la diversification adaptative, nous utilisons la plus longue des expériences d'évolution en cours. Depuis 1988, soit plus de 60 000 générations, douze populations indépendantes issues d'un ancêtre commun d'Escherichia coli sont propagées quotidiennement dans un milieu minimum comportant une faible quantité de glucose.Un événement unique de diversification s'est produit dans une des 12 populations (Ara–2). Deux lignées de phénotypes différents sont apparues après environ 6500 générations, les S pour «Small» et les L pour «Large», chacune présentant des tailles cellulaires différentes. Les deux lignées coexistent grâce à une sélection négative dépendant de la fréquence qui favorise la lignée la plus rare et permet de supplanter sa concurrente; ainsi, aucune des deux lignées ne s'éteint. Avant l’événement de diversification, la population Ara–2 a développé un phénotype hypermutateur suite à la mutation d'un gène de réparation de l'ADN. L'objectif de cette thèse est de caractériser les mécanismes écologiques, physiologiques et moléculaires sous-tendant l'émergence et la coexistence des lignées S et L.En premier lieu, nous avons utilisé un ensemble d'expériences d'évolution in vivo et in silico afin de déterminer les moteurs écologiques et physiologiques de l'émergence de ce polymorphisme. Plusieurs mécanismes écologiques, incluant les compromis (trade-off évolutifs), la saisonnabilité et les déplacements de caractères interviennent dans l'émergence et la persistance de la diversité au long terme. Nous avons montré que la lignée L, en produisant de l'acétate, créait une nouvelle opportunité écologique exploitée par les S. De plus, au cours du temps, les S et les L s'adaptent à leur niche écologique, respectivement l'acétate et le glucose.En second lieu, nous avons cultivé les S et les L séparément pour éliminer la compétition entre les deux lignées. Dans ces conditions, il y a perte des interactions dépendantes de la fréquence entre les S et les L. Ceci démontre l'importance de la compétition dans le maintien du polymorphisme.En troisième lieu, nous avons combiné des approches génétiques, physiologiques et biochimiques pour déterminer le rôle, dans l'émergence du polymorphisme, d'une mutation spécifique aux S survenant dans le gène arcA, codant un régulateur global. Nous avons montré que l'allèle évolué de arcA augmentait la transcription de gènes du métabolisme de l'acétate dans la lignée S. Au cours de cette étude, nous avons identifié une mutation supplémentaire dans le gène acs, impliqué dans le métabolisme de l'acétate, intervenant dans l'émergence de la lignée S. Nous avons aussi démontré que ces deux mutations étaient favorables à la lignée S au début de son émergence, puis que des mutations plus tardives agissaient de façon épistatiques avec les allèles évolués de acs et de arcA. Ainsi, ces résultats démontrent que l'établissement et le maintien du polymorphisme des S et des L est un processus en plusieurs étapes nécessitant des interactions épistatiques entre plusieurs mutations.En quatrième lieu, nous avons identifié la dynamique au long terme des taux de mutations dans cette population. L'apparition et l'invasion rapide du phénotype hypermutateur est suivie d'une réversion complète mais indépendante dans chacune des lignées S et L.L'émergence d'un polymorphisme bactérien durable reflète une restructuration complexe des réseaux métaboliques et de régulation dans ces lignées qui co-existent, ce qui aboutit à l'apparition et à l'exploitation de nouvelles opportunités écologiques. La compétition et l'évolution de l'utilisation de ressources différentes sont des forces sélectives permettant le maintien du polymorphisme. / Diversification events are central issues in evolution since they generate phenotypic innovation such as colonization of novel ecological niches and, ultimately, speciation. To study the ecological and molecular drivers of adaptive diversification, we used the longest still-running evolution experiment. Twelve independent populations are propagated in a glucose limited minimal medium from a common ancestor of Escherichia coli by serial daily transfers since 1988 for more than 60,000 generations. In one of the twelve populations, called Ara–2, a unique diversification event occurred: two phenotypically-differentiated lineages, named S (Small) and L (Large) according to their cell size, emerged from a common ancestor at ~ 6500 generations. The two lineages co-exist ever since, owing to negative frequency-dependent selection whereby each lineage is favored and invades the other when rare, such that no lineage gets extinct. Moreover, and before the split between the two S and L lineages, the population Ara–2 evolved a hypermutator phenotype, owing to a defect in a DNA repair gene. The objective of this thesis is to characterize the ecological, physiological and molecular mechanisms that allowed the emergence and stable co-existence of the S and L lineages.First, we used a combination of in vivo and in silico experimental evolution to determine the ecological and physiological drivers of the emergence of the polymorphism. Several ecological mechanisms including tradeoff, seasonality and character displacement are involved in the emergence and long-term persistence of diversity. In particular, we showed that the L lineage secretes acetate which generates a new ecological opportunity that the S lineage exploited. In addition, the S and L lineages became fitter and fitter over time in their respective ecological niches, respectively acetate and glucose. Second, we propagated S and L clones separately to remove competition between the two lineages. In these conditions, frequency-dependent interactions between the S and L clones evolved separately were completely abolished, revealing the importance of competition in the maintenance of the polymorphism. Third, we combined genetic, physiological and biochemical approaches to determine the role of an S-specific mutation that was previously found in arcA, encoding a global regulator, in the emergence of the S and L polymorphism. We showed that the evolved arcA allele conferred to the S lineage the capacity to growth on acetate by increasing the transcription of target genes involved in acetate consumption. During this study, we found an additional mutation, in the acs gene involved in acetate metabolism, that was also involved in the emergence of the S lineage. We further showed that these two mutations were favorable to the S lineage early during its emergence, and that other mutations occurred later that interacted epistatically with the acs and arcA evolved alleles. Therefore, these data showed that the establishment and further maintenance of the S and L polymorphism was a multi-step process involving epistatic interactions between several mutations. Fourth, we identified the long-term dynamics of mutation rates in this divergent population. A first early rise of a hypermutator was followed by a full reversion of this mutator state twice independently in each of the two S and L lineages.The emergence of a long-term bacterial polymorphism reflects a complex restructuration of the metabolic and regulatory networks in the co-existing lineages, resulting in the generation and exploitation of a new ecological opportunity. Competition and evolution of divergent resource consumption were the selective forces driving the maintenance of the polymorphism.