Les dernières décennies représentent un tournant majeur concernant les invasions biologiques avec une augmentation sans précédent de leur rythme et de leur ampleur, en lien direct avec les activités humaines, en particulier la mondialisation. Certains invasifs se propagent à une vitesse très rapide dans leur nouveau milieu. L’invasion européenne de la punaise Leptoglossus occidentalis, illustre parfaitement ce phénomène et offre un modèle d’étude particulièrement intéressant. Cette thèse a pour but de tester des hypothèses permettant d’expliquer la rapidité de cette invasion. Pour répondre à cet objectif, nous avons choisi d’utiliser une approche pluridisciplinaire combinant des études de génétique des populations (natives et introduites) à des études de biologie et d’écologie des populations invasives. Grâce à l’utilisation de marqueurs moléculaires et de méthodes Bayésiennes (ABC), nous démontrons que l’invasion en Europe suit un scénario " tête de pont ", au sens où la population invasive de l’Est de l’Amérique du Nord a servi de source pour l’invasion européenne. Nos résultats confirment les soupçons d’introductions multiples dans des zones géographiquement déconnectées. En outre, l’étude de génétique des populations, associée aux mesures expérimentales des capacités de vol, indique que les capacités intrinsèques de dispersion de cette espèce sont particulièrement élevées. Les conditions rencontrées en Europe par les populations introduites ne sont pas un frein à l’invasion. L’espèce s’accommode parfaitement des nouvelles essences de conifères rencontrées sur le continent. La polyphagie observée dans la zone native est confirmée dans la zone d’introduction européenne, constituant un atout pour l’établissement des populations. De plus, cette étude révèle les risques écologiques que cette espèce représente pour la flore native européenne. Les dégâts occasionnés semblent s’additionner à ceux des ravageurs natifs, diminuant ainsi le potentiel de régénération naturelle. L’ensemble de ces résultats constitue une contribution à la connaissance des mécanismes sous-tendant les invasions biologiques, notamment sur la rapidité de propagation de certains invasifs, et met l’accent sur des phénomènes sous-estimés il y a encore peu de temps comme le scénario d’invasion " tête de pont ". / During the last decades, biological invasions were observed to increase exponentially, at an unprecedented rate and magnitude, in direct relation with the human activities, especially globalization. In this context, some invasive species spread very quickly in the area of introduction. The European invasion of Leptoglossus occidentalis is a good example of this phenomenon. This study aimed at testing some hypotheses to explain the rapidity of this invasion. To reach this goal, we used a multidisciplinary approach combining population genetics (analyzing samples from native and invaded areas) with a study of biological and ecological characteristics of the invasive populations. Through the use of molecular markers and Bayesian methods (ABC), we confirmed previous suspicions and demonstrated that the European invasion proceeded from multiple introductions in distant geographic areas. Our results also indicated that a primarily invaded area of Eastern North America acted as a bridgehead for the invasion in Europe. Moreover, population genetics, combined with an experimental measurement of the bug flight capabilities using flight mills, revealed that the intrinsic capacities of dispersion of this species are particularly high. The environmental conditions of the newly invaded areas in Europe did not constitute a barrier to the invasion of L. occidentalis. Its high degree of polyphagy was confirmed on European conifers, quite all species being susceptible to be exploited, thus favoring population establishment. . Furthermore, this study highlights the ecological threat represented by this insect which can affect the native flora in Europe. Actually, bug damage which can be important, seems to be additive to those of native insects exploiting cone and seed resources, thus decreasing the potential of natural regeneration. This work contributes to improve knowledge on biological invasions, especially to understand the reasons underlying the rapid spread observed in some invasive species, and highlights phenomenon underestimated until recently such as the Bridgehead scenario.

La réponse adaptative de populations de bioagresseurs aux pressions de sélection exercées par les activités agricoles détermine la durabilité des moyens de lutte. Chez le melon, le gène Vat qui confère la résistance à Aphis gossypii étant déployé depuis plus de 10 ans, on craint son contournement. L’enjeu est de proposer des éléments stratégiques aux semenciers sur le risque d’évolution des pucerons vers la virulence, pour développer de nouvelles variétés avec des résistances durables. Dans le cadre de cette thèse, nous avons : i) Estimé la diversité génétique disponible dans des populations d’A. gossypii de différentes régions de production de melon. Elle est structurée géographiquement. La grande diversité observée en France aurait en partie pour origine des évènements de reproduction sexuée suggérant un potentiel évolutif élevé d’A. gossypii. ii) Estimé la pression de sélection exercée par différentes combinaisons de résistance (gène Vat et QTL) sur ces populations. Les densités de population sont plus faibles sur les plantes Vat que sur les plantes non Vat et la structure génétique des populations est modifiée dans certaines régions de production quand le gène Vat est présent. Les clones se multipliant sur les plantes Vat ont une forte fitness et le risque de leurs extensions est grand. Aucun effet de QTL de résistance n’a été mis en évidence en plein champ. iii) Caractérisé les clones contournant le gène Vat. Nos résultats suggèrent que l’adaptation des clones s’effectue soit par modification du gène d’avirulence du puceron soit par l’adaptation du puceron aux effecteurs de la résistance. De nouvelles stratégies de gestion de la résistance Vat sont proposées. / The adaptive response of pest populations to selection pressures exerted by agricultural activities determines the sustainability of control methods. In melon, the Vat gene that confers resistance to Aphis gossypii has been deployed for over 10 years, so there are fears it will be overcome. The challenge is to provide strategic elements to plant breeders, concerning the risk of development of virulent aphids, in order to develop new varieties with durable resistances. In the context of this PhD, we have : i) Estimated the available genetic diversity in populations of A. gossypii from different melongrowing areas. The diversity is structured geographically. The great diversity observed in France would have its origine in part from the events of sexual reproduction, suggesting a high evolutionary potential of A. gossypii. ii) Estimated the selection pressure exerted by different resistance combinations (Vat gene and QTLs) on these populations. Population densities are lower on VatR plants than VatS plants and population genetic structure is altered in certain growing areas when the VatR gene is present. The clones multiplying on VatR plants have good fitness and the risk of their spreading is great. No effect of QTLs has been identified in the field. iii) Characterized the clones overcoming the VatR gene. Our results suggest that the adaptation of clones made either by alteration of the avirulence gene of aphids or by adaptation of aphids toresistance effectors. New strategies for Vat resistance management are proposed.

Les interactions intimes et répétées entre hôtes et parasites peuvent engendrer la spécialisation d’un parasite à son hôte, grâce à des adaptations comportementales, morphologiques et/ou génétiques, combinées avec un flux de gènes limité. C’est un processus clef car il participe à l’évolution de la biodiversité parasitaire et peut ainsi permettre de mieux comprendre l’émergence d’organismes pathogènes. Encore peu étudié, une spécialisation d’hôtes a néanmoins été démontré lors de précédentes études chez deux espèces de tiques nidicoles : chez Ixodes uriae une tique dure, parasite des oiseaux marins coloniaux en zone arctique, et dans un complexe de tiques molles Ornithodoros capensis sensu lato, parasitant aussi de nombreuses espèces d’oiseaux marins, mais cette fois-ci en zones tempérées et tropicales. Ces deux espèces sont vectrices d’une grande diversité d’agents pathogènes incluant des virus, des bactéries et des protozoaires. Cependant, les facteurs impliqués dans le phénomène de spécialisation d’hôte restent inconnus. Dans ce cadre, le but de ma thèse était donc de déterminer 1) si l’évolution des divergences en fonction des hôtes est toujours accompagnée par les mêmes changements phénotypiques et 2) si ces changements pourraient permettre d’identifier les facteurs de sélection sous-jacents. Dans ce contexte, des campagnes d’échantillonnage de tiques ont été menées durant la période de reproduction des hôtes oiseaux dans les différentes zones de leur répartition et nous avons réalisé des analyses morphométriques, basées sur l’utilisation de landmarks et de contours sur chaque individu tique et des analyses phylogénétiques et génétiques des populations sur les mêmes individus. L’ensemble de ces résultats suggère la présence de convergences morphologiques au sein de ces systèmes et souligne un rôle de la sélection dans ce processus de divergence. En effet, les caractéristiques écologiques des hôtes mais aussi le micro-habitat exercent des pressions sélectives importantes dans ces deux systèmes pouvant être à l’origine de la divergence observée entre les populations. De plus, les caractéristiques biologiques de chaque espèce de tiques, telle que la capacité de dispersion, entrent également en jeu et peuvent fortement modifier l’épidémiologie des agents infectieux dont elles sont vectrices.Mots clés : Argasidae, écologie de la transmission, évolution convergente, interactions hôte-parasite, Ixodidae, oiseaux marins. / Intimate and repeated interactions between hosts and parasites can lead to parasite specialization to a given host via behavioral, morphological and/or genetic adaptations that act in combination with restricted gene flow. Specialization is a key process leading to the generation of parasite biodiversity and can help us understand the emergence of pathogenic organisms. Although little studied, host specialization has already been demonstrated to occur in previous studies of two nidicolous tick species: Ixodes uriae a hard tick parasitizing colonial seabirds in polar regions, and soft ticks of the complex Ornithodoros capensis sensu lato, that also exploit colonial seabirds, but this time in temperate and tropical zones. Both of these species act as vector to a wide variety of pathogenic organisms, including viruses, bacteria and protozoa. However, the factors involved in host specialization remain unknown. In this context, the aim of my thesis was to determine 1) whether the evolution of host specialization is always accompanied by the same phenotypic changes and 2) whether these changes could help to identify the selective factors that influence this phenomenon. In this context, tick collections were conducted during the breeding period of the host birds in different areas of their distribution and morphometric analyses, based on landmark and contour methods, were performed on each individual tick. Phylogenetic and population genetic analyses were also carried out using the same individuals. Overall, the results demonstrate that morphological convergence occurs within these systems, highlighting the role of selection in the divergence process. Indeed, the ecological characteristics of the hosts, but also their micro-habitat, may exert significant selective pressures on ticks and may cause the observed divergence among populations. Likewise, the biological characteristics of each tick species, particularly in relation to dispersal capacity, may also come into play and will greatly modify the epidemiology of associated infectious agents.Keywords: Argasidae, convergent evolution, host-parasite interactions, Ixodidae, transmission ecology, seabirds.

Ce manuscrit de thèse porte sur l’analyse mathématique de modèles intégro-différentiels issus de la génétique des populations. Les deux modèles étudiés sont des équations de réaction-dispersion de type ∂tp(t,m) = UD[p](t,m) + f[p](t,m). Ils décrivent la dynamique de la distribution de la fitness (ou valeur sélective) dans une population asexuée sous l’effet des mutations et de la sélection représentées respectivement par les termes non locaux UD[p](t,m) et par f[p](t,m). La différence entre les deux modèles se situe au niveau du terme de mutation. En effet, dans le premier modèle, les effets des mutations sur la fitness ne dépendent pas de la fitness du parent, cela se traduit donc par un terme de convolution classique : D[p](t,m) =RR J(m−y)p(t,y)dy−p(t,m). Lorsqu’une mutation a lieu, la fonction J(m−y) représente la densité de probabilité pour un individu de fitness y d’avoir un descendant de fitness m. Le taux de mutation est donné par la constante U. Dans le second modèle, les effets des mutations sur la fitness dépendent aussi de la fitness du parent. Dans ce cas, un individu de fitness y a un descendant de fitness m avec la densité de probabilité Jy(m−y). Ce type de dépendance apparaît naturellement lorsque l’on suppose qu’il existe une fitness optimale (ou encore un optimum phénotypique). Pour chacun des deux modèles, nous établissons dans un premier temps des résultats d’existence et d’unicité ainsi que des propriétés de décroissance de la solution. Cette décroissance permet de définir la fonction génératrice des cumulants (CGF) associée à la distribution de fitness. La CGF est la solution d’une équation de transport non locale. Pour le premier modèle, l’étude de cette équation permet d’obtenir une solution analytique et donc d’obtenir une description complète de la distribution p(t,m) via ses moments. Nous étudions ensuite les états stationnaires pour chacun des deux modèles, et établissons des conditions suffisantes pour l’existence et la non-existence de phénomènes de concentration, correspondant à une accumulation d’individus de phénotypes optimaux. Nos résultats sont comparés à des sorties de modèles stochastiques individu-centrés représentant le même type de dynamiques évolutives. / This manuscript is devoted to the mathematical analysis of integro-differential models from population genetics. Both models are reaction-dispersion equations of the form ∂tp(t,m) = UD[p](t,m)+ f[p](t,m). They describe the dynamics of fitness distribution in an asexual population under the effect of mutation and selection. These two processes are represented by the nonlocal terms UD[p](t,m) and by f[p](t,m) respectively. The difference between the models rests on the mutation term. Indeed, in the first model, the mutation effects on fitness do not depend on the fitness of the parent. Thus, the mutation term is a standard convolution product: D[p](t,m) =RR J(m−y)p(t,y)dy −p(t,m). When a mutation occurs, the function J(m − y) represents the density of probability for an individual with fitness y to have an offspring with fitness m. The mutation rate is given by the constant U. In the second model, the mutation effects on fitness depend on the fitness of the parent. In this case, an individual with fitness y has an offspring with fitness m with a probability density Jy(m−y). This type of dependence naturally arises when the existence of an optimal fitness (or a phenotypic optimum) is assumed. For both models, we first establish existence and uniqueness results as well as decay properties of the solution. The decay property allows us to define the cumulant generating function (CGF). The CGF obeys a nonlocal transport equation. In the first model, we compute the analytical solution of this transport equation and thus, we obtain a complete description of the distribution p(t,m) through its moments. Then, we study the stationary states for both models, and establish sufficient conditions for the existence and non-existence of a concentration phenomenon corresponding to an accumulation of individuals with best possible phenotype. The results are compared to the results of stochastic individual based models which represent the same kind of evolutionary dynamics.

Le charançon de la carotte (Listronotus oregonensis) s’avère un ravageur important des cultures d’apiacées en Amérique du Nord. Une recrudescence des dommages a été observée ces dernières années, et ce, malgré toutes les mesures de contrôle mises en place. Cette étude visait à déterminer la structure génétique des populations du charançon de la carotte en Amérique du Nord et d’évaluer le rôle de la distance géographique et de la plante hôte sur leur niveau de différenciation génétique. La préférence olfactive envers la plante hôte sur laquelle les charançons d’une même population s’y sont développés a aussi été analysée. La caractérisation de la structure génétique de L. oregonensis s’appuyait sur la discrimination des haplotypes (ADNmt COI) et des nucléotides (SNPs) par génotypage-par-séquençage (GBS). Dix-huit populations incluant 220 individus ont été échantillonnées au Québec, en Ontario, en Nouvelle-Écosse (Canada) et en Ohio (États-Unis). L’olfactométrie examinait la réponse olfactive de trois populations du Québec (195 femelles) en fonction de quatre plantes hôtes (carotte, céleri, céleri-rave et persil). Nos résultats ont montré que la distance géographique s’avère un facteur important de différenciation génétique entre les régions échantillonnées. Les analyses de GBS identifient la Nouvelle-Écosse comme étant la région la plus différenciée de toutes les populations analysées contrairement aux analyses de l’ADNmt COI qui suggèrent une différenciation récente. La plante hôte n’entraîne pas de signature génétique distincte chez le ravageur au Québec, et les trois populations testées n’ont pas présenté de préférence marquée pour une plante hôte, hormis la population issue du champ de carotte. Ces résultats suggèrent une capacité de dispersion limitée du charançon de la carotte à travers l’Amérique du Nord. / The carrot weevil (Listronotus oregonensis) is a major pest of apiaceae crops in North America. An upsurge in damage has been observed in recent years, despite all the control measures deployed. This study aimed to determine the genetic structure of carrot weevil populations in North America and to assess the role of geographic distance and host plants on their level of genetic differentiation. The olfactory preference of carrot weevils for the host plant on which the populations were collected was also analyzed. The characterization of the genetic structure of L. oregonensis was based on the discrimination of haplotypes (COI mtDNA) and nucleotides (SNPs) by genotyping-by-sequencing (GBS). Eighteen populations including 220 individuals were sampled in Quebec, Ontario, Nova Scotia (Canada) and Ohio (United States). Olfactometry examined the olfactory response of three populations in Quebec (195 females) according to four host plants (carrot, celery, celeriac and parsley). Our results showed that geographic distance was an important factor in genetic differentiation between the regions sampled. GBS analyzes identify Nova Scotia as the most differentiated region of all populations, unlike COI mtDNA analyzes, which suggest recent differentiation. The host plant did not demonstrate a distinct genetic signature in Quebec, and the three populations tested did not show a marked preference for a host plant, apart from the carrot field population. Finally, these results suggest limited dispersal of the carrot weevil across North America.

Commercialisées depuis 1996, les plantes génétiquement modifiées produisant une toxine insecticide (toxine Cry) dérivée de Bacillus thuringiensis et appelées plantes Bt ciblent certains Lépidoptères ou Coléoptères ravageurs. Au fil des ans, les surfaces cultivées en plantes Bt sont de plus en plus importantes et contrôlent de larges populations d'insectes. Pour limiter le risque de développement de populations résistantes, une stratégie agricole appelée 'Haute Dose / Zone Refuge' est actuellement recommandée aux Etats-Unis par l'Environmental Protection Agency. Cette stratégie préventive nécessite la plantation d'une 'zone refuge' composée de plantes non-Bt utilisables par le ravageur ciblé et plantée à proximité de la 'zone Bt' qui synthétise une haute dose de toxine Cry. Mon projet de recherche s’inscrit dans le cadre de l’évaluation de l'efficacité de cette stratégie et s’articule en deux phases : une phase expérimentale et une phase théorique. La première se concentre sur la caractérisation en laboratoire de l'impact des toxines Cry sur la biologie d'un ravageur. Cette phase constitue un support au volet théorique : la mise au point d’un modèle mathématique évaluant l'efficacité de la stratégie HD/R. L'originalité de ce projet repose entre autre sur l'interactivité entre ces deux volets. Volet expérimental. Impact des toxines Cry sur la biologie de Plodia interpunctella. Nous évaluons séparément l'impact d'une gamme de concentrations de deux toxines Cry (CryXX et CryYY) sur une série de paramètres comportementaux et biologiques d'un insecte commun des denrées stockées: Plodia interpunctella (Hübner) (Lepidoptera : Pyralidae). Ces paramètres sont sélectionnés car leur variation pourrait avoir un impact sur l'efficacité de la stratégie HD/R dans le contrôle de la résistance. Il est donc pertinent de les quantifier pour intégrer dans le modèle des ordres de grandeur réalistes et générer des résultats qui ne sont pas uniquement basés sur des spéculations théoriques. Volet théorique A. Efficacité de la stratégie HD/R pour des plantes Bt synthétisant une ou deux toxines simultanément. La stratégie 'HD/R' a été développée pour prévenir la résistance envers les plantes Bt synthétisant une seule toxine. Or, depuis 2003, de nouvelles variétés de coton Bt synthétisant simultanément deux toxines Cry sont commercialisées (BollgardII® et WidestrikeTM). Nous évaluons, grâce au modèle que nous avons développé, l'efficacité de cette stratégie lors d'une utilisation exclusive de plantes Bt synthétisant une ou deux toxines. Volet théorique B. Impact du ralentissement du développement des insectes sur les plantes Bt sur l'efficacité de la stratégie HD/R. Le volet expérimental met en évidence un allongement de la durée du développement des larves se nourrissant sur une diète contaminée en toxine Cry. Ce ralentissement induit une séparation temporelle entre l'émergence des adultes de la zone Bt et de la zone refuge et perturbe une hypothèse principale de la stratégie HD/R: le croisement aléatoire entre adultes, indépendamment du génotype et de la zone d'origine. Dans ce troisième chapitre, nous étudions l'impact de la perturbation du croisement aléatoire sur l'efficacité de la stratégie HD/R. Nous testons également deux options pour optimiser la stratégie en cas d'asynchronie: l'utilisation de plantes Bt synthétisant une faible concentration en toxine (atténuant le décalage entre l'émergence des adultes) ou l'augmentation de la taille de la zone refuge (favorisant la survie des individus porteurs d'allèle de sensibilité et donc optimisant la dilution de la résistance à la génération suivante). Ce travail s'intègre dans une problématique actuelle et utilise des outils de biologie théorique (théories de la dynamique et de la génétique des populations) ainsi que le développement d'un modèle mathématique. Il apporte des éléments de réponse et de réflexion sur l'optimisation de la gestion de la résistance des insectes mais c'est aussi une illustration de la complémentarité entre la biologie expérimentale et théorique. / On the market since 1996, genetically modified plants synthesizing an insecticidal toxin (Cry toxin) stemmed from Bacillus thuringiensis, called Bt plants, target several insect pests (Lepidoptera or Coleoptera). Bt crops cover increasingly larger areas and control important pest populations The Insect Resistance Management Strategy (IRM) strategy currently recommended in the U.S.A. to limit the development of resistant populations is the High Dose / Refuge zone (HD/R) strategy. This pre-emptive strategy requires a refuge zone composed by non-Bt plants, usable by the target insect and in close proximity of the Bt zone synthesizing a high toxin concentration. My research project contributes to the effectiveness assessment of this HD/R strategy. It is structured on two main parts: an experimental, and a theoretical section. The first part characterizes the impact of Cry toxins on the biology of an insect pest. It is the basis of the theoretical part: the implementation of a mathematical model, which evaluates the effectiveness of the HD/R strategy. The originality of this project is based on the interactivity of these two components. Experimental section. Impact of the Cry toxins on the biology of Plodia interpunctella. We assess the impact of a range of concentrations of two Cry toxins (CryXX et CryYY) on several behavioural and biological parameters of a common pest of stored products: Plodia interpunctella (Hübner) (Lepidoptera : Pyralidae). These parameters are selected because their variation could influence the effectiveness of a HD/R strategy. So, it is important to quantify these parameters so that realistic values can be integrated in our model. The results of the model are thus not based on theoretical assumptions alone. Theoretical section A. Effectiveness of a HD/R strategy with Bt plants synthesizing one or two toxins. Initially, the HD/R strategy has been developed to limit the resistance towards Bt plants synthesizing one toxin. However, since 2003, new Bt cotton varieties synthesize two toxins simultaneously (BollgardII® et WidestrikeTM). We assess, with our model, the effectiveness of this strategy for Bt plants synthesizing one or two toxins. Theoretical section B. Impact of the slowing down of the insect development reared on Bt plants on the effectiveness of the HD/R strategy. The experimental part demonstrates that larvae reared on a Bt diet have a protracted development duration. The consequence of this is a temporal separation between adult emergence in the two zones (Bt zone and refuge zone). This could affect the main assumption of the HD/R strategy, i. e. random mating independently of the genotype and of the native zone. In this third chapter, we study the impact of random mating disruption on the effectiveness of a HD/R strategy. We test two options to optimise the strategy in case of asynchrony: the use of Bt plants synthesizing a lower toxin concentration (limiting emergence asynchrony) or increasing the refuge zone size (favouring the survival of insect carrying one or two susceptible allele and thus optimising the dilution of resistance at the next generation). This work is applied to a current issue. It uses some of the tools of theoretical biology (theories of population dynamics and population genetics) and develops a mathematical model. It provides some responses and some elements of thought about insect resistance management. It is also an illustration of the complementarity between experimental and theoretical biology.

La population canadienne-française a une histoire démographique unique faisant d’elle une population d’intérêt pour l’épidémiologie et la génétique. Cette thèse vise à mettre en valeur les caractéristiques de la population québécoise qui peuvent être utilisées afin d’améliorer la conception et l’analyse d’études d’épidémiologie génétique. Dans un premier temps, nous profitons de la présence d’information généalogique détaillée concernant les Canadiens français pour estimer leur degré d’apparentement et le comparer au degré d’apparentement génétique. L’apparentement génétique calculé à partir du partage génétique identique par ascendance est corrélé à l’apparentement généalogique, ce qui démontre l'utilité de la détection des segments identiques par ascendance pour capturer l’apparentement complexe, impliquant entre autres de la consanguinité. Les conclusions de cette première étude pourront guider l'interprétation des résultats dans d’autres populations ne disposant pas d’information généalogique. Dans un deuxième temps, afin de tirer profit pleinement du potentiel des généalogies canadienne-françaises profondes, bien conservées et quasi complètes, nous présentons le package R GENLIB, développé pour étudier de grands ensembles de données généalogiques. Nous étudions également le partage identique par ascendance à l’aide de simulations et nous mettons en évidence le fait que la structure des populations régionales peut faciliter l'identification de fondateurs importants, qui auraient pu introduire des mutations pathologiques, ce qui ouvre la porte à la prévention et au dépistage de maladies héréditaires liées à certains fondateurs. Finalement, puisque nous savons que les Canadiens français ont accumulé des segments homozygotes, à cause de la présence de consanguinité lointaine, nous estimons la consanguinité chez les individus canadiens-français et nous étudions son impact sur plusieurs traits de santé. Nous montrons comment la dépression endogamique influence des traits complexes tels que la grandeur et des traits hématologiques. Nos résultats ne sont que quelques exemples de ce que nous pouvons apprendre de la population canadienne-française. Ils nous aideront à mieux comprendre les caractéristiques des autres populations de même qu’ils pourront aider la recherche en épidémiologie génétique au sein de la population canadienne-française. / The French Canadian founder population has a demographic history that makes it an important population for epidemiology and genetics. This work aims to explain what features can be used to improve the design and analysis of genetic epidemiological studies in the Quebec population. First we take advantage of the presence of extended genealogical records among French Canadians to estimate relatedness from those records and compare it to the genetic kinship. The kinship based on identical-by-descent sharing correlates well with the genealogical kinship, further demonstrating the usefulness of genomic identical-by-descent detection to capture complex relatedness involving inbreeding and our findings can guide the interpretation of results in other population without genealogical data. Second to optimally exploit the full potential of these well preserved, exhaustive and detailed French Canadian genealogical data we present the GENLIB R package developed to study large genealogies. We also investigate identical-by-descent sharing with simulations and highlight the fact that regional population structure can facilitate the identification of notable founders that could have introduced disease mutations, opening the door to prevention and screening of founder-related diseases. Third, knowing that French Canadians have accumulated segments of homozygous genotypes, as a result of inbreeding due to distant ancestors, we estimate the inbreeding in French Canadian individuals and investigate its impact on multiple health traits. We show how inbreeding depression influences complex traits such as height and blood-related traits. Those results are a few examples of what we can learn from the French Canadian population and will help to gain insight on other populations’ characteristics as well as help the genetic epidemiological research within the French Canadian population.

Un individu est dit consanguin si ses parents sont apparentés et s’il existe donc dans sa généalogie au moins une boucle de consanguinité aboutissant à un ancêtre commun. Le coefficient de consanguinité de l’individu est par définition la probabilité pour qu’à un point pris au hasard sur le génome, l’individu ait reçu deux allèles identiques par descendance qui proviennent d’un seul allèle présent chez un des ancêtres communs. Ce coefficient de consanguinité est un paramètre central de la génétique qui est utilisé en génétique des populations pour caractériser la structure des populations, mais également pour rechercher des facteurs génétiques impliqués dans les maladies. Le coefficient de consanguinité était classiquement estimé à partir des généalogies, mais des méthodes ont été développées pour s’affranchir des généalogies et l’estimer à partir de l’information apportée par des marqueurs génétiques répartis sur l’ensemble du génome.Grâce aux progrès des techniques de génotypage haut-débit, il est possible aujourd’hui d’obtenir les génotypes d’un individu sur des centaines de milliers de marqueurs et d’utiliser ces méthodes pour reconstruire les régions d’identité par descendance sur son génome et estimer un coefficient de consanguinité génomique. Il n’existe actuellement pas de consensus sur la meilleure stratégie à adopter sur ces cartes denses de marqueurs en particulier pour gérer les dépendances qui existent entre les allèles aux différents marqueurs (déséquilibre de liaison). Dans cette thèse, nous avons évalué les différentes méthodes disponibles à partir de simulations réalisées en utilisant de vraies données avec des schémas de déséquilibre de liaison réalistes. Nous avons montré qu’une approche intéressante consistait à générer plusieurs sous-cartes de marqueurs dans lesquelles le déséquilibre de liaison est minimal, d’estimer un coefficient de consanguinité sur chacune des sous-cartes par une méthode basée sur une chaîne de Markov cachée implémentée dans le logiciel FEstim et de prendre comme estimateur la médiane de ces différentes estimations. L’avantage de cette approche est qu’elle est utilisable sur n’importe quelle taille d’échantillon, voire sur un seul individu, puisqu’elle ne demande pas d’estimer les déséquilibres de liaison. L’estimateur donné par FEstim étant un estimateur du maximum de vraisemblance, il est également possible de tester si le coefficient de consanguinité est significativement différent de zéro et de déterminer la relation de parenté des parents la plus vraisemblable parmi un ensemble de relations. Enfin, en permettant l’identification de régions d’homozygoties communes à plusieurs malades consanguins, notre stratégie peut permettre l’identification des mutations récessives impliquées dans les maladies monogéniques ou multifactorielles.Pour que la méthode que nous proposons soit facilement utilisable, nous avons développé le pipeline, FSuite, permettant d’interpréter facilement les résultats d’études de génétique de populations et de génétique épidémiologique comme illustré sur le panel de référence HapMap III, et sur un jeu de données cas-témoins de la maladie d’Alzheimer. / An individual is said to be inbred if his parents are related and if his genealogy contains at least one inbreeding loop leading to a common ancestor. The inbreeding coefficient of an individual is defined as the probability that the individual has received two alleles identical by descent, coming from a single allele present in a common ancestor, at a random marker on the genome. The inbreeding coefficient is a central parameter in genetics, and is used in population genetics to characterize the population structure, and also in genetic epidemiology to search for genetic factors involved in recessive diseases.The inbreeding coefficient was traditionally estimated from genealogies, but methods have been developed to avoid genealogies and to estimate this coefficient from the information provided by genetic markers distributed along the genome.With the advances in high-throughput genotyping techniques, it is now possible to genotype hundreds of thousands of markers for one individual, and to use these methods to reconstruct the regions of identity by descent on his genome and estimate a genomic inbreeding coefficient. There is currently no consensus on the best strategy to adopt with these dense marker maps, in particular to take into account dependencies between alleles at different markers (linkage disequilibrium).In this thesis, we evaluated the different available methods through simulations using real data with realistic patterns of linkage disequilibrium. We highlighted an interesting approach that consists in generating several submaps to minimize linkage disequilibrium, estimating an inbreeding coefficient of each of the submaps based on a hidden Markov method implemented in FEstim software, and taking as estimator the median of these different estimates. The advantage of this approach is that it can be used on any sample size, even on an individual, since it requires no linkage disequilibrium estimate. FEstim is a maximum likelihood estimator, which allows testing whether the inbreeding coefficient is significantly different from zero and determining the most probable mating type of the parents. Finally, through the identification of homozygous regions shared by several consanguineous patients, our strategy permits the identification of recessive mutations involved in monogenic and multifactorial diseases.To facilitate the use of our method, we developed the pipeline FSuite, to interpret results of population genetics and genetic epidemiology studies, as shown on the HapMap III reference panel, and on a case-control Alzheimer's disease data.

Tous les individus ne répondent pas de la même façon à un même traitement médicamenteux, tant sur le plan pharmacologique (efficacité) que sur le plan toxicologique (effets indésirables). Des facteurs génétiques affectant la pharmacocinétique et la pharmacodynamie des médicaments jouent un rôle déterminant dans cette variabilité interindividuelle de réponse. Certains de ces facteurs sont distribués de manière hétérogène entre les populations humaines. Ces différences s’expliquent en partie par des phénomènes d’adaptation locale des populations à leur environnement. Au cours de son histoire, l’homme a dû en effet faire face à des changements de son environnement chimique, qui ont entraîné des pressions de sélection naturelle sur les gènes intervenant dans la réponse de l’organisme aux xénobiotiques. Ce sont ces mêmes gènes qui, aujourd’hui, influencent la réponse aux médicaments.La formidable accélération des progrès de la génétique donne accès aujourd’hui à la variabilité génétique des populations humaines sur l’ensemble du génome, facilitant la découverte et la compréhension des mécanismes génétiques à l’origine des traits complexes comme la réponse aux médicaments. Les outils de la génétique des populations permettent notamment d’identifier des variants affichant un niveau de différenciation génétique inhabituel entre les populations humaines et de déterminer dans quelle mesure la sélection naturelle a joué un rôle dans les profils atypiques observés.Dans cette thèse, nous avons appliqué ces outils à des données de génotypage et de séquençage pour analyser les profils de différenciation génétique des populations humaines pour les gènes de la réponse aux médicaments. Nous avons ainsi démontré qu’une sélection positive récente en Asie de l’Est dans la région génomique du gène VKORC1 était responsable d’une hétérogénéité de distribution du variant fonctionnel de VKORC1, à l’origine des différences de sensibilité génétique aux anticoagulant oraux de type antivitamine K entre les populations humaines. Puis, en étendant notre analyse à l’ensemble des pharmacogènes majeurs, nous avons identifié de nouveaux variants potentiellement intéressants en pharmacogénétique pour expliquer les différences de réponse aux médicaments entre les populations humaines et les individus. Enfin, l’étude approfondie du gène NAT2 nous a permis de révéler un processus de sélection homogénéisante ciblant un variant fonctionnel associé à un phénotype d’acétylation très lent. Ces résultats soulignent l’influence déterminante de la sélection naturelle dans la variabilité de réponse aux médicaments entre les populations et les individus. Ils montrent l’apport de la génétique des populations pour une meilleure compréhension de la composante génétique de la réponse aux médicaments et des traits complexes. / Response to drug treatment can be highly variable between individuals, both in terms of therapeutic effect (efficacy) and of adverse reactions (toxicity).Genetic factors affecting drug pharmacodynamics and pharmacokinetics play a major role in this inter-individual variability. Some of these factors are heterogeneously distributed among human populations. Local adaptation of populations to their environment partly explained those differences. Indeed,during human evolution, populations had to cope with changes in their chemical environment that triggered selective pressures on genes involved in xenobiotic response. Those genes are the same ones that influence drug response today.The tremendous recent advances in genotyping and sequencing technologies now provide access to the genome-wide patterns of genetic variation in a growing number of human populations, facilitating our understanding of the genetic mechanisms underlying complex traits such as drug response. Population genetic tools allow the identification of variants showing an unusual pattern of genetic differentiation among human populations and the determination of the role played by natural selection in shaping the atypical patterns observed.In this thesis, we have applied these tools on both SNP-chip genotyping data and Next Generation Sequencing data to analyze the genetic differentiation patterns of human populations for genes involved in drug response. We show that a nearly complete selective sweep in East Asia in the genomic region of the VKORC1 gene is responsible for an heterogeneous distribution of theVKORC1 functional variant and can explain the inter-population genetic differences in response to oral anti-vitamin K anticoagulants. Extending the analysis to all major pharmacogenes, we have identified new variants of potential relevance to pharmacogenetics which could explain inter-population and inter-individual differences in drug response. Finally, by a comprehensive analysis of the NAT2 gene, we evidence a homogenizing selection process targeting a functional variant associated with a very slow acetylation phenotype. These results emphasize the crucial role of natural selection in the inter-population and inter-individual drug response variability.They also illustrate the relevance of population genetics studies for a better understanding of the genetic component underlying drug response and complex traits.

Invasive species represent a major challenge through their consequences on<p>biodiversity, human health and economy. Their effects are especially important on fragile and<p>unique insular biotas such as the Galápagos Islands. Ants in particular are keystone species<p>implicated in ecosystem functioning and biodiversity and they can be dramatic invaders. In<p>the Galápagos Islands, the tropical fire ant Solenopsis geminata is considered a high-impact<p>invasive species, though it remains surprisingly poorly studied. The objectives of this work<p>are to document the invasion of S. geminata in the Galápagos Islands by 1) updating its<p>distribution; 2) determining its reproduction and dispersal strategies and reconstruct its<p>invasion history throughout the archipelago and 3) evaluating its impact on the native fauna<p>(focusing on ants and arthropods communities and endemic land tortoises).<p>First, we added 66 new records of S. geminata in the Galápagos since 2008. It has<p>now been recorded on seven islands and 11 islets in a wide range of habitats, including<p>nesting sites of 24 endemic and/or endangered vertebrate species, for which it constitutes a<p>potential threat.<p>Secondly, by combining Bayesian clustering methods, coalescent-based scenario<p>testing using microsatellite data and historical records, we determined that genetic diversity<p>of populations of S. geminata collected in Galápagos Islands is significantly lower than the<p>genetic diversity of populations from native areas (Costa Rica). The Galápagos populations<p>form three clusters corresponding to an island or groups of islands. They appear to be the<p>result of a single introduction in the first half of the 19th century, probably from mainland<p>Ecuador, which acted as a bridgehead population to two subsequent introductions within the<p>archipelago, corresponding human colonization fluxes in the archipelago.<p>We sampled ants in all main habitats of Santa Cruz Island. Introduced ant species<p>were largely prevalent, and S. geminata was the dominant species and was associated with<p>low evenness of ant communties and lower abundance of native ants. We found that<p>Galápagos’ ant communities are determined by the vegetation type and altitude, but found<p>only little evidence for competitively structured assemblages, except in disturbed areas.<p>The arthropod diversity was investigated in two agricultural sites of Santa Cruz Island<p>by combining three complementary sampling techniques. More than half of the species were<p>either endemic or native, but introduced species constituted the majority of the catches.<p>Solenopsis geminata was by far the most abundant and common species.<p>Finally, we investigated the mortality of Cheloidis land tortoise’s eggs and hatchlings<p>in an area infested by S. geminata on Santa Cruz Island with regard to the abundance of fire<p>ants and the duration of incubation. Egg survival was negatively associated with longer incubation times but we found no direct relation between ant density and tortoise mortality<p>despite a high abundances of fire ants in the vicinity of the majority of the tortoise burrows.<p>Our work allows addressing ecological and genetical aspects of the invasion of S.<p>geminata in the Galápagos Islands. We analyzed our results in the light of an ecoevolutionary<p>framework presenting different invasion scenarios and discussed S. geminata<p>as an invasive ant. This provided us with information useful for the study and management of<p>this invasive species in the Galápagos Islands.<p>/<p>Les espèces invasives constituent un défi majeur à cause de leur impact sur la<p>biodiversité, la santé humaine et l’économie. Leurs effets sont particulièrement importants<p>sur les environnements insulaires fragiles et uniques comme les île Galápagos. Les fourmis<p>en particulièr sont des espèces clé de voûte du fonctionnement des écosystèmes et de la<p>biodiversité. Elles peuvent de ce fait devenir des envahisseurs spectaculaires. Dans les îles<p>Galápagos, la fourmi de feu tropicale Solenopsis geminata fait partie des espèces invasives<p>à haut impact et cependant elle a été étonnamment peu étudiée. Les objectifs de ce travail<p>consistent à documenter l’invasion de S. geminata dans l’archipel des Galápagos: 1) en<p>mettant à jour sa distribution; 2) en déterminant ses stratégies de reproduction et de<p>dispersion et en reconstruisant l’histoire de son invasion dans l’archipel et 3) en évaluant son<p>impact sur la faune native (particulièrement sur les communautés de fourmis et<p>d’arthropodes et sur les tortues terrestres endémiques).<p>Tout d’abord, nous avons ajouté 66 nouveaux relevés de S.geminata aux Galápagos<p>depuis 2008. À ce jour, la fourmi a été observée sur 7 îles et 11 îlots, et ce dans une grande<p>variété d’habitats. On la trouve également sur les sites de ponte de 24 espèces de vertébrés<p>endémiques ou en voie de disparition, qu’elle menace ainsi potentiellement.<p>Ensuite, en combinant des méthodes bayésiennes de regroupement et des<p>comparaisons de scénarios en se basant sur des séquences microsatellites et des données<p>historiques, nous avons montré que la diversité génétique des populations de S. geminata<p>des Galápagos est significativement inférieure à celle des populations des zones d’indigénat<p>(Costa Rica). Les populations des Galápagos - réparties en 3 groupes correspondant à une<p>île ou un groupe d’îles – sont le résultat d’une introduction unique ayant eu lieu dans la<p>première moitié du 19ème siècle. Elles proviennent vraisemblablement de l’Equateur<p>continental et constituent une population “tête de pont” pour deux introductions ultérieures au<p>sein de l’archipel. Ces mouvements correspondent aux flux de populations humaines.<p>Nous avons échantillonné les fourmis dans tous les principaux habitats de l’île de<p>Santa Cruz. Les fourmis introduites sont largement prévalentes. Solenopsis geminata<p>constitue l’espèce dominante et se trouve associée avec une faible équitabilité des<p>communautés de fourmis ainsi qu’avec une diminution de l’abondance des fourmis natives.<p>Nos résultats indiquent que les communautés de fourmis des Galápagos sont structurées<p>par le type de végétation et l’altitude, alors que les assemblages de fourmis ne sont pas<p>structurés compétitivement, à l’exception des zones perturbées.<p>Nous avons investigué la diversité arthropodienne de deux sites agricoles de l’île de<p>Santa Cruz en combinant trois méthodes d’échantillonnage complémentaires. Plus de la moitié des espèces collectées étaient soit endémiques, soit natives. Les espèces introduites<p>ont toutefois constitué la majorité des individus collectés. Solenopsis geminata était de loin la<p>plus abondante et la plus commune des espèces récoltées.<p>Enfin, dans une zones infestées par S. geminata sur l’île de Santa Cruz, nous avons<p>mis en relation la mortalité des oeufs et juvéniles de tortues terrestres Chelonoidis avec<p>l’abondance des fourmis de feu et la durée d’incubation des oeufs. Le taux de survie des<p>oeufs est négativement corrélé à leur durée d’incubation. Cependant, malgré de très hautes<p>abondances de fourmis de feu à proximité des nids de tortues, nous n’avons pas trouvé de<p>relation directe avec leur mortalité.<p>Pour conclure, ce travail aborde les aspects génétiques et écologiques de l’invasion<p>de la fourmi de feu tropicale dans les îles Galápagos. Nos résultats sont analysés au sein<p>d’un cadre éco-évolutif présentant différents scénarios d’invasion. Nous discutons également<p>de S. geminata en tant qu’espèce invasive. Nous espérons apporter des informations utiles<p>dans le cadre de l’étude et du contrôle de cette espèce invasive aux Galápagos. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished