Les lignées clonales sont un outil puissant pour une meilleure caractérisation génétique des organismes utilisés en recherche. En utilisant les techniques de reproduction uniparentale, de telles lignées peuvent être développées chez les poissons en seulement deux générations. L'androgenèse avait déjà été réalisée chez plusieurs espèces d'eau douce et a été tentée chez le loup, une espèce d'intérêt économique et scientifique. Le faible nombre d'individus contenant effectivement uniquement le patrimoine génétique du père, après irradiation des œufs aux UV, a soulevé des questions quant à la présence de composés photoprotecteurs dans les œufs pélagiques. Les acides aminés de type mycosporines et le gadusol ont été recensés dans de nombreux organismes marins et d'eau douce, mais leur présence n'a pu être reliée au comportement flottant ou coulant des œufs. Tandis que le gadusol apparaissait en plus grande quantité dans les œufs marins flottants, ce résultat était beaucoup moins clair en eau douce et le type de composés photoprotecteurs semble lié à la phylogénie. D'autres études sur les mécanismes de photoréparation de l'ADN pourraient éclairer les résultats obtenus dans les expériences d'androgenèse. La gynogenèse avait déjà été reportée chez le loup mais le grand nombre d'individus méiotiques contaminant les descendances homozygotes produites a conduit à valider des marqueurs microsatellites efficaces à distinguer les individus mitotiques. De plus, un retard de développement des gonades a été observé, augmentant les difficultés à obtenir les lignées clonales. La grande variabilité observée entre les individus quant au succès des reproductions uniparentales a montré que la caractérisation et la qualité des gamètes sont un préalable indispensable. / Clonal lines are a powerful scientific tool for improved genetic characterization of organisms used in research. Inbred fish lines can be produced in only two generations using uniparental reproduction techniques. Androgenesis, achieved with variable success in several freshwater species, has been attempted in the European sea bass (Dicentrarchus labrax L), a marine fish of commercial and scientific interest. The low yields of progenies inheriting only the paternal genome after UV-irradiation of eggs led to considerations on the occurrence of UV screening compounds in pelagic eggs. Mycosporine-like amino acids and gadusol were found in many marine and freshwater organisms, but their occurrence in fish eggs was not clearly related to a behavioral pattern and while gadusol appeared in higher proportions in pelagic marine eggs compared to benthic species, this statement did not apply in freshwater, and moreover the kind of compounds was related to phylogeny. Further studies on DNA photorepair could enlighten hypotheses to understand the mechanisms underlying the disparate results obtained in inducing androgenesis in different fish species. Gynogenesis was reported successful to produce clonal founders in the sea bass, but high numbers of meiotic individuals contaminating fully homozygous progenies highlighted the need for efficient DNA markers to distinguish mitotic gynogenetic individuals. Furthermore, gonad development was highly delayed in gynogenetic progenies enhancing the difficulties to produce clonal lines. A high variability between individuals in the success of uniparental reproduction brought out gamete characterization and quality as a prerequisite.

Chez le maïs, la création de nouvelles variétés repose largement sur la technologie des plantes Haploïdes Doublées. Celle-ci s’appuie sur l’utilisation du pollen de lignées particulières, dites «inductrices d’haploïdes», qui déclenchent un processus de gynogenèse in vivo. Ce mécanisme permet la production d’embryons haploïdes contenant uniquement les informations génétiques maternelles. Après doublement des stocks chromosomiques des plantules haploïdes générées, il est possible d’obtenir des lignées fixées en seulement quelques générations, réduisant ainsi considérablement les schémas de sélection. Bien que les déterminismes génétiques à l’origine de la gynogenèse in vivo soient restés énigmatiques pendant près de soixante ans, nos travaux ont permis le clonage positionnel et l’identification du gène majeur causal de l’induction d’haploïdes. Ce gène, exprimé spécifiquement dans les grains de pollen, code pour une phospholipase A2, nommée NOT LIKE DAD (NLD). Il s’avère que chez l’ensemble des lignées inductrices le gène NLD présente une insertion de quatre paires de bases, conduisant à la formation d’une protéine tronquée responsable de la gynogenèse in vivo. Cette mutation n’entraine pas un défaut spatial ou temporel de l’expression du gène mais une délocalisation de la protéine. La protéine sauvage localise au niveau de l’unité mâle germinative, sur la membrane d’origine végétative entourant les deux cellules spermatiques, alors que la protéine tronquée perd cette localisation. Des approches pharmacologiques et de mutagenèses dirigées ont permis de révéler un adressage de NLD à la membrane grâce à des ancrages lipidiques et des interactions électrostatiques entre la membrane et la protéine. En parallèle, il a pu être observé que la troncation de NLD, en plus de conduire à la formation d’haploïdes maternels, entraînait de nombreux phénotypes de grains anormaux. Le génotypage des produits de fécondations (albumens et embryons) résultant de croisements avec des lignées inductrices ont permis de mettre en évidence l’existence d’anomalies chromosomiques paternelles, pouvant expliquer ces différents phénotypes de grains anormaux. L’ensemble de ces résultats indiquent que la phospholipase NLD intacte est nécessaire pour le bon déroulement de la reproduction sexuée. / In maize, plant breeding mainly relies on double haploid technology. The main principle of this technology is the use of special lines called “inducer lines”, which induce in vivo gynogenesis. This mechanism allows haploid embryos production which only contain maternal genetics information. After chromosome doubling of the haploid seedlings, it is possible to obtain fixed lines in only few generations, thus considerably reducing breeding cycles. Although genetic determinants behind in vivo gynogenesis remained enigmatic for nearly sixty years, our work allowed the positional cloning and the identification of the major gene controlling haploid induction. This gene, specifically expressed in pollen grain, encodes for a phospholipase A2 called NOT LIKE DAD (NLD). It turns out that in all the inducer lines the NLD gene has a 4-bp insertion, leading to the formation of a truncated protein responsible for gynogenesis in vivo. This mutation did not result in a spatial or temporal defect in the expression of the gene but in the delocalization of the protein. The wild type protein localizes at the male germ unit on the vegetative membrane surrounding the two sperm cells, while the truncated protein loses this location. Pharmacological and mutagenic approaches revealed that NLD is targeted to the membrane through lipid anchoring and electrostatic interactions between membrane and protein. In parallel, it has been observed that the truncation of NLD; in addition to leading to the formation of maternal haploids; led to many pleiotropic phenotypes of abnormal kernels. The genotyping of fertilization products (endosperms and embryos), shows the existence of paternal chromosomal anomalies, which can explain these different phenotypes of abnormal kernels. All these results indicate that the intact NLD phospholipase is therefore necessary for the proper course of sexual reproduction.

La reproduction est un processus essentiel à la persistance et à l’évolution des espèces. En ce sens, il existe une diversité incroyable de stratégies permettant la prolifération des individus. La reproduction sexuée typique, abondante chez les animaux, est très souvent la première qui vient à l’esprit. Cependant, chez les vertébrés, on retrouve plusieurs reproductions atypiques, où il est possible de manipuler la gamétogenèse de façon surprenante. Retrouvées surtout chez les hybrides, ces reproductions alternatives peuvent nous en apprendre long sur le fonctionnement de la méiose et de la gamétogenèse en général via l’étude de ses exceptions. Les projets réunis sous cette thèse ont ainsi pour objectif global d’apporter une meilleure description de ces reproductions atypiques avec une approche multidisciplinaire. À ce but, un complexe de vertébrés possédant plusieurs ploïdies, compositions génomiques et reproductions atypiques différentes a été choisi comme sujet d’étude. Le complexe d’hybrides sujet de cette thèse est ainsi celui de Chrosomus eos-neogaeus, un groupe de cyprinidés s’étendant des États-Unis au Canada, dans lequel on retrouve à la fois de la reproduction sexuée et asexuée. Plus précisément, ce projet de recherche cherche à décrire la façon dont se reproduisent les triploïdes hybrides Chrosomus eos × eos-neogaeus, le déterminisme derrière la dichotomie reproductive de ces derniers, ainsi que l’impact des reproductions sexuées et asexuées sur les organismes de ce complexe. Les différentes études réalisées ont permis de réaliser ce but, en accomplissant les 3 objectifs suivants. Le premier chapitre avait comme objectif la description des types de reproduction chez les hybrides triploïdes Chrosomus eos × eos-neogaeus à partir de croisements expérimentaux. Le second, d’inférer le déterminisme à la base des deux gamétogenèses (sexuée et asexuée) retrouvées chez les triploïdes via l’analyse de loci épigénétiques. Finalement, le troisième avait pour objectif de déterminer les effets de la sexualité et l’asexualité en l’absence de facteurs confondants, et ce, via une analyse en morphométrie. Ces différentes études auront mené, premièrement, à la découverte d’une nouvelle voie reproductive chez les vertébrés (hybridogenèse améiotique), retrouvée chez certaines femelles triploïdes, en plus de la reproduction sexuée déjà observée chez d’autres (hybridogenèse méiotique). Ensuite, l’origine de la dichotomie reproductive aura été corrélée à la ploïdie maternelle des triploïdes. Ainsi, une femelle diploïde donnera naissance à des triploïdes se reproduisant de façon asexuée, et ces dernières à des triploïdes se reproduisant de façon sexuée. Finalement, les analyses morphométriques chez les organismes sexués et asexués de ce complexe auront montré une différence de forme inhérente au type de gonades, et ce, en absence de facteurs confondants, qui est conservée même entre des individus de composition génomique différente. En prenant connaissance de ces informations, il est alors possible de mieux comprendre la flexibilité entourant la gamétogenèse chez les vertébrés, ainsi que les impacts de ces changements sur les organismes eux-mêmes et ceux qui les entourent. Cette thèse aura ainsi avancé les connaissances au niveau des reproductions atypiques dans le complexe C. eos-neogaeus, mais ces découvertes seront aussi d’une grande utilité pour les complexes similaires et pour l’étude des différentes stratégies reproductives retrouvées chez les vertébrés. / Reproduction is an essential process for the persistence and evolution of species. In this sense, there is an incredible diversity of strategies for the proliferation of individuals. Typical sexual reproduction, abundant in animals, is certainly the first that comes to mind. However, among vertebrates, various atypical reproductions can be found, where it is possible to manipulate gametogenesis in surprising ways. Mostly found in hybrids, these alternative reproductions can teach us a lot about the functioning of meiosis and gametogenesis in general through the study of their exceptions. The projects gathered under this thesis aim to provide a better description of these atypical reproductions with a multidisciplinary approach. In this regard, a complex of vertebrates with multiple ploidies, genomic compositions, and different atypical reproductions has been chosen as the subject of study. Indeed, the hybrid complex studied in this thesis is Chrosomus eos-neogaeus, a group of cyprinids extending from the United States to Canada, which exhibits both sexual and asexual reproduction. Specifically, this research project seeks to describe the reproductive context of triploid hybrids Chrosomus eos × eos-neogaeus, the determinism behind their reproductive dichotomy, and the impact that sexual and asexual reproduction can have on organisms in this complex. The various studies conducted have achieved these goals by accomplishing the following three specific objectives. The first chapter aimed to describe the types of reproduction in triploid hybrids Chrosomus eos × eos-neogaeus through experimental crossings. The second objective was to infer the determinism behind the two gametogenic pathways (sexual and asexual) found in triploids through the analysis of epigenetic loci. Finally, the third objective was to determine the effects of sexuality and asexuality in the absence of confounding factors through morphometric analysis. These different studies have led, firstly, to the discovery of a new reproductive pathway in vertebrates (ameiotic hybridogenesis), found in some triploid females, in addition to the sexual reproduction already observed in others (meiotic hybridogenesis). Next, the origin of reproductive dichotomy has been correlated with the maternal ploidy of triploids. Thus, a diploid female will give birth to triploids reproducing asexually, and these will give birth to triploids reproducing sexually. Finally, morphometric analyses of the sexual and asexual organisms in this complex have shown an inherent shape difference in the gonads, in the absence of confounding factors, which is preserved even among individuals of different genomic compositions. With this information, it will be possible to better understand the flexibility surrounding gametogenesis in vertebrates, as well as the impacts of these changes on the organisms themselves and those around them. This thesis has advanced knowledge in atypical reproductions in the C. eos-neogaeus complex, but this knowledge will also be of great utility for similar complexes and for the study of different reproductive strategies.

La capacité à répondre aux changements environnementaux est cruciale pour l’établissement et la persistance des populations dans un système hétérogène. Les processus sous-jacents à cette capacité peuvent prendre différentes formes. La grande diversité génétique (et phénotypique) découlant de la reproduction sexuée est un des processus permettant à une population de répondre aux différentes conditions environnementales par la survie d’au moins quelques individus. D’autre part, les processus épigénétiques, en permettant la modification du patron d’expression des gènes, contribuent également à la variation phénotypique. Ces variations peuvent survenir accidentellement (épimutations) ou en réponse à un stimulus environnemental (plasticité). Les processus épigénétiques représenteraient ainsi une alternative à la variation génétique pouvant expliquer le succès écologique des organismes génétiquement identiques. Toutefois, les génotypes ne répondent pas tous de la même façon aux conditions environnementales ; certains génotypes sont considérés comme généralistes et peuvent s’acclimater à une vaste gamme de conditions environnementales alors que d’autres sont plutôt spécialistes et restreints à un type d’environnement donné. L’objectif général de cette thèse est de mettre en évidence certains des processus responsables de la persistance des organismes asexués en déterminant les relations entre la variation épigénétique, la variation phénotypique et les stratégies écologiques. Pour ce faire, des hybrides asexués Chrosomus eos-neogaeus, un poisson à reproduction clonale, ont servi de modèle biologique. Se reproduisant par gynogenèse, les lignées clonales (génotypes) doivent faire face aux mêmes variations environnementales que les espèces parentales sexuées. De plus, la répartition géographique de chacune des lignées suggère la présence de génotypes généralistes et spécialistes. L’analyse de ces lignées en milieux naturels et en milieux contrôlés a permis de décortiquer l’influence des variations génétique, environnementale et épigénétique sur la variation phénotypique. Dans un premier temps, les modèles de stratégies généraliste et spécialiste ont été testés de manière empirique : (i) des analyses génétiques ont permis d’inférer les processus historiques expliquant la diversité et la répartition actuelle des lignées clonales ; (ii) l’analyse du patron de ii méthylation de différentes lignées a permis de déterminer l’importance relative des sources de variations épigénétiques selon les fluctuations environnementales et de les associer à une stratégie écologique : une importante influence de l’environnement ou une plus grande stochasticité dans l’établissement des marques épigénétiques étant associées à la plasticité phénotypique ou au bet-hedging, respectivement ; et (iii) le rôle de la plasticité phénotypique dans la diversification de niches écologiques a été souligné par la comparaison de la variation de la morphologie trophique en milieux naturels et contrôlés. D’autre part, le second volet de cette thèse a permis d’associer un coût (détection d’une instabilité développementale) à la plasticité phénotypique et d’élaborer une hypothèse sur l’existence d’un handicap démographique nécessaire afin d’expliquer la situation contre-intuitive concernant la coexistence des organismes gynogènes et de leurs hôtes sexués. La compréhension des différents mécanismes sous-jacents au succès écologique des organismes face aux variations environnementales permet ainsi une meilleure évaluation de leur potentiel évolutif et fournit des outils supplémentaires pour leur protection face à un environnement changeant. / The capacity to cope with environmental changes is crucial to the establishment and persistence of populations. The processes underlying such a capacity can take different forms. The high genetic (and phenotypic) diversity arising from sexual reproduction is one process that allows to cope with different environmental conditions through the survival of at least a few individuals. On the other hand, epigenetic processes, allowing the modification of gene expression, are also responsible for phenotypic variation. Epigenetic changes may occur accidentally (epimutations) or in response to an environmental stimulus (plasticity). Thus, epigenetics would represent an alternative process to genetic variation to explain the ecological success of genetically identical organisms. However, genotypes are not equally capable of coping with environmental changes. Some genotypes are generalists and can acclimatize to a wide range of environmental conditions, whereas other genotypes are specialized and restricted to narrow environmental conditions. The general objective of this thesis is to highlight the processes responsible for the persistence of asexual organisms by determining the relationship between epigenetic processes, phenotypic variation and ecological strategies. To achieve this, the clonal hybrid fish Chrosomus eos-neogaeus were used as a biological model. By reproducing by gynogenesis, the clonal lineages (genotypes) are distributed among the same environments than the sexual parental species. Moreover, the geographical distribution of the lineages suggests the presence of generalist and specialist genotypes. The analysis of these lineages in natural and controlled conditions allowed to disentangling the influence of genetic, environmental and epigenetic variations on phenotypic variation. On the one hand, generalist and specialist strategies were empirically tested: (i) genetic analyses were used to infer the historical processes explaining the diversity and the current distribution of the clonal lineages; (ii) the comparison of methylation patterns in different lineages allowed to determine the dynamism of the epigenetic processes according to environmental fluctuations and to associate them with an ecological strategy: an important environmental or stochastic effect on epigenetic variation being associated with phenotypic iv plasticity or bet-hedging, respectively; and (iii) the role of phenotypic plasticity in niches diversification was highlighted by comparing individuals’ trophic morphology in natural and controlled conditions. On the other hand, the second part of this thesis has allowed to associate a cost (developmental instability) to phenotypic plasticity and to propose a hypothesis about the existence of a demographic handicap necessary to explain the paradox regarding the coexistence of sexual and asexual sperm-dependent organisms. Understanding these different mechanisms underlying the ecological success of organisms in face of environmental heterogeneity allows us to better establish their evolutionary potential and provides additional tools to protect them against changing environments.