Les améliorations des technologies de séquençage offrent aujourd’hui la possibilité d’explorer la variabilité intraspécifique au sein d’une espèce à travers le séquençage complet du génome d’un grand nombre d’individus. Dans ce contexte, mes travaux de thèse se sont basés sur l’étude et la comparaison de la variabilité génomique à travers des études de génomique des populations au sein de plusieurs espèces de levures. Dans un premier temps, j’ai réalisé une étude systématique de la variabilité intraspécifique au sein de 6 espèces de levures, me donnant notamment la possibilité d’étudier la variabilité du contenu en gènes entre les espèces. Dans un second temps, je me suis focalisé sur l’utilisation des dernières technologies de séquençage dans l’objectif de produire une séquence de référence de Dekkera bruxellensis, dont l’absence pour un grand nombre d’espèces limite l’établissement d’étude de génomique des populations. Cette séquence a été utilisée dans un dernier temps afin d’étudier l’évolution de l’espèce. Dans l’ensemble, ces travaux apportent de solides fondations dans l’exploration de la diversité génétique au sein d’espèces non-modèles. / Advent of high throughput technologies as well as the reduction of their price open the way to the exploration of the intraspecific genetic variation at the species level by sequencing the complete genome of a wide range of individuals. Doing so, I first produced populations genomics studies of 6 yeast species based on the same framework, allowing the exploration and comparison of the genes repository of each species. I then used new sequencing technologies to produce a reference sequence for the yeast species Dekkera bruxellensis. Using this sequence, I was then able to produce for the first time a population genomic study at the genome wide scale for this species.

Un objectif central en biologie est de comprendre la relation entre le génotype et le phénotype. Afin de disséquer les bases génétiques de la diversité phénotypique, il est nécessaire de disposer d’une collection de données génomiques d’un grand nombre d’individus d’une même espèce. Dans ce but, mes travaux de thèse se basent sur l’étude des séquences génomiques ainsi que des données phénotypiques de 1011 isolats naturels de la levure Saccharomyces cerevisiae. Dans un premier temps, je me suis intéressé à la description de la variation génétique et phénotypique pour dresser un portrait précis de l’histoire évolutive de cette espèce. Les données de phénotypage nous ont permis de réaliser des études pangénomiques d’association génotype-phénotype avec une puissance jusque là inégalée chez Saccharomyces cerevisiae. Je me suis par la suite penché sur l’évaluation des paramètres influençant le pouvoir de détection d’une telle approche, d’en apprécier limites pour tenter de les contourner. / Elucidating the genetic origin of phenotypic diversity among individuals within the same species is essential to understand evolution. Using whole genome sequences of 1,011 Saccharomyces cerevisiae isolates, my work sought to describe intraspecific genetic variation and investigate of its phenotypic consequences. Doing so, I obtained a precise view of the evolutionary history of S. cerevisiae. Phenotypic characterization provided the opportunity to perform genotype-phenotype genome-wide association studies with unprecedented power. I then focused on the evaluation of the parameters influencing genome-wide association studies, the appreciation of the limits of such an approach, and ways to circumvent them.

Malgré le succès des insecticides pour le contrôle du paludisme, la transmission continue dans la plupart des pays d’Afrique sub-saharienne. La recherche pour de nouveaux moyens de contrôle (plus spécialement la modification génétique des populations vecteurs), ou l'utilisation plus efficace des contrôles actuels, vont nécessiter une recherche sur les structures de populations de moustiques et les processus d’immunisation qui importent pour la transmission du Plasmodium chez les moustiques sauvages. Par ailleurs, l’utilisation des techniques d’association génomique ‘GWAS’ est basée sur un réelle compréhension des structures des populations.Ma thèse inclura une description detaillée du système immunitaire du moustique, basée sur la recherche actuelle et des comparaisons génomiques; ainsi que des descriptions des principales voies immunitaires, et des gênes potentiels mal-caracterisés qui peuvent être trouvés dans une étude GWAS. Ainsi qu’une description des connaissances actuelles des structures des populations, dont la speciation du gambiae / coluzzii, et les effets des grandes variations structurelles.Je présenterai le développement d’un nouveau moyen d'identification des variations structurelles ; utilisant les techniques d’ “apprentissage automatique” permettant d'identifier les karyotypes directement à partir des séquences haut-débit, menant à des résultats d’une précision sans précédent.Je présenterai également la première vraie cartographie génomique du ‘tout-génome’ du moustique. Les colonies sont fondées par des moustiques sauvages; les fondateurs sont controlées par strates, incluant également des sous-espèces et variations structurelles majeures. Avec ces colonies une méthode innovant de cartographie est utilisée: dans un premier temps, une identification des grandes régions au sein des groupes phenotypées par la perte de hétérogénéité; puis dans un second temps, le génotypage individuel ‘Sequenom’ sera utilisé pour une cartographie exacte. Cette méthode est utilisée pour l’identification d’une région avec un effet phenotypique sur la prévalence des infections dans la nature.Enfin, je suggèrerai comment ces techniques peuvent être importantes à l’avenir pour l’application du contrôle génomique dans la nature. / Despite successes in the use of insecticides in the control of malaria, malaria transmission continues in much of sub-saharan Africa. The search for novel methods of control (in particular genetic modification of vector populations), or of superior implementation of the currently available methods will require both greater knowledge of the population structure of the mosquito, and of the immune processes that are important in the wild. It is important to note that the mapping of novel immune genes, via genome wide association studies (GWAS) is predicated on a firm understanding of the population structure.My thesis will include a detailed description of the mosquito innate immune system based on current research and comparative genomics; this will illustrate the major pathways that might be employed in the anti-malarial response, and some potential uncharacterised genes that might be implicated in any GWAS study. It will also include a summary of what is known about the mosquito’s population structure, in particular the gambiae / coluzzii speciation event and the implication of chromosomal inversions in the speciation process.I will present the development of a novel approach to the identification of chromosomal inversions; using machine-learning techniques in order to call inversion karyotypes directly from sequence, leading to calls of unprecedented accuracy.I will also present the first truly genome-wide association study to have been performed in the mosquito. Strata-controlled populations of mosquitoes were derived from the wild, including restriction on the basis of subspecies and chromosomal inversion. A two-stage mapping design was then devised in which loss-of-heterozygosity is used to identify broad regions in phenotype pools, before fine-resolution mapping by Sequenom genotyping in individuals. This was used to identify a novel locus with a phenotypic effect on infection prevalence.Finally I will describe how these techniques and findings could be important in the future application of genetic control in the wild.

Comprendre comment les espèces s'adaptent à leur environnement est un des buts majeurs de la biologie évolutive. Il s'agit d'identifier les gènes responsables des caractères adaptatifs, mais aussi de comprendre les mécanismes généraux de l'adaptation, et des phénomènes empêchant une adaptation optimale. Les régions non-recombinantes sont particulières pour ces aspects. En effet, elles peuvent protéger de la recombinaison des combinaisons d'allèles favorables, et inversement, la suppression de recombinaison peut entraîner une dégénérescence, comme une accumulation de mutations délétères ou des pertes de gènes. Même les organismes à reproduction sexuée possèdent cependant souvent de larges régions non-recombinantes, associées à la détermination du sexe génétique ou du type sexuel. Dans cette thèse, j’ai ainsi étudié les traces d’adaptation et de dégénérescence dans des génomes de champignons pathogènes de plantes. Les champignons du complexe d'espèces Microbotryum violaceum, qui causent la maladie du charbon des anthères chez les Caryophyllacées et comptent des dizaines d'espèces spécifiques d’hôtes différents, sont d'excellents modèles pour l'étude des processus génomiques de l'adaptation. Ils possèdent de plus des chromosomes de types sexuels non-recombinants sur une partie de leur longueur. Pour étudier l'évolution des chromosomes de types sexuels, la dégénérescence et l'adaptation à l'hôte dans le complexe M. violaceum, nous avons adopté diverses approches de génomique. En utilisant la technologie PacBio, nous avons obtenu un assemblage complet des chromosomes de types sexuels pour l'espèce M. lychnidis-dioicae. Nous avons montré que la région non-recombinante s'étend sur 90 % des chromosomes de types sexuels, présente un niveau de réarrangements exceptionnel entre les deux types sexuels, et que des centaines de gènes sont présents à l'état hémizygote et ont donc probablement été perdus dans un type sexuel. De plus, la comparaison des génomes d'une douzaine d'espèces de M. violaceum a montré une accumulation de mutations non-synonymes et d'éléments transposables dans les chromosomes de types sexuels. Nous avons aussi étudié la dégénérescence dans le contexte de l'exposition aux radiations ionisantes, en analysant des populations de M. lychnidis-dioicae exposées à différents niveaux de radiation dans la région de Tchernobyl. Nous n'avons pas détecté d'augmentation du taux de mutations non-synonymes par rapport au groupe témoin, ce qui suggère que le champignon est radio-résistant ou que la sélection est plus forte dans la région de Tchernobyl. Enfin, pour étudier l'adaptation à l’hôte, nous avons reséquencé des dizaines des génomes de deux espèces sœurs de M. violaceum. L'analyse du polymorphisme a révélé des balayages sélectifs tout le long des génomes et à des localisations différentes entre les deux espèces. Nous avons identifié un certain nombre de gènes candidats pour l'adaptation à l’hôte dans ces régions de balayages sélectifs, sur la base de leur expression in planta et de leurs annotations. Les gènes sur-exprimés dans la plante montraient d’autre part un taux de substitutions non-synonymes entre les deux espèces sœurs plus élevé que les autres gènes, ce qui suggère qu’une bonne partie pourrait être impliquée dans l'adaptation à l’hôte. Ces travaux ouvrent la voie à une comparaison des génomes de différentes espèces du complexe M. violaceum, d’une part pour reconstituer l'histoire de la suppression de recombinaison dans les chromosomes de types sexuels, et d’autre part pour étudier les bases génétiques de l'adaptation à différents hôtes dans un complexe d’espèces phylogénétiquement proches. / Understanding how species adapt to their environment is a major goal in evolutionary biology. Scientists aim to identity the genes underlying key adaptive traits, but also to understand more broadly adaptive processes and phenomena that allow or prevent optimal adaptation. Non-recombining regions are particular for these aspects. They can indeed protect adaptive combinations of alleles from recombination, and conversely, suppressed recombination can lead to degeneration, such as accumulation of deleterious mutations or genes losses. Even sexually-reproducing organisms often possess large non-recombining regions associated with sex ou mating-type determination. In this thesis, I therefore studied signatures of adaptation and degeneration in genomes of plant pathogenic fungi. Fungi of the species complex Microbotryum violaceum, with dozens of host-specific sibling species causing anther-smut disease in the Caryophyllaceae family, are particularly good models for addressing the question of the genomic processes involved in host adaptation. Moreover, they possess size-dimorphic, partly non-recombining mating-type chromosomes. To study the evolution of mating-type chromosomes, degeneration and host-adaptation in the M. violaceum species complex, we used a genomic approach. Using PacBio sequencing, we obtained a complete assembly of the mating-type chromosomes of the species M. lychnidis-dioicae. We showed that the non-recombining regions span 90 % of the mating-type chromosomes, exhibit an exceptional level of rearrangements between the two mating-types, and that hundreds of genes are in a hemizygous state and were therefore probably lost in one of the two mating-type chromosomes. Moreover, comparing a dozen of species of the M. violaceum complex revealed an accumulation of non-synonymous substitutions and of transposable elements in mating-type chromosomes. We also studied degeneration in the context of ionizing radiations, by analysing populations of M. lychnidis-dioicae exposed to different radiation levels in the Chernobyl area. We did not detect any increase in the rate of non-synonymous mutations compared to the control group or with radiation, which suggests that the fungi is radio-resistant or that selection is higher in the Chernobyl area. Lastly, we resequenced dozens of genomes of two sibling species of M. violaceum in order to study host adaptation. Analysing polymorphism patterns, we found several selective sweeps along the genome, at different locations in the two species. We identified candidate genes for host-adaptation in the regions of selective sweeps, based on their expression pattern and on their putative functions. In addition, genes up-regulated in planta exhibited a higher rate of non-synonymous substitutions than other genes, suggesting that many of them are likely involved in host adaptation. This work paves the way to a larger comparison of genomes of different species of the M. violaceum species complex, in order to reconstruct the history of recombination suppression on the mating-type chromosomes on the one hand, and to study the genetic bases of adaptation to different hosts in a complex of phylogenetically close species on the other hand.

D’après un rapport de l’OMS, la tuberculose reste en 2015 l’une des 10 premières causes de décès à l’échelle mondiale. De ce fait, en matière de santé, éradiquer la maladie à l’horizon 2030 est un des objectifs majeurs fixés par les Nations Unies. La bactérie responsable de cette infection, Mycobacterium tuberculosis, est un pathogène obligatoire dont l’origine et l’évolution sont intrinsèquement liées à celles de son hôte principal, Homo sapiens. En effet, les souches actuelles de tuberculose présentent, tout comme l’homme, une forte structure phylogénétique, trace de leur origine géographique. Les pays pauvres et en développement sont les plus touchés par l’épidémie globale, favorisée par des systèmes de santé défaillants et une haute prévalence du VIH. Les pays occidentaux ne sont pas épargnés, menacés par l’émergence de souches de plus en plus résistantes aux antibiotiques provenant en grande partie de l’ex URSS. Au cours de cette thèse, j’analyse l’histoire évolutive, la propagation et l’acquisition de résistances aux antibiotiques de plusieurs épidémies de tuberculose en me basant sur des données génétiques et génomiques. Dans un premier temps je m’intéresse aux effets d’une campagne nationale de traitements en Asie Centrale sur le développement de souches multi-résistantes et met également en lumière le rôle clef de certaines mutations dans le succès des clones présentés. Ainsi cette campagne a été partiellement mise en échec par la présence de souches pré-résistantes, grâce à la survenue de mutations avant même la mise en place des traitements antibiotiques. Par la suite je me suis focalisé sur un clade particulier de souches multi-résistantes, le clone Russe W148. Je présente sa dispersion géographique et temporelle à travers l’Eurasie et démontre l’importance des mutations compensatoires dans son succès épidémique. De plus, la tuberculose ne touche pas seulement les hommes mais infecte également plusieurs autres mammifères. Afin d’appréhender les contraintes adaptatives accompagnants ces changements d’hôtes, j’ai effectué divers tests de sélection dans le but d’identifier les gènes impliqués. Pour finir, nous avons développé un indice souche spécifique, permettant de mesurer le succès épidémique de celles-ci à un niveau individuel. Dans le cadre d’études épidémiologiques, cette mesure peut être croisée avec des informations sur le patient, la souche ou même socio-économiques. / According to a 2015 WHO report, tuberculosis remains one of the top 10 causes of death worldwide. Despite considerable efforts by the United Nations to eradicate the disease by 2030, a global TB epidemic still persists. Its causative agent, the bacterium Mycobacterium tuberculosis, an obligate pathogen, has been plaguing humanity since it originated, and has coevolved with its main host, Homo sapiens, over thousands of years. Contemporary tuberculosis strains exhibit a structured phylogeographic pattern, carrying the genetic print of their geographic origin. The Koch bacillus infects and kills in large numbers, in poor and developing countries, where fragile health care systems, combined with high HIV prevalence, facilitate epidemic spread. In western countries, the major current threats are the multiplication and propagation of antibiotic resistant strains (MDR/XDR) coming predominantly from former Soviet republics. In this thesis, I unravel the evolutionary history, propagation, and acquisition of drug resistance-conferring mutations in different settings, by implementing multiple genetic and genomic data sets. First, focusing on Central Asia, using whole genome sequencing and Bayesian statistics, I assess the effects of a treatment campaign on the development of MDR strains and highlight key mutations in successful strains. More importantly, the success of DOTs campaigns was compromised by the genetic make-up of these outbreak clades (pre-treatment low frequency resistance SNPs). Special attention was also given to a particular outbreak of MDR strains, i.e. the Russian W148 clone. I present its westward spatial and temporal propagation at a continental scale during the last century, and underline the key contribution of compensatory mutations in its epidemic success. However, tuberculosis does not only infect humans, but also has experienced successive mammalian host jumps. To decipher the adaptive constraints accompanying such secondary events, a systemic gene screen with selection signature-detecting algorithms was implemented to identify putative targets during diversifying selection. Finally, novel mathematical tools and indices that reflect the epidemicity of a strain were developed, jumping from a population-driven approach to a strain specific one, with broader epidemiological applications. This allows us to correlate strain fitness with patient, lineage, and socio-economic information.

Les récents progrès, dans les domaines de la biologie computationnelle et des techniques de biologie moléculaire, ont conduit à l'émergence d'une nouvelle discipline appelée génomique des populations, et dont l'un des objectifs principaux est l'étude de la structure spatiale de la diversité génétique. Cette structure est déterminée à la fois par des forces neutres, comme la migration et la dérive, et des forces adaptatives comme la sélection naturelle, et trouve des applications importantes dans de nombreux domaines comme la génétique médicale ou la biologie de la conservation. Nous développons ici de nouvelles méthodes statistiques pour évaluer le rôle de la sélection naturelle et de l'environnement dans cette structure spatiale. Le modèle bayésien Dirichlet-multinomial de différenciation génétique est utilisé comme base à ces différentes méthodes. Dans un premier temps, nous proposons d'inclure des variables environnementales dans l'estimation de la structure génétique afin d'identifier les facteurs biotiques et abiotiques qui la déterminent. Ensuite, nous étudions la possibilité d'étendre le modèle Dirichlet-multinomial aux marqueurs dominants, devenus très populaires ces dernières années, mais affectés par différents biais de recrutement. Enfin, nous cherchons à séparer les effets neutres des effets de la sélection naturelle, afin, en particulier, d'identifier les régions du génome qui y sont soumis. Trois bases de données ont été analysées pour illustrer l'utilisation de ces nouvelles méthodes : des données humaines, des données de l'arganier du Maroc et des données de littorine. Finalement, nous avons développé trois logiciels implémentant ces différents modèles.

L’igname (Dioscorea spp) est un aliment de base de plus de 100 millions de personnes en Afrique. L’objectif de cette thèse était d'étudier la diversité génomique de l'igname, comprendre les bases génétiques de sa domestication, et d'étudier son adaptation à différentes zones climatiques. L’étude du processus de domestication de l’igname a été menée par une approche de génomique comparée entre l’espèce cultivée D. rotundata et deux espèces sauvages apparentées D. praehensilis et D. abyssinica, en utilisant des données de séquençage NGS génomique. Nous avons mis en évidence des sélections fortes de gènes de la voie de biosynthèse de l’amidon. Des gènes impliqués dans la morphologie des tubercules ou l’aptitude au phototropisme, ainsi que des gènes du complexe NADH deshydrogenase ont également été identifiés comme sélectionnés durant la domestication. Ce même complexe NADH-DH a également été identifié lors de la recherche de gènes associés à la distribution d’une collection d’ignames selon la variabilité climatique. Nous avons aussi créé la première banque de novo d’éléments transposables (ET) de l’igname. L’étude que nous avons menée sur les éléments répétés (ER) du génome de l’igname nous a permis d’identifier une forte corrélation entre la variabilité des abondances relatives d’un grand nombre d’ERs et la variabilité climatique. Enfin, nous avons pu proposer une hypothèse quant à l’origine de l’igname cultivée D. rotundata. La domestication de l'igname dériverait de l'espèce inféodée au milieu forestier, D. praehensilis. Ces résultats remettent en cause l’hypothèse d’une origine stricte en zone de savane pour les espèces cultivées et l’agriculture en Afrique de l'Ouest. / Yam (Dioscorea spp) is a major staple for more than 100 million people in Africa. The main objectives of the present PhD project were to study yam genomic diversity, its domestication, and to characterize the genomic determinism of its adaptation to different climatic zones. We investigated the genetic basis of yam domestication in a comparative genomic approach between the cultivated species D. rotundata and two wild close relatives D. praehensilis and D. abyssinica, by exploiting NGS sequencing data. We demonstrated that genes from the starch biosynthesis were selected during yam domestication. Genes related to tuber morphology or phototropism ability, as well as genes of the NADH dehydrogenase complex were also under selection. The same NADH-DH complex was also identified when assessing adaptation to climate variability. We also created the first de novo database of yam transposable elements (TEs). The study we performed on these repeat elements (REs) highlighted a strong correlation between the variability in relative abundances of numerous REs and climatic variability. Finally, we were able to propose an hypothesis on the origin of the cultivated yam D. rotundata. Our hypothesis identifies the origin of yam in the forest areas, with the species D. praehensilis as the putative progenitor. Our results question the generally admitted hypothesis of savannah origins for crops and agriculture in Africa.

Les progrès technologiques récents nous permettent d'accéder à la variation des génomes complets ce qui nous ouvre la porte d'une meilleure compréhension de leur diversification via des approches de génomique des populations et de génomique du paysage. Ce travail de thèse se base sur l'analyse des données de génomes complets (WGS) pour caractériser la diversité génétique des petits ruminants (chèvre et moutons) et rechercher les bases génétiques d'adaptations locales.Dans un premier temps, ce travail appréhende un aspect méthodologique et examine la précision et le biais de différentes approches d'échantillonnage des génomes pour caractériser la variabilité génétique, en les comparant aux données WGS. Nous mettons en évidence un fort biais des approches classiques (i.e. puces à ADN, capture de l'exome) ainsi que des séquençages de génomes à faibles taux de couverture (1X et 2X), et nous suggérons des alternatives basées sur un échantillonnage aléatoire de marqueurs dont la densité est variable selon les objectifs d'étude (évaluation de la diversité neutre, déséquilibre de liaison, signatures de sélection). Le jeu de données produit a permis d'évaluer l'état des ressources génétiques de différentes populations domestiques (races locales marocaines, iraniennes, races industrielles) et sauvages (aegagre, mouflon asiatique). Nous relevons une très forte diversité génétique dans les populations indigènes et sauvages qui constituent des réservoirs d'allèles et peuvent jouer un rôle important pour préserver le potentiel adaptatif des petits ruminants domestiques dans un contexte de changement climatique. L'étude plus approfondie des populations de chèvres du Maroc montre une forte diversité génétique faiblement structurée géographiquement, et met en évidence des portions de génome présentant des signaux de sélection. Leur étude montre l'existence de mécanismes adaptatifs potentiellement différents selon les populations (e.g. transpiration/halètement dans l'adaptation probable à la chaleur).Enfin, nous explorons les bases génétiques de l'adaptation locale à l'environnement chez les moutons et chèvres via une approche de génomique de paysage. En scannant les génomes de 160 moutons et 161 chèvres représentant la diversité éco-climatique du Maroc, nous identifions de nombreux variants et gènes candidats qui permettent d'identifier les voies physiologiques potentiellement sous-jacentes à l'adaptation locale. En particulier, il apparait que les mécanismes respiratoires et les processus cardiaques joueraient un rôle clé dans l'adaptation à l'altitude. Les résultats suggèrent que les chèvres et moutons ont probablement développé différents mécanismes adaptatifs pour répondre aux mêmes variations environnementales. Cependant, nous identifions plusieurs cas probables de voies adaptatives communes à plusieurs espèces. Par ailleurs, nous avons caractérisé les patrons de variations du niveau de différenciation de régions chromosomiques sous sélection en fonction de l'altitude. Cela nous permet de visualiser la diversité des réponses adaptatives selon les gènes (par exemple, sélection de variants à faible et/ou haute altitude). Ainsi, ce travail pose les bases de la compréhension de certains mécanismes d'adaptation locale. / Recent technological developments allow an unprecedented access to the whole genome variation and would increase our knowledge on genome diversification using population and landscape genomics. This work is based on the analysis of Whole Genome Sequence data (WGS) with the purpose of characterising genetic diversity in small ruminants (sheep and goats) and exploring genetic bases of local adaptation.First, we addressed a methodological aspect by investigating the accuracy and possible bias in the widely used genotyping approaches to characterize genetic variation in comparison with WGS data. We highlighted strong bias in conventional approaches (SNP chips and exome capture) and also in low-coverage whole genome re-sequencing (1X and 2X), and we suggested effective solutions based on sampling panels of random markers over the genome depending the purpose of the study (assessing neutral diversity, linkage disequilibrium, selection signatures). The various datasets produced allowed assessing genetic resources in various domestic (Moroccan and Iranian indigenous breeds and industrials) and wild populations (bezoars and Asiatic mouflons). We identified a very high diversity in indigenous and wild populations. They constitute a reservoir of alleles allowing them to play a possible key role in the preservation of these species in the context of global changes. The deep study of Moroccan goats showed a high diversity that is weakly structured in geography and populations, and highlighted numerous genomic regions showing signatures of selection. These regions identified different putative adaptive mechanisms according to the population (e.g. panting/sweating to adapt to warm/desert environment).Then, we explored genetic bases of local adaptation to the environment in sheep and goats using a landscape genomics framework. We scanned genomes of 160 sheep and 161 goats representing the eco-climatic Moroccan-wide diversity. We identified numerous candidate variants and genes, which allowed for identifying physiological pathways possibly underlying local adaptation. Especially, it seems that respiration and cardiac process have key roles in the adaptation to altitude. Our results suggest dissimilar adaptive mechanisms for the same environment in sheep and goats. However, we highlighted several cases of common metabolic pathways in different species. Moreover, we characterized some patterns for the variation of genetic differentiation in some candidate genomic regions over environmental gradients. This allowed us to visualise different adaptive reaction depending genes. This work points the way towards a better understanding of some mechanisms underlying local adaptation.

L'adaptation locale est un phénomène micro-évolutif qui peut survenir lorsque des populations d'une même espèce sont exposées à des conditions environnementales différentes.Si cet environnement exerce une pression sous forme de sélection naturelle, qu'il existe un potentiel adaptatif au sein des populations et que le flux de gènes est suffisamment modéré, les populations vont alors tendre vers un optimum adaptatif local.Dans cette thèse, je m'intéresse aux moyens méthodologiques de l'étude de l'adaptation locale d'une part, et à l'étude de ce phénomène le long d'un gradient d'altitude chez la plante alpine Arabis alpina d'autre part.Dans la première partie méthodologique, je montre que les méthodes de scan génomique pour détecter les marqueurs génétiques sous sélection peuvent souffrir de forts taux de faux positifs lorsqu'exposées à des jeux de données complexes, mais réalistes.Je présente ensuite une méthode statistique de détection de marqueurs génétiques sous sélection qui, contrairement aux méthodes existantes, utilisent à la fois la notion de différentiation génétique (ou Fst) et une information environnementale.Cette méthode a été développée de manière à limiter son taux de faux positifs de manière générale.J'offre enfin une perspective concernant les liens entre une expérience ancienne en biologie évolutive (l'expérience de jardin commun) et les nouveaux développements moléculaires et statistiques modernes.Dans la seconde partie empirique, je présente une analyse de la démographie d'A. alpina dans six populations naturelles. Outre qu'elle révèle des caractéristiques biologiques intéressantes sur cette espèce (faible espérance de vie, reproduction et survie très différentielle...), cette analyse montre que la croissance diminue et la survie augmente chez cette espèce avec la baisse de la température moyenne (donc avec l'altitude).Puisque ces analyses ne permettent pas d'exclure des hypothèses de dérive et de plasticité phénotype, je présente une analyse en jardin commun sur A. alpina qui permet de lisser les problèmes de plasticité phénotypique et qui, combinée à des analyses moléculaires, permettent d'exclure l'hypothèse de dérive.Les résultats montrent qu'il existe un syndrome phénotypique adaptatif lié à la température moyenne qui tend à des plantes plus petites, plus compactes, qui croissent et se reproduisent moins, dans les milieux froids.À l'aide des données moléculaires et de méthodes de scan génomique, je présente une liste de 40 locus qui peuvent être impliqués dans ce processus.Pour finir, je discute l'ensemble de ces résultats empiriques dans un contexte plus général d'écologie alpine. Je résume ensuite les principaux obstacles méthodologiques à l'étude de l'adaptation locale et je fourni quelques perspectives méthodologiques. / Local adaptation is a micro-evolutionary phenomenon, which arises when populations of the same species are exposed to contrasted environmental conditions.If this environment exert some natural selection pressure, if an adaptive potential exists among the populations and if the gene flow is sufficiently mild, populations are expected to tend toward a local adaptive optimum.In this thesis, I study the methodological means of the study of local adaptation on the one hand, and I investigate this phenomenon along an elevation gradient in the alpine plant Arabis alpina on the other hand.In the first, methodological part, I show that the genome scan methods to detect selection using genetic markers might suffer strong false positive rates when confronted to complex but realistic datasets.I then introduce a statistical method to detect markers under selection, which, contrary to existing methods, make use of both the concept of genetic differentiation (or Fst) and environmental information.This method has been developed in order to reduce its global false positive rate.Finally, I present some perspectives regarding the relationships between the relatively old ``common garden'' experiment and the new developments in molecular biology and statistics.In the second, empirical part, I introduce an analysis of the demographic characteristics of A. alpina in six natural populations. Besides providing interesting biological information on this species (low life expectancy, strongly contrasted reproduction and survival...), these analyses show that growth increase and survival decrease with the decrease of average temperature (hence with altitude).Since these analyses do not allow us to rule out hypotheses such as drift and phenotypic plasticity, I show the results of a common garden experiment which enable us to smooth phenotypic plasticity and, when combined with molecular data, enable us to rule out the hypothesis of drift.The results show the existence of an adaptive phenotypic syndrome, in which plants are smaller, are more compact, grow slower and reproduce less in cold temperature environments.Using the molecular data, I draw a list of 40 locus which might be involved in this adaptive process.In the end, I discuss these empirical findings as a whole to place them in a more general context of alpine ecology. I sum up the main methodological challenges when studying local adaptation and offer some methodological perspectives.

Depuis la découverte de Phaeodactylum tricornutum par Bohlin en 1897, sa classification au sein de l'arbre de la vie a été controversée. En utilisant des morphotypes ovales et fusiformes Lewin a décrit en 1958 plusieurs traits caractéristiques de cette espèce rappelant la structure des diatomées mettant ainsi fin à la controverse sur la classification de P. tricornutum au sein des Bacillariophycées. Pour se faire, trois morphotypes (ovale, fusiforme et triradié) de Phaeodactylum tricornutum ont été observés. Au cours d’une centaine d’années environ, de 1908 à 2000, 10 souches de Phaeodactylum tricornutum (appelées écotypes) ont été collectées et stockées soit de manière axénique ou en l’état avec leur populations naturelles de bactéries dans les centres des ressources génétiques pour algues, cryo-préservées quand cela est possible. Divers outils cellulaires et moléculaires ont été établis pour disséquer et comprendre la physiologie et l'évolution de P. tricornutum, et/ou les diatomées en général. Grâce à des décennies de recherche et les efforts déployés par de nombreux laboratoires que P. tricornutum est aujourd’hui considérée comme une espèce modèle des diatomées. Le sujet de ma thèse traite majoritairement de la composition génétique et épigénétique du génome de P. tricornutum ainsi que de la diversité morphologique et physiologique sousjacente au sein des populations naturelles prospectées à différents endroits du globe. Pour se faire, j’ai généré les profils chromatiniens en utilisant différentes marques des modifications post-traductionnelles des histones (chapitres 1 et 2) et a également comparé la variation naturelle dans la distribution de certaines marques clés entre deux populations d’écotypes (chapitre 4). Nous avons également généré une carte de la diversité génétique à l’échelle du génome chez 10 écotypes de P. tricornutum révélant ainsi la présence d'un complexe d'espèces dans le genre Phaeodactylum comme la conséquence d’une hybridation ancienne (chapitre 3). Sur la base de nombreux rapports antérieurs et des observations similaires au sein de P. tricornutum, nous proposons l’hybridation naturelle comme une base solide et une possibilité plausible pour expliquer la diversité des espèces chez lest diatomées. De plus, nous avons mis à jour les annotations fonctionnelles et structurelles du génome de P. tricornutum (Phatr3, chapitre 2) et mis au point un algorithme de logiciel convivial pour aller chercher les cibles CRISPR du système d’édition du génome CRISPR / cas9 chez 13 génomes de phytoplancton incluant P. tricornutum (chapitre 5). Pour accomplir tout cela, j'ai utilisé diverses méthodes à la pointe de l’état de l’art comme la spectrométrie de masse, l’immunoprécipitation de la chromatine suivie de séquençage à haut débit ainsi que les séquençages du génome entier, de l'ARN et des protocoles d'édition du génome CRISPR et plusieurs logiciels / pipelines de calcul. Ainsi, le travail de thèse fournit une plate-forme complète qui pourra être utilisée à l’avenir pour des études épigénétiques, de génétiques moléculaires et fonctionnelles chez les diatomées en utilisant comme espèce modèle Phaeodactylum tricornutum. Ce travail est pionnier et représente une valeur ajoutée importante dans le domaine de la recherche sur les diatomées en répondant à des questions nouvelles ouvrant ainsi de nouveaux horizons à la recherche en particulier en épigénétique qui joue un rôle important mais pas encore assez apprécié dans le succès écologique des diatomées dans les océans actuels. / Since the discovery of Phaeodactylum tricornutum by Bohlin in 1897, its classification within the tree of life has been controversial. It was in 1958 when Lewin, using oval and fusiform morphotypes, described multiple characteristic features of this species that resemble diatoms structure, the debate to whether classify P. tricornutum as a member of Bacillariophyceae was ended. To this point three morphotypes (oval, fusiform and triradiate) of Phaeodactylum tricornutum have been observed. Over the course of approximately 100 years, from 1908 till 2000, 10 strains of Phaeodactylum tricornutum (referred to asecotypes) have been collected and stored axenically as cryopreserved stocks at various stock centers. Various cellular and molecular tools have been established to dissect and understand the physiology and evolution of P. tricornutum, and/or diatoms in general. It is because of decades of research and efforts by many laboratories that now P. tricornutum is considered to be a model diatom species. My thesis majorly focuses in understanding the genetic and epigenetic makeup of P. tricornutum genome to decipher the underlying morphological and physiological diversity within different ecotype populations. To do so, I established the epigenetic landscape within P. tricornutum genome using various histone post-translational modification marks (chapter 1 and chapter 2) and also compared the natural variation in the distribution of some key histone PTMs between two ecotype populations (chapter 4). We also generated a genome-wide genetic diversity map across 10 ecotypes of P. tricornutum revealing the presence of a species-complex within the genus Phaeodactylum as aconsequence of ancient hybridization (Chapter 3). Based on the evidences from many previous reports and similar observations within P. tricornutum, we propose natural hybridization as a strong and potential foundation for explaining unprecedented species diversity within the diatom clade. Moreover, we updated the functional and structural annotations of P. tricornutum genome (Phatr3, chapter 2) and developed a user-friendly software algorithm to fetch CRISPR/Cas9 targets, which is a basis to perform knockout studies using CRISPR/Cas9 genome editing protocol, in 13 phytoplankton genomes including P. tricornutum (chapter 5). To accomplish all this, I used various state-of-the-art technologies like Mass-Spectrometry, ChIPsequencing, Whole genome sequencing, RNA sequencing, CRISPR genome editing protocols and several computational softwares/pipelines. In brief, the thesis work provides a comprehensive platform for future epigenetic, genetic and functional molecular studies in diatoms using Phaeodactylum tricornutum as a model. The work is an addon value to the current state of diatom research by answering questions that have never been asked before and opens a completely new horizon and demand of epigenetics research that underlie the ecological success of diatoms in modern-day ocean.