Parmi les arthropodes, les tiques sont les plus importants vecteurs de pathogènes en termes de diversité et sont la première cause de transmission de maladies vectorielles en Europe et Amérique du Nord. Si ces pathogènes font l'objet de nombreux travaux, les tiques hébergent aussi d'autres symbiotes qui contribuent de manière importante à leur phénotype. Au cours des dernières années, de nombreuses bactéries symbiotiques ont ainsi été recensées chez les tiques. Parmi celles-ci des bactéries présentant une forte homologie avec Coxiella burnetii ont été découvertes. Contrairement à C. burnetii, l'agent responsable de la fièvre Q, les Coxiella-like endosymbiotiques (Coxiella-LE) ne semblent pas capables d'infecter d'autres hôtes que les tiques. Elles font partie des symbiotes à transmission maternelle les plus répandus chez les espèces de tiques et pourraient jouer un rôle important dans la biologie de ces arthropodes. Des premiers éléments suggèrent en effet, que les Coxiella-LE pourraient avoir un rôle nutritionnel en synthétisant vitamines B et cofacteurs absents de l'alimentation de leur hôte tique. Pour comprendre les relations entretenues entre les Coxiella-LE et leurs hôtes je me suis intéressé,au cours de mes travaux de thèse, a l'évolution du genre Coxiella. Pour cela des approches d'analyses phylogénétiques et de génomique comparative ont été utilisées. J'ai ainsi participe à l'établissement de la phylogénie du genre Coxiella par Multi-Locus Sequence Typing (MLST), qui a permis de mettre en évidence la diversité de ce genre bactérien. De manière intéressante C. burnetii émerge au sein d'un de ces clades de bactéries endosymbiotiques de tiques, ce qui semble témoigner d'une récente transition vers la pathogénie. Nous avons séquencé deux nouveaux génomes de Coxiella-LE afin de réaliser une étude de génomique comparative. Tous les génomes de Coxiella étudiés, y compris ceux de C. burnetii, possèdent les gènes nécessaires à la biosynthèse des vitamines B et des cofacteurs, retrouvés habituellement chez les symbiotes nutritionnels d'arthropodes hématophages. Cette découverte renforce l'idée d'un rôle important des Coxiella-LE pour leur hôte tique et, d'après la phylogénie, l'ancêtre commun de ces bactéries serait donc un endosymbiote mutualiste de tique. Pourtant des traces de gènes impliqués dans la virulence de Coxiella burnetii ont été retrouvées dans des génomes appartenant à des clades distincts de Coxiella-LE, ce qui semble plutôt indiquer des pertes récurrentes de la virulence. De plus, différents niveaux d'érosion génomique sont retrouvés dans les génomes de Coxiella-LE étudiés, ce qui indiquerait de fréquents transferts d'hôtes. De tels transferts expliqueraient l'absence de co-cladogenese entre la phylogénie des Coxiella-LE et celle de leur hôte, une caractéristique originale pour un symbiote qui semble obligatoire. Par ailleurs, plusieurs symbiotes à transmission maternelle peuvent être retrouvés chez les tiques, le deuxième axe de ma thèse s'intéresse à l'impact de ces co-infections. Pour cela une population de tiques appartenant à l'espèce Dermacentor marginatus a été étudiée. Cette espèce est, en effet, fréquemment infectée par des bactéries Coxiella-LE, Rickettsia et Spiroplasma et différents statuts d'infection peuvent être observés chez les individus. Aucune compétition n'a été démontrée entre ces bactéries, puisqu’aucune n'interfère avec la transmission et la densité des autres. Néanmoins, en cas de triple infection, la valeur adaptative des hôtes est fortement diminuée avec une réduction importante de leur taille (10%). La transmission verticale de ces symbiotes n'étant pas complète, il devient alors difficile de comprendre comment ces bactéries atteignent de si fortes prévalences au sein de la population avec des coûts associés aussi importants [etc…] / Among arthropods, ticks are the most important vectors of pathogens in terms of diversity and are the leading cause of transmission of vector-borne diseases in Europe and North America. While these pathogens are the most studied, ticks also harbor other symbionts that contribute significantly to their phenotype. Recently many symbiotic bacteria have been described in ticks. Among them, bacteria exhibiting strong homology with Coxiella burnetii have been discovered. Unlike C. burnetii, the causative agent of Q fever, Coxiella-Like Endosymbiont (Coxiella-LE) seems unable to infect other hosts than ticks. They are among the most widespread maternally-inherited symbionts in tick species and could play an important role in their biology. Coxiella-LE may indeed have a nutritional role by synthesizing B vitamins and cofactors absent from their host's diet. To understand the interaction between Coxiella-LE and their hosts, my thesis work focused on the evolution of the Coxiella genus. For this purpose, phylogenetic analyzes and comparative genomic approaches have been carried out. I have participated in the establishment of the phylogeny of the Coxiella genus by Multi-Locus Sequence Typing (MLST), which highlights the diversity of this bacterial genus. Interestingly C. burnetii emerges within one of these clads of tick endosymbiotic bacteria, which may suggest a recent transition towards pathogenicity. Two new genomes of Coxiella-LE were sequenced to perform comparative genomic analyses. All Coxiella genomes studied, including those of C. burnetii, possess the genes encoding for the biosynthesis of B vitamins and cofactors, as usually found in nutritional symbionts of blood-sucking arthropods. This result strengthens the idea of an important role of Coxiella-LE for their host ticks and, according to the phylogeny, the common ancestor of these bacteria was therefore a mutualistic tick endosymbiont. However, traces of genes involved in the virulence of C. burnetii have been found in genomes belonging to distinct clads of Coxiella-LE, which rather indicate recurrent losses of virulence. Moreover, different levels of genomic erosion are found in the genomes of Coxiella-LE studied, which could indicate different transitions towards the mutualistic way of life. Such recurrent transfers would explain the absence of cocladogenesis between Coxiella-LE and their host phylogeny, an uncommon feature for an obligatory symbiont. As several maternally-inherited symbionts can be found in ticks, the second axis of my thesis has focused on the impact of co-infections. For this purpose, a population of ticks belonging to the species Dermacentor marginatus was studied. This species is frequently infected with Coxiella-LE, Rickettsia and Spiroplasma bacteria and different infection status can be observed in individuals from a single population. No competition has been demonstrated between these bacteria, since none interferes with the transmission and density of the others. However, in case of triple infection, the fitness of the host appears greatly reduced with a significant reduction in size (10%). Since vertical transmission of these symbionts is incomplete, understanding how these symbionts and co-infections are maintained despite this significant cost remains an open question. If the symbiotic strategies of these symbionts are still unknown, it is likely that their transmission is not only maternal, but also horizontal [etc…]

Les répertoires de gènes sont des objets extrêmement dynamiques : Des gènes sont dupliqués et perdus, transférés d’un génome à l’autre et des nouveaux gènes sont créés. L’étude de ces processus et de leur impact sur l’évolution des répertoires de gènes est fondamentale pour notre compréhension de l’énorme diversité de la vie sur terre. J’ai reconstruit les familles des gènes homologues chez les levures du clade Lachancea et je les ai classées en trois catégories selon leur présence chez les espèces en dehors du clade en: transmises verticalement (98.2 %), transmises horizontalement (0.15 %) et spécifiques aux Lachancea (1.63 %). Ensuite, j’ai reconstruit l’évolution de chaque famille de gènes le long de l’arbre phylogénétique des Lachancea en terme de gains et de pertes depuis l’origine du clade. Mes résultats suggèrent que les réarrangements chromosomiques balancés (translocations, inversions) peuvent interrompre, au niveau de leurs points de cassure, la séquence codante des gènes, et entraîner jusqu’à 14 % des pertes de gènes observées (rupture de gène). En outre, j’ai observé des corrélations entre le taux de divergence des séquences codant pour des protéines et les taux de duplication de gènes, de translocations et d’inversions, et de rupture de gène, suggérant l’existence d’une horloge génomique qui coordonnerait ces processus. Par la suite, je me suis focalisé sur l’émergence de nouveaux gènes de novo à partir de séquences non-codantes, dont l’impact global sur les génomes n’est pas encore connu. J’ai pour cela analysé les gènes taxonomiquement restreints aux levures des clades Lachancea et Saccharomyces sensu stricto et j’ai pu identifier un ensemble de 596 gènes ayant fort probablement émergé de novo. Le taux d’émergence de novo est constant chez les levures au sein du même clade mais varie d’un ordre de grandeur entre les 2 clades (2.8 gènes/ma chez les Saccharomyces et 0.27 gènes/ma chez les Lachancea). Ces nouveaux gènes sont distribués uniformément sur les chromosomes. Ils sont le plus souvent orientés de façon divergente par rapport à leur voisin en 5’, ce qui suggère que leur transcription pourrait être initiée au niveau de promoteurs divergents, favorisant ainsi la transition d’une séquence intergénique non transcrite à une séquence codante transcrite (puis traduite). Enfin, j’ai montré que dans certains cas, seul un petit nombre de mutations permettent la création d’un gène bien adapté à son environnement génomique, en comparaison avec des gènes plus «anciens». Cela signifie que sous certaines conditions la transition d’une séquence non-codante vers une séquence codante peut être relativement rapide. Globalement, mes résultats suggèrent que l’émergence de novo est un processus évolutif non négligeable, représentant une source importante de création de nouvelles protéines. / Gene repertoires are highly dynamic : Genes are duplicated, lost, transferred from one genome toanother and new genes are formed. Studying these processes and how they shape gene repertoireevolution is fundamental to our understanding of how the enormous diversity of life on earth came to be. I reconstructed the homologous gene families of the yeasts of the Lachancea genus and categorized them based on their conservation in species outside the genus into vertically inherited (98.2%), horizontally transferred (0.15%) and taxonomically restricted (1.63%). Then, I inferred the evolution of each family along the genus’ phylogeny and identified the gene gain and loss events that occurred since the genus’ origin. I found that balanced chromosomal rearrangements may be responsible for up to 14% of gene losses by disrupting the coding sequence at their breakpoints and detected 3 cases with clear traces of the disruption at the sequence level. Additionally, I found that correlations exist between the rate of protein-coding sequence divergence and the rates of gene duplication, chromosomal inversions and translocations, and gene disruptions by balanced rearrangements, suggesting the existence of a genomic clock coordinating these processes. Next, I focused on the emergence of new genes de novo from non-coding sequences, a process whose overall impact remains a matter of debate. I thus analyzed taxonomically restricted genes in the two model yeast genera Lachancea and Saccharomyces sensu stricto and identified a robust set of 596 genes that have likely emerged de novo. I found that de novo emergence rates are constant among yeasts of the same genus but differ by an order of magnitude between the two genera with 2.8 genes/my in the Saccharomyces and 0.27 genes/my in the Lachancea. De novo genes are uniformly distributed on yeast genomes and are found divergently oriented relative to their 5’ neighbors suggesting that divergent transcription might play a role in their transition from non-transcribed intergenic sequences to transcribed (and translated) coding sequences. Moreover, through specific examples I was able to show that a few enabling mutations are sufficient for a young de novo gene to emerge already well-adapted relative to older genes, indicating that the transition from non-coding to coding can happen rapidly. Overall, my results support de novo emergence as a ubiquitous evolutionary process and a potent source of novel proteins.

Hamiltonella defensa est un endosymbiote secondaire ayant établi deux associations très distinctes chez les insectes phloémophages. Chez les pucerons, la bactérie protège l'hôte contre les parasitoïdes. Elle infecte de nombreux tissus dans l'hôte, et notamment l'hémolymphe, ce qui favoriserait le contact avec les oeufs de parasitoïdes. Malgré ce phénotype protecteur, les coûts importants que sa présence inflige à son hôte empêchent sa fixation dans les populations. Chez l'aleurode Bemisia tabaci, on ne retrouve la bactérie que dans des cellules spécialisées dans l'hébergement des endosymbiotes, les bactériocytes. Elle s'y trouve entre autres en présence du symbiote primaire, Portiera aleyrodidarum, des conditions de vie propices aux échanges entre les deux symbiotes. Elle est fixée dans les populations d'insectes, ce qui suggère un rôle important pour le consortium, qui serait nutritif. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux spécificités de chacun de ces systèmes. Nous nous sommes également attardés sur l'évolution génomique du genre Hamiltonella, en comparant des souches infectant B. tabaci à une souche de puceron. Pour finir, nous nous sommes intéressés aux phénomènes d'accélération des taux de mutations chez H. defensa, comparativement à son espèce-soeur Regiella insecticola, également endosymbiotique et protectrice du puceron. Après avoir éliminé l'hypothèse selon laquelle la transition vers la vie intracellulaire aurait eu lieu indépendamment dans les deux lignées, nous avons tenté d'établir un lien entre ces différentiels d'évolvabilité chez les endosymbiotes et leur contenu en gènes, notamment ceux impliqués dans l'écologie et la réparation de l'ADN. L'ensemble des résultats obtenus au cours de ce Doctorat ont permis de mieux comprendre l'évolution de l'espèce H. defensa, depuis le dernier ancêtre jusqu'aux espèces actuelles, en tâchant de faire le lien entre phénotype de la bactérie et évolution génomique / Hamiltonella defensa is a secondary endosymbiont that established two distinct associations with phloemophagous insects. In aphids, it protects the host against parasitoid attacks. Its ability to infect many host tissues, notably the hemolymph, could promote its contact with parasitoid eggs. Despite this protective phenotype, the high costs associated with its presence within the host prevent its fixation in the population. In the whitefly Bemisia tabaci however, this symbiont is found only in cells specialized in hosting endosymbionts, the bacteriocytes. In these cells, it cohabits with other symbiotic species, such as the primary symbiont Portiera aleyrodidarum, a proximity that favors potential exchanges between the two symbionts. It is fixed in populations of B. tabaci, which suggests an important role for the consortium, probably nutritious. As part of this PhD thesis, we studied the specificities of each of these systems. We also focused on the genomic evolution of the genus Hamiltonella, by comparing the strains infecting B. tabaci with a strain infecting the aphids. Finally, we studied the phenomenon of ‘accelerated mutation rate’ in H. defensa, compared to its sister species Regiella insecticola, which is also a clade of protective endosymbionts of aphids. After excluding the assumption that the transition to the intracellular life occurred independently in the two lineages, we tried to establish a link between these differences in terms of evolvability in the endosymbionts and of their gene contents, particularly for genes involved in ecology and DNA repair. All the results obtained during this PhD have provided insight into the evolution of the species H. defensa, since the last ancestor to the present species, by establishing a link between bacterial phenotype and genomic evolution

Les Spartines jouent un rôle écologique majeur sur les marais salés. Elles représentent un excellent modèle pour appréhender les conséquences écologiques de la spéciation par hybridation et polyploïdie dans le contexte d'invasion biologique. On s'intéresse plus particulièrement, à l'hybridation récente entre une espèce hexaploïde d'origine américaine Spartina alterniflora et une espèce hexaploïde européenne S. maritima ayant donnés deux hybrides F1 (S. x townsendii et S. x neyrautii) et la nouvelle espèce envahissante allododécaploïde (S. anglica). Les nouvelles technologies de séquençage haut-débit facilitent l'exploration de ces génomes peu connus. L'assemblage et l'annotation d'un transcriptome de référence ont permis d'annoter 16 753 gènes chez les spartines hexaploïdes et d'identifier des gènes d'intérêts écologique et évolutif. Une sélection de ces gènes a ensuite été analysée à travers une étude d'expression par PCR quantitative sur les populations naturelles des 5 espèces du complexe. Les résultats ont permis de mettre en évidence une expression homogène intra-populations mais une grande variabilité entre les espèces. L'analyse du génome des Spartines a ciblé prioritairement le développement de ressources génomiques concernant l'espèce S. maritima pour l'analyse des compartiments codant et répété à l'aide de séquençage d'une banque BAC et d'un run de pyroséquençage d'ADN génomique. Les analyses ont permis d'évaluer une proportion d'éléments répétés représentant près de 30% du génome. Les données générées ont alors été comparées avec les génomes séquencés phylogénétiquement proches et ont permis de premières comparaisons entre les spartines et les autres Poaceae. / Spartina species play an important ecological role on salt marshes. They represent an excellent system to study the ecological consequences of hybrid and polyploid speciation in biological invasion contexts. In this study, we examined the effects of hybridization between the hexaploid American-native species Spartina alterniflora and the European species S. maritima, that gave rise to two F1 hybrids (S. x townsendii in England et S. x neyrautii in France) and the new invasive allododecaploid species (S. anglica). Next-generation sequencing technologies offer new perspectives to explore these previously poorly known genomes. The assembly of a reference transcriptome (from 454 Roche pyrosequencing) allowed annotation of 16,753 genes in hexaploid Spartina and identification of ecologically and evolutionary important genes. Expression levels of a subset of these genes were analyzed by quantitative PCR in Spartina natural populations. The results indicate intrapopulation homogenous expression but extreme variability between species. The European S. maritima beneficiated from genomic resource development through a BAC library and one pyrosequencing run. Our analyses estimated the relative proportions of repetitive sequences as about 30% and have identified the main transposable element families Data generated were also compared to closely related sequenced species and provided the first insights into the evolution of Spartina genomes in the Poaceae family.

Selon une vision populaire, l’évolution serait un processus de « progrès » qui s’accompagnerait d’un accroissement de la complexité moléculaire des êtres vivants. Cependant, les programmes de séquençage des génomes ont révélé l’existence d’espèces dont les lignées ont, au contraire, subi une réduction massive de leur génome. Ainsi, chez les cyanobactéries Prochlorococcus et Pelagibacter ubique, certaines lignées ont subi une réduction de 30% de leur génome. Une telle évolution « à rebours », dite évolution réductive, avait déjà été observée pour des bactéries endosymbiotiques, pour lesquelles la sélection naturelle n’est pas assez efficace pour éliminer les mutations délétères comme les pertes de gènes. Cela vient notamment du fait que ces bactéries endosymbiotiques subissent, à chaque reproduction de leur hôte, une réduction drastique de leur taille de population. Cette explication semble peu plausible pour des cyanobactéries marines comme Prochlorococcus et Pelagibacter, qui ont un mode de vie libre et qui font partie des bactéries les plus abondantes des océans. D’autres hypothèses ont ainsi été proposées pour expliquer l’évolution réductive comme l’adaptation à un environnement stable et pauvre en nutriments, des forts taux de mutation, mais aucun de ces hypothèses ne semble capable d’expliquer toutes les caractéristiques génomiques observées. Dans cette thèse, nous nous intéressons au cas de l’évolution réductive chez Prochlorococcus, pour laquelle de nombreuses séquences et données sont disponibles. Deux approches sont utilisées pour cette étude : une analyse phylogénétique des génomes de Prochlorococcus, et une approche théorique de simulation où nous testons différents scénarios évolutifs pouvant conduire à une évolution réductive. La combinaison de ces deux approches permet finalement de proposer un scénario plausible pour expliquer l'évolution réductive chez Prochlorococcus. / Given a popular view, evolution is an incremental process based on an increase of molecular complexity of organisms. However, some organisms have undergo massive genome reduction like the endosymbionts. In this case the reduction can be explained by the Muller’s ratchet due to the endosymbiont lifestyle with small population and lack of recombination. However, in some marine bacteria, like Prochlorococcus et Pelagibacter, lineage have undergo up to 30% of genome reduction. Their lifestyle is almost the opposite to the one of the endosymbionts and reductive genome evolution can not be easily explicable by the Muller’s ratchet. Some other hypothesis has been proposed but none can explain all the observed genomic characteristics. In the thesis, I am interested in the reductive evolution of Prochlorococcus. I used two approaches: a theoretical one using simulation where different scenarios are tested and an analysis of Prochlorococcus genomes in a phylogenetic framework to determine the causes and characteristics of genome reduction. The combination of these two approaches allows to propose an hypothetical evolutive history for the reductive genome evolution of Prochlorococcus.

Les bactéries pathogènes opportunistes de l'Homme (bpo) sont retrouvées dans le milieu hospitalier où elles sont responsables d'infections nosocomiales ainsi que dans les milieux naturels terrestres et aquatiques. Elles présentent souvent des résistances intrinsèques aux antibiotiques élevées. En milieu clinique, l'usage intensif d'antibiotiques peut conduire à l'émergence de souches dites « Multi Drug Resistant ». L'anthropisation des milieux naturels peut également influencer la prévalence et les propriétés de résistance des bpo. Mes travaux ont porté sur l'impact de l'épandage d'amendements organiques sur la prévalence de bpo dans les sols, leur diversité génétique et leurs propriétés de résistance aux antibiotiques. Une étude des espèces Stenotrophomonas maltophilia, Pseudomonas aeruginosa et Burkholderia du « cepacia complexe » (Bcc) réalisée sur des sites du Burkina-Faso amendés ou non en déchets urbains bruts a mis en évidence des différences dans les propriétés de résistance des 3 modèles. S. maltophila présente fréquemment des phénotypes MDR contrairement à P. aeruginosa et aux Bcc. Une approche de génomique comparative entre souches de S. maltophilia d'origine environnementale ou clinique et de phénotypes sensibles à MDR a été réalisée afin d'élucider l'origine génétique de l'hétérogénéité des phénotypes de résistance. Une variation dans le contenu en pompes à efflux et la présence de pompes souche spécifique chez des souches environnementales ont été observées. L'étude de l'expression d'une de ces pompes confirme son implication dans la résistance aux antibiotiques et dans l'adaptation à des paramètres environnementaux tels que la température / Opportunistic bacterial pathogens (obp) of Man are found in hospital setting where they are responsible for nosocomial infections as well as in terrestrial and aquatic natural environments. Obp often show high intrinsic antibiotic resistance level. Moreover, the intensive use of antibiotics in clinical settings can lead to the emergence of "Multi Drug Resistant" strains. The anthropisation of the natural environment leads to modifications in bacterial diversity of these environments and can affect the prevalence and the antibiotic resistance properties of obp. My research focused on the impact of organic amendments on the prevalence, genetic diversity and antibiotic resistance properties of obp. A study on the species Stenotrophomonas maltophilia, Pseudomonas aeruginosa and the “Burkholderia cepacia complex" (Bcc) was conducted on sites in Burkina Faso amended or not with raw urban wastes. This study showed differences in antibiotic resistance properties between the 3 models. S. maltophila frequently showed MDR phenotypes unlike P. aeruginosa and Bcc. A comparative genomics study between S. maltophilia strains from environmental or clinical origin showing sensitive or MDR phenotypes was performed to elucidate the genetic origins of heterogeneity in the resistance phenotypes. A variation in the efflux pumps content was observed between strains. The expression of an efflux pump specific to an environmental MDR strain was then evaluated and confirmed its likely involvement in antibiotic resistance and adaptation to environmental parameters such as temperature

Pour mieux saisir les liens complexes entre génotype et phénotype, une méthode utilisée consiste à étudier les relations entre différents éléments biologiques (entre les protéines, entre les métabolites...). Celles-ci forment ce qui est appelé un réseau biologique, que l'on représente algorithmiquement par un graphe. Nous nous intéressons principalement dans cette thèse au problème de la recherche d'un motif (multi-ensemble de couleurs) dans un graphe coloré, représentant un réseau biologique. De tels motifs correspondent généralement à un ensemble d'éléments conservés au cours de l'évolution et participant à une même fonction biologique. Nous continuons l'étude algorithmique de ce problème et de ses variantes (qui admettent plus de souplesse biologique), en distinguant les instances difficiles algorithmiquement et en étudiant différentes possibilités pour contourner cette difficulté (complexité paramétrée, réduction d'instance, approximation...). Nous proposons également un greffon intégré au logiciel Cytoscape pour résoudre efficacement ce problème, que nous testons sur des données réelles.Nous nous intéressons également à différents problèmes de génomique comparative. La démarche scientifique adoptée reste la même: depuis une formalisation d'un problème biologique, déterminer ses instances difficiles algorithmiquement et proposer des solutions pour contourner cette difficulté (ou prouver que de telles solutions sont impossibles à trouver sous des hypothèses fortes)

L'élucidation des liens réciproques unissant le génotype et le phénotype constitue un objectif central de la biologie moderne. De nombreux aspects de l'évolution à l'échelle moléculaire sont ainsi connus pour répondre aux caractéristiques démographiques ou d'histoire de vie des espèces. En particulier, la théorie quasi-neutre postule que les petites populations accumulent davantage de substitutions faiblement délétères dans leur génome, en raison d'une dérive génétique accrue. La composition en bases, à travers le mécanisme de la conversion génique biaisée, s'est également révélée obéir à l'influence de paramètres macroscopiques. Cependant, l'élaboration et la vérification empirique de ces théories se sont bien souvent fondées sur une gamme limitée de groupes d'organismes, incluant principalement les mammifères. Dans cette thèse, sur la base de l'étude comparative de plusieurs dizaines de transcriptomes, nous avons étendu à l'échelle des amniotes la compréhension des déterminants des patrons moléculaires observés. Grâce à l'analyse simultanée des principaux clades de reptiles, oiseaux et mammifères, nous avons pu confirmer et généraliser le rôle majeur de la taille efficace des populations sur la capacité des espèces à purger les changements d'amino-acide désavantageux, tout en exhibant un comportement inattendu du ratio dN/dS chez les oiseaux – soulevant au passage une énigme stimulante. La conversion génique biaisée est apparue comme le principal moteur de l'évolution du taux de GC des séquences codantes chez les vertébrés, y compris chez les reptiles et les poissons, dont la composition génomique homogène en avait masqué l'action. En parallèle, l'exploitation des relations entre traits d'histoire de vie et paramètres moléculaires nous a permis de réaliser de nouvelles avancées concernant l'objectif de reconstruction des masses ancestrales, pour lequel nous nous sommes focalisés sur l'ordre des cétartiodactyles, qui se caractérise aujourd'hui par une majorité de grosses espèces (comme le chameau, la girafe ou les cétacés). L'analyse combinée du marqueur mitochondrial, encore jamais testé, et des marqueurs nucléaires, incluant une vingtaine de transcriptomes nouvellement séquencés, a témoigné en faveur du résultat singulier d'un ancêtre cétartiodactyle de petite taille, comme suggéré par la paléontologie, démontrant ainsi le potentiel prometteur des données de séquence à dévoiler le passé des organismes. / Understanding the reciprocal influence between genotype and phenotype has been a long-standing goal of modern biology. Many aspects of evolution at the molecular level are well known to respond to demographic or life history characteristics of species. In particular, the nearly-neutral theory postulates that small populations accumulate a heavier load of slightly deleterious substitutions in their genome as a result of increased genetic drift. Base composition has also been shown to reflect the influence of macroscopic parameters through the mechanism of GC-biased gene conversion. However, the development and empirical validation of these theories are mostly based on a restricted diversity of organisms, in which mammals stand as a major contributor. In this thesis, using a comparative approach and tens of transcriptomes, we aimed at extending to Amniota our understanding of the determinants of molecular evolutionary patterns. With the incorporation of all clades of reptiles, we confirmed the major role of the effective population size on species ability to purge deleterious amino-acid changes, while revealing a paradoxical response of the dN/dS ratio in birds, raising a stimulating enigma. The biased gene conversion also emerged as the main driver of coding sequence GC content in vertebrates, including reptiles and fishes, whose genomic homogeneity had kept its signal hidden for long. In parallel, the relations between life-history traits and molecular parameters have enabled us to investigate and make progress in the field of ancestral body mass reconstruction. We focused on the Cetartiodactyla order, a group which is mainly characterized by large extant species (such as camel, giraffe or whales). The combined analysis of the yet untested mitochondrial marker and nuclear genes, including 21 newly sequenced transcriptomes, testified in favor of the singular result of a small cetartiodactyl ancestor, in agreement with the palaeontological record, demonstrating the strong potential of DNA sequences to reveal the past of organisms.

La maladie de la rouille foliaire du peuplier causée par des champignons du genre Melampsora (Pucciniales, Basidiomycètes) affecte largement les peupleraies en France. Ces champignons possèdent des cycles de vie complexes et infectent deux hôtes différents. La sécrétion de molécules appelées effecteurs est nécessaire lors du processus d'infection par le champignon afin de manipuler les processus de l’hôte et de contourner son immunité. La compréhension de leur rôle est centrale en phytopathologie moléculaire. Au cours de cette thèse, l’analyse du transcriptome de Melampsora larici-populina (Mlp) au cours de son cycle sexué lors de l'infection des deux hôtes, le peuplier et le mélèze, révèle la présence d'une majorité de gènes exprimés communément chez les deux hôtes et d'une fraction exprimée spécifiquement chez chaque hôte, notamment des gènes codant des effecteurs candidats. Des cribles fonctionnels réalisés sur un répertoire d’effecteurs candidats de Mlp ont révélé deux candidats d’intérêt. L’effecteur MLP124017 interagit avec des protéines de la famille TOPLESS-RELATED PROTEINS et présente une structure similaire à des protéines NUCLEAR TRANSPORT FACTOR 2 LIKE. L'effecteur MLPCTP1 est localisé dans les chloroplastes en système hétérologue tabac et chez le peuplier. Les fonctions de ces effecteurs restent à élucider mais ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives quant à la diversité et au rôle des effecteurs chez les Pucciniales. L'analyse préliminaire du génome de M. allii-populina montre des répertoires comparables en gènes et en effecteurs candidats par rapport à Mlp ainsi qu'une expansion de la taille du génome due à l’invasion par des éléments transposables / The poplar rust disease is caused by fungi belonging to the Melampsora genus (Pucciniales, Basiodiomycota) that cause important damages in poplar plantations in France. These fungi achieve their complex life cycles on two different host plants. The secretion of molecules called effectors that alter cell processes and impair immunity are required to set a successful infection. A central theme of molecular phytopathology is to understand how these molecules function in the host cell. In this PhD thesis, the transcriptome analysis of M. larici-populina (Mlp) during its sexual cycle while infecting its two host plants, poplar and larch, revealed a majority of genes commonly expressed on both hosts and a fraction specifically expressed on each host, including genes encoding candidate effectors. Effectoromic screens developed on a panel of Mlp candidate effectors revealed two candidates of interest. The candidate effector MLP124017 interacts with proteins of the TOPLESS-RELATED PROTEINS family and presents a structure similar to NUCLEAR TRANSPORT FACTOR 2 LIKE proteins. The MLPCTP1 effector is translocated inside chloroplasts of the heterologous plant tobacco and poplar. The functions of these two effectors remain to be determined but the functional characterization initiated in this thesis opens new perspectives in term of diversity and roles of effectors in Pucciniales. The preliminary analysis of the M. allii-populina genome shows similar repertoires of genes and candidate effector genes compared with Mlp as well as an increased genome size due to transposable elements invasion

Xanthomonas albilineans est la bactérie responsable de l'échaudure des feuilles, une maladie vasculaire et létale de la canne à sucre. Cette plante, domestiquée depuis plus de 5000 ans, est aujourd'hui cultivée sur près de 26 millions d'hectares. Depuis le début du 20ème siècle, les variétés naturelles de canne à sucre ont été remplacées par des variétés hybrides issues de croisements artificiels et présentant des caractères agronomiques plus intéressants. La transmission de X. albilineans est essentiellement liée au mode de multiplication par bouturage de la canne à sucre, les boutures produites à partir d'un plant infecté ayant de fortes chances d'être contaminées. L'utilisation d'outils de coupe favorise également la transmission de la bactérie à partir d'un plant infecté. Une transmission aérienne a toutefois été décrite pour au moins un groupe génétique de souches de X. albilineans appelé PFGE-B et caractérisé à l'aide de la technique d'électrophorèse en champ pulsé. Mon sujet de thèse visait, par une étude de génomique comparative et évolutive sur plusieurs souches de X. albilineans, à, d'une part, comprendre l'histoire de l'association de cette bactérie avec la canne à sucre, et, d'autre part, identifier des gènes candidats qui pourraient expliquer la pathogénie de X. albilineans et la capacité des souches du groupe PFGE-B à être transmises par voie aérienne.En comparant 12 souches de X. albilineans appartenant à neuf groupes PFGE différents, j’ai construit une phylogénie solide proposant l'existence de huit lignées regroupées en deux clades. Cette phylogénie a été confirmée en utilisant trois méthodes de phylogénomique différentes. De façon intéressante, cette phylogénie permet de proposer des hypothèses sur l'évolution de X. albilineans et sur l'introduction de cette bactérie chez la canne à sucre. L'analyse des gènes présents dans le génome de ces 12 souches appartenant à neuf groupes PFGE différents m'a également permis d'identifier un système RM (restriction/modification) qui n'est présent que chez les souches PFGE-B et qui pourrait expliquer pourquoi ces souches sont plus résistantes aux phages que celles appartenant aux autres groupes PFGE. En facilitant la survie des bactéries dans l'environnement, cette résistance aux phages pourrait jouer un rôle important dans la transmission aérienne.La comparaison de 11 souches de X. albilineans appartenant au groupe PFGE-B m'a permis de construire, à partir de 67 SNP (Single Nucleotide Polymorphism), une phylogénie qui indique que les Caraïbes, où la canne à sucre n'a été introduite qu'à la fin du 15ème siècle, pourraient être un centre de dispersion des souches PFGE-B. Cette étude a également mis en évidence un polymorphisme au niveau des spacers d'un locus CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats system). L'étude de ce polymorphisme sur 18 souches de X. albilineans non séquencées a permis de démontrer que les souches de Floride sont originaires des Caraïbes et de proposer des hypothèses concernant l'origine des souches PFGE-B d’autres régions du monde, même si le séquençage d'un plus grand nombre de souches sera nécessaire pour confirmer ces hypothèses.En analysant la séquence du génome de deux souches qui avaient été initialement classées dans l'espèce X. albilineans mais qui n'avaient pas été isolées à partir de tiges de canne à sucre, j’ai mis en évidence une nouvelle espèce que nous avons appelée 'Xanthomonas pseudalbilineans'. Enfin, la comparaison du génome fini et annoté de la souche PFGE-B GPE PC73 avec le génome d'autres espèces bactériennes phytopathogènes m'a permis de proposer des hypothèses pour expliquer la pathogénie de X. albilineans. / Xanthomonas albilineans is the bacterium causing leaf scald, a vascular disease being lethal for sugarcane. This plant, domesticated for over 5,000 years, is nowadays grown across almost 26 million hectares. Since the beginning of 20th century, natural varieties of sugarcane have been replaced by hybrid varieties resulting from artificial crossings. The transmission of X. albilineans is mainly linked to the fact that sugarcane is propagated by taking cuttings, with the cuttings from an infected plant likely to be contaminated. The use of cutting instruments also facilitates transmission of the bacteria from an infected plant. An aerial transmission has nevertheless been described, at least for one genetic group of strains from X. albilineans, namely PFGE-B, characterized using the pulsed-field gel electrophoresis technique. My thesis topic consisted in performing a comparative and evolutive genomic study of several strains of X. albilineans in order, on one hand, to better understand the history of association of this bacterium with the sugarcane, and, on the other hand, to identify candidate genes which may explain the pathogenicity of X. albilineans as well as the ability of PFGE-B strains to be aerially transmitted. Comparing 12 strains of X. albilineans belonging to nine different PFGE groups, I built a robust phylogeny which proposes the existence of eight lineages clustered in two clades. This phylogeny has been confirmed by three different phylogenomic methods. Interestingly, this phylogeny allows to propose hypotheses about the evolution of X. albilineans and the introduction of this bacterium in sugarcane. The analysis of genes from the genomes of these 12 strains belonging to nine different PFGE groups also allowed me to identify a RM (Restriction/Modification) system which is present only in PFGE-B strains and which may explain why these strains are more resistant to phages that those belonging to other PFGE groups. By facilitating the survival of bacteria in the environment, this resistance to phages may play an important role in aerial transmission. The comparison of 11 strains of X. albilineans belonging to the PFGE-B group allowed me to build, based on 67 SNPs (Single Nucleotide Polymorphism), a phylogeny which indicates that the Caribbean area, where sugarcane was introduced not before the end of the 15th century, might be a center for dispersion of PFGE-B strains. This study also revealed a polymorphism of spacers of a CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats system) locus. The study of this polymorphism in 18 non-sequenced strains of X. albilineans allowed to demonstrate that strains from Florida originated in the Caribbean region, and to propose hypotheses regarding the origin of PFGE-B strains from other regions of the world, even if the sequencing of a higher number of strains will be required to confirm these hypotheses.Analyzing the sequence of the genome of two strains, initially thought to belong to the X. albilineans species but which weren’t isolated from sugarcane stalks, I revealed a new species that we called ‘Xanthomonas pseudalbilineans’. Finally, the comparison of the finished and annotated genome of the PFGE-B strain GPE PC73 with the genome of other phytopathogenic bacteria allowed me to propose hypotheses to explain X. albilineans’ pathogenicity.