For animals at high altitude, low oxygen (hypoxia) is an unremitting stressor that has the potential to impair metabolism and performance. The hypoxic chemoreflex senses reductions in the partial pressure of O2 in the arterial blood and thus elicits many of the physiological responses to hypoxia, including increases in breathing and activation of the sympathetic nervous system. The hypoxic chemoreflex is vital to surviving acute exposure to severe hypoxia, but the advantage of this reflex during chronic hypoxia is less clear. The goals of my thesis were to examine how control of breathing by the hypoxic chemoreflex has evolved in high-altitude natives to maintain O2 transport in chronic hypoxia, and to elucidate the potential genetic mechanisms that were involved. This was accomplished using deer mice (Peromyscus maniculatus) native to high- and low-altitudes, in addition to a strictly low-altitude species (P. leucopus). I found that high-altitude deer mice breathe with higher total ventilation using preferentially deeper breaths, contributing to higher O2 saturation of arterial blood, but in contrast to lowland mice highlanders do not exhibit ventilatory plasticity in response to chronic hypoxia. These phenotypes appeared to be uniquely evolved in the highland population and arise during the onset of endothermy in early post-natal development. I then used second-generation inter-population hybrids to evaluate the effects of genetic variation (specifically, in the hypoxia-inducible factor 2a gene Epas1 and in haemoglobin genes) on an admixed genomic background. The high-altitude variant of α-globin could completely explain the deep breathing pattern of highland mice, whereas the high-altitude variant of Epas1 and possibly β-globin contributed to their apparent lack of ventilatory plasticity in response to chronic hypoxia. Together, the physiological changes elicited by these mutations contribute to maintaining O2 uptake and metabolism in the cold and hypoxic environment at high altitude. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / High-altitude environments are amongst the harshest on earth, with extremely low levels of oxygen, but some animals not only survive but thrive in these conditions. How these animals do so was previously not well understood. My thesis has uncovered how the evolution of respiratory physiology contributes to high-altitude adaptation in the deer mouse, the species with the broadest altitudinal distribution of any North American mammal, and has elucidated the genetic mechanisms involved. My work contributes to understanding nature’s solutions to oxygen deprivation – an all too common problem in many human and animal diseases.

Malaria is a treatable communicable disease yet remains a common cause of death and disease especially among pregnant women and children. Most of malaria's worldwide burden disproportionately lies in Southeast Asia and Sub-Saharan Africa. Western medicine's 100+ year history of combating Plasmodium falciparum has taught us that the global population of malaria parasites has a unique and dangerous ability to rapidly evolve and spread drug resistance. Recently it was documented that resistance to the first-line antimalarial artemisinin may be developing in Southeast Asia.

Afin d’estimer la capacité de réponse du chêne sessile (Quercus petraea Matt. Liebl.) aux changements climatiques en cours, le potentiel d’adaptation de cette espèce pour le débourrement a été mesuré en populations naturelles. Ces populations sont situées le long d’un gradient altitudinal comprenant 12 populations entre 131 et 1630 m, et d’un gradient latitudinal comprenant 21 populations de l’ensemble de l’aire de répartition. Tout d’abord l’empreinte démographique sur les niveaux de diversité génétique a été estimée sur les populations du gradient altitudinal à partir de marqueurs neutre. Les résultats ont montré que la diversité est maintenue le long du gradient altitudinal grâce notamment à des forts flux de gènes entre populations. La variabilité génétique du débourrement à été mesurée en tests de provenances pour 10 populations du gradient altitudinal. Les résultats ont montré une forte différenciation ainsi qu’une héritabilité élevée du trait. Une variabilité génétique importante est maintenue à l’intérieur des populations et semble indiquer que de multiples pressions de sélection agissent de manière fluctuante et/ou opposée. La diversité de gènes candidats pour le débourrement a été étudiée sur les populations des deux gradients environnementaux. Un niveau de diversité nucléotidique relativement fort et un faible déséquilibre de liaison qui décroit rapidement avec la distance ont été observés. Des signatures de sélections ont été mises en évidence sur un ensemble de gènes candidats. Une étude d’association a été menée entre variabilité du caractère et polymorphisme au sein des gènes candidats sur les populations des deux gradients. Un total de 16 associations significatives a été observé impliquant 10 gènes candidats. Ces résultats suggèrent un potentiel d’adaptation important face aux changements climatiques et offrent des perspectives intéressantes pour la compréhension des processus évolutifs qui régissent l’adaptation du chêne sessile pour le débourrement. / In order to assess the capacity of sessile oak (Quercus petraea Matt. Liebl.) to withstand the ongoing climate changes, we estimated its adaptative potential for bud burst within natural populations. These populations are located along two steep temperature gradients: an altitudinal gradient comprising 12 populations located between 131 m 1630 m, and a latitudinal gradient including 21 populations from the species’ distribution range. First the demographic imprint on the overall genetic diversity was assessed on the altitudinal gradient populations using neutral markers. Results showed that genetic diversity was homogeneously distributed along the gradient and maintained at high altitudes. The genetic variability of bud burst was measured in provenance tests for 10 populations of the altitudinal gradient. We found a high level of genetic differentiation and a high heritability for the trait. A high variability was also observed within populations, indicating that selection pressures may fluctuate in natural conditions. Genetic diversity of candidate genes for bud burst was assessed on populations from both gradients. A high level of nucleotide diversity was observed, and linkage disequilibrium was low. Selective signatures were observed on few candidate genes. An association mapping study was performed between bud burst variability and polymorphism at the candidate genes on populations of both gradients separately. A total of 16 associations involving 10 genes were observed. These results suggest an important adaptive potential of sessile oak for bud burst in the face of climate change and provide interesting perspectives for the comprehension of evolutionary processes controlling bud burst adaptation of sessile oak.

Neu auftretende Viruskrankheiten zoonotischen Ursprungs stellen eine zunehmende Gefahr für die globale Gesundheit dar. Wie das unerwartete Auftreten von dem Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) Ende 2019 zeigte, gibt es allerdings trotz jahrelanger intensiver Forschung Verständnislücken, wo und wann mit Tieren assoziierte Krankheitserreger auftauchen, oder durch welche evolutionären Vorgänge diese Übertragungen möglich werden. Diese Arbeit befasst sich mit dem Thema der genetischen Adaptation von Viren bevor und nachdem ein Wirtswechsel stattgefunden hat und leistet damit einen Beitrag zum besseren Verständnis von Wirtswechselprozessen und ihren zugrundeliegenden Mechanismen. / Emerging viral diseases of zoonotic origin pose an increasing threat to global health. Despite intense research, we do not understand where and when animal-associated pathogens emerge, or by what evolutionary processes these transmissions become possible; best illustrated by the unexpected emergence of the Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) at the end of 2019. This thesis is concerned with the topic of viral genetic adaptation before and after cross-species transmissions, contributing to a better understanding of host switching processes and their underlying mechanisms.

Prédire les réponses de la biodiversité aux changements climatiques anthropiques est devenu un champ de recherche avec des enjeux scientifiques et sociétaux majeurs. Mon travail de thèse a consisté à évaluer les impacts du réchauffement climatique sur un parasitoïde de drosophiles, Leptopilina boulardi, à une petite échelle géographique, le sud-est de la France. L'objectif était non seulement d'examiner l'évolution de la distribution du parasitoïde en réponse à une hausse des températures qu'il fallait préciser à cette échelle géographique, mais aussi d'appréhender les adaptations mises en place dans la zone de progression de l'espèce. Dans un premier temps, l'analyse de données d'échantillonnages et de données météorologiques m'ont permis de mettre en évidence une rapide expansion de l'aire de répartition du parasitoïde vers le nord, à un taux moyen de 90km/décennie, simultanément à une augmentation moyenne de la température de 1,57°C ces 30 dernières années, dans l'aire d'étude. Après avoir identifié les principaux facteurs environnementaux, structurant la répartition spatiale de L. boulardi, j'ai modélisé sa distribution potentielle dans le sud-est de la France, sous conditions climatiques actuelles et pour 2050, pour deux scénarios d'émission de CO2. En 2050, la distribution géographique de L. boulardi devrait considérablement s'étendre vers le nord sous l'effet des changements climatiques. Ensuite, en mesurant plusieurs traits d'histoire de vie selon 4 régimes thermiques fluctuants, j'ai montré que les populations de L. boulardi situées en limite d'aire de répartition sont génétiquement différenciées de celles situées dans l'aire centrale de répartition. Le fait que les populations marginales aient une valeur sélective plus importante à faible température suggère une adaptation locale des parasitoïdes dans la zone de progression de l'aire de répartition. La dernière partie de ce travail de thèse a pour objectif de mieux comprendre le processus de colonisation de L. boulardi. Pour cela, j'ai entrepris le développement de marqueurs RAD-sequencing sur 15 populations de cette espèce, distribuées le long d'un cline de latitude dans le sud-est de la France. Les nombreuses données issues du séquençage Illumina me permettront de connaître la structuration génétique de ces populations. L'ensemble de ces résultats obtenus au cours de ma thèse révèlent la force avec laquelle les changements climatiques peuvent impacter les espèces, principalement celles de haut niveau trophique, en provoquant des changements très rapide de distribution et des modifications génotypiques et phénotypiques permettant une meilleure adaptation locale / Predicting biodiversity responses to anthropogenic climate change has become a field of research with major scientific and societal issues. The main goal of my thesis was to evaluate the impacts of global warming on a Drosophila parasitoid, Leptopilina boulardi, at a small geographical scale, the South-East of France. The aim was not only to examine the change in the distribution of the parasitoid in response to rising temperatures, but also to understand the adaptations associated with this change. First, the analysis of insect sampling and meteorological data allowed me to demonstrate a rapid expansion of the parasitoid range to the north with an average rate of 90km/decade as well as a simultaneous temperature increase of 1.57°C on average over the past 30 years in the studied area. Following the identification of the main environmental factors structuring the spatial distribution of L. boulardi, I fitted a model predicting its potential distribution in the south-east of France, under the current climate and in 2050, for two CO2 emission scenarios. In 2050, the geographical distribution of L. boulardi should significantly extend northward as a result of climate change. Then, by measuring several life history traits under four fluctuating temperature regimes, I have shown that populations of L. boulardi located on the border of the range are genetically differentiated from those in the central range. The fact that marginal populations have a greater fitness at low temperature suggests local adaptation of parasitoids in the area of progression of range. The last part of this thesis aimed to better understand the process of colonization of L. boulardi. For this, I undertook the development of RAD-sequencing markers to genotype 15 populations of this species distributed along a cline of latitude in the southeast of France. Numerous data from Illumina sequencing will allow me to characterize the genetic structure of the populations. All the results obtained in my thesis highlight the force with which climate change may impact species, in particular those of high trophic level, causing rapid changes in distribution along with genotypic and phenotypic changes underlying local adaptation