Malgré son potentiel, l’hétérosis a rarement été étudié, et encore moins exploité, chez les levures, espèces d’intérêt biotechnologique majeur. Ce travail avait pour objectif d’explorer ce phénomène chez deux espèces de levure, Saccharomyces cerevisiae et S. uvarum, dans des conditions proches de celles de l’œnologie. Pour la première fois des hybrides interspécifiques ont été inclus dans un dispositif diallèle complet. Un autre aspect original de ce travail résidait dans l’approche intégrative choisie, qui combinait l’étude de phénotypes aux niveaux métabolique, cellulaire et populationnel. Un panel de 66 souches (55 hybrides et leurs 11 parents) a été analysé pour 35 caractères à deux températures et avec trois réplicats, soit au total 396 fermentations alcooliques. Ces données nombreuses et complexes nous ont conduits non seulement à utiliser, mais aussi à développer divers outils statistiques et de modélisation originaux pour l’interprétation des données. Après avoir vérifié que les interactions nucléo-cytoplasmiques n’influençaient pas la variation des caractères étudiés, nous avons tout d’abord montré que les sources de variation (effet souche, effet température et interactions souche*température) différaient selon les types de caractères. Nous avons ensuite comparé globalement les trois groupes d’hybrides : intraspécifiques S. cerevisiae*S. cerevisiae, intraspécifiques S. uvarum*S. uvarum et interspécifiques S. cerevisiae*S. uvarum, et avons observé que l’hybridation interspécifique pouvait engendrer des phénotypes présentant de meilleures aptitudes œnologiques et une homéostasie supérieure à celle des hybrides intraspécifiques. Ce dernier résultat pourrait expliquer que l’hybridation interspécifique soit si fréquente chez les levures naturelles et domestiquées. / Despite its biotechnological interest, heterosis has not commonly been studied or exploited in the yeast genus. This work aimed to explore this phenomenon within two yeast species well adapted to oenological conditions, Saccharomyces cerevisiae and S. uvarum. Eleven parental strains and their 55 intra- and inter-specific hybrids were phenotyped under enological conditions, at two temperatures in three replicates. A total of 396 alcoholic fermentations were characterized in depth through 35 phenotypic traits with original statistical and modeling tools. We first showed that, depending on the types of trait - kinetics parameters, life-history traits, enological parameters and aromas -, the sources of variation (strain, temperature and strain*temperature effects) differed in a large extent. Then we compared globally three groups of hybrids and their parents at two growth temperatures: intraspecific hybrids S. cerevisiae*S. cerevisiae, intraspecific hybrids S. uvarum*S. uvarum and interspecific hybrids S. cerevisiae*S. uvarum. We found that hybridization could generate multi-trait phenotypes with improved oenological performances and better homeostasis with respect to temperature. These results could explain why interspecific hybridization is so common in natural and domesticated yeast, and open the way to applications for wine-making.

La sélection génomique (GS) est un outil puissant pour prédire les phénotypes ou les valeurs génétiques d'individus encore non observés, sur la base d'un panel à la fois phénotypé et génotypé. Les modèles mixtes GBLUP habituellement utilisés prennent en compte tous les marqueurs simultanément, en postulant que leurs effets suivent tous la même distribution gaussienne. Les connaissances des mécanismes biologiques sous-jacent à la variation phénotypique ne sont donc pas pris en compte dans une telle modélisation. Le but de cette thèse est d'intégrer dans des modèles GBLUP des connaissances a priori, comme des régions génomique impliquées dans la variation des caractères d'intérêt ou encore des réseaux de gènes, afin d'évaluer le potentiel d'amélioration de la précision de prédiction. Ces modèles ont été appliqués à l'espèce de tournesol Helianthus annuus L., sur trois caractères (la floraison, le rendement et la sénescence foliaire) dans 13 environnements différents. L'un des principaux défis des études sur les hybrides de tournesol est de modéliser la vigueur hybride, ou hétérosis. Différentes hypothèses, incluant la dominance, la superdominance et l'épistasie ont été proposées pour clarifier les mécanismes génétiques sous-jacents au phénomène de l'hétérosis, mais leur importance n'est pas clairement connue. Dans ce contexte, la première partie de cette étude a eu pour but de tester l'efficacité de la GS dans une population d'hybrides provenant du croisement de 36 lignées femelles avec 36 lignées mâles. Pour cela des modèles prenant en compte des effets non-additifs ont été expérimentés, et les résultats validés expérimentalement en champ sur deux années. La prédiction des valeurs génétiques des hybrides ayant été concluante, nous avons ensuite cherché des informations a priori à intégrer à ces modèles. Des SNPs impliqués dans la variation des trois caractères d'intérêt ont été recherchés à l'aide de plusieurs modèles de GWAS (additifs et non-additifs). De plus, dans la perspective de tester des modèles prenant en compte des interactions épistatiques, des SNPs localisés dans des réseaux de gènes connus ont été recherchés. La dernière partie de cette thèse a eu pour but d'intégrer aux modèles GBLUP ces régions génomiques impliquées dans la variation des caractères. Deux méthodes ont été utilisées pour cela, à savoir la modélisation des informations a priori dans la partie aléatoire (modèle MultiBLUP) ou dans la partie fixe des modèles. Ces méthodes ne montrent pas d'amélioration significative des précisions de prédiction par rapport aux modèles GBLUP sans information a priori. / Genomic selection is a powerful tool for predicting phenotypes or genetic values of non-observed individuals, based on a panel both phenotyped and genotyped. The mixed models GBLUP usually utilized take into account all markers simultaneously, assuming that all their effects all follow the same Gaussian distribution. Knowledge of the biological mechanisms underlying phenotypic variation is therefore not taken into account in such modeling. The aim of this thesis is to integrate in GBLUP models a priori knowledge, such as genomic regions involved in the variation of the traits of interest or networks of genes, in order to evaluate the potential for improvement of accuracies. These models were applied to the Helianthus annuus L. sunflower specie on three traits (flowering time, yield and leaf senescence) in 13 several environments. One of the main challenges of genetic studies on sunflower hybrids is to model hybrid vigor, or heterosis. Different hypotheses, including dominance, over-dominance and epistasis have been proposed to clarify the genetic mechanisms underlying the heterosis phenomenon, but their importance is not clearly known. In this context, the first part of this study aimed to test the efficiency of the GS in an hybrid population from the crossing of 36 female lines with 36 male lines. For this purpose, models taking into account non-additive effects were experimented, and the results validated experimentally in field over two years. The prediction of the genetic values of the hybrids was conclusive, so we looked for a priori information to integrate with these models. SNPs involved in the variation of the three traits of interest were searched using several models of GWAS (additive and non-additive). Moreover, in order to test models taking into account epistatic interactions, SNPs located in known gene networks have been sought. Finally the integration of the genomic regions involved in the variation of the traits, into the GBLUP models, was conducted. Two methods were implemented for this, namely the modeling of a priori information in the random part (MultiBLUP model) or in the fixed part of the models. These methods do not show significant improvement in accuracies compared to GBLUP models without a priori information.

La variabilité phénotypique existante au sein d’une population est d’une importance cruciale ; elle permet l’adaptation à de nouvelles conditions par la sélection naturelle de traits bénéfiques. La variabilité phénotypique est le résultat du polymorphisme génétique de chaque individu, couplé à l’influence de divers facteurs environnementaux. Ces travaux ont pour objectif d’élucider quels sont les facteurs génétiques responsables de la variabilité phénotypique de chaque individu afin de comprendre comment celle-ci évolue de génération en génération et peut s’accentuer au-delà des prédispositions parentales. Finalement, les résultats obtenus seront utilisés pour prédire un phénotype à partir d’un génotype inconnu. Nous avons utilisé des techniques de phénomique et de génomique de haut débit pour décomposer avec une précision inédite la variabilité phénotypique d’une large population de souches diploïdes de Saccharomyces cerevisiae. Le génotype exact de plus de 7000 souches uniques a ainsi été obtenu via le croisement et le séquençage de souches haploïdes distinctes. Nous avons mesuré la capacité de croissance de ces souches et identifié les composants génétiques influant sur ce trait. De plus, nous avons identifié des « loci de caractères quantitatifs » additifs et non-additifs, et étudié la fréquence du phénomène d’hétérosis et ses mécanismes. Enfin, en utilisant les données phénotypiques et génotypiques de la même population de levures, nous avons pu prédire les traits de chaque individu avec une presque parfaite exactitude. Ces travaux ont ainsi permis d’identifier avec précision les facteurs génétiques modulant la variation phénotypique d’une population diploïde, et de prédire un trait à partir du génotype et de l’ensemble des données phénotypiques. En plus de ce projet, nous travaillons aussi sur l’identification des bases génétiques à l’origine de la non-viabilité des gamètes, ainsi que sur la compréhension des caractères complexes chez des souches hybrides intra-espèce. De par l’étude de 9000 gamètes séquencés issus de six hybrides différents, nous avons pour objectif de caractériser leur profil de recombinaison et d’observer quelle est l’influence du fond génétique sur ce dernier. De plus, nous avons caractérisé la capacité de croissance de ces gamètes dans neuf conditions environnementales différentes et nous prévoyons de disséquer l’architecture génétique de ces traits dans différents fonds génétiques. / The phenotypic variation between individuals in a population is of crucial importance. It allows populations to evolve to novel conditions by the natural selection of beneficial traits. Variation in traits can be caused by genetic or environmental factors. This work endeavors to study the genetic factors that underlie phenotypic variation in order to understand how variation can be created from one generation to the next; to know what genetic mechanisms are most prominent; to learn how variation can extend beyond the parents; and finally, to use this in order to predict phenotypes of unknown genetic constellations. We used large scale phenomics and genomics to give an unprecedented decomposition of the phenotypic variation in a large population of diploid Saccharomyces cerevisiae strains. Constructing phased outbred lines by large scale crosses of sequenced haploid strains allowed us to infer the genetic makeup of more than 7,000 colonies. We measured the growth of these strains and decomposed the phenotypic variation into its genetic components. In addition, we mapped additive and nonadditive quantitative trait loci, we investigated the occurrence of heterosis and its genetic basis, and using the same populations we used phenotypic and genetic data to predict traits with near perfect accuracy. By using the phased outbred line approach, we succeeded in giving a conclusive account of what genetic factors define phenotypic variation in a diploid population, and in accurately predicting phenotypes from genetic and phenotypic data. Beyond the phased outbred line project, I am currently investigating the genetic basis of gamete inviability and complex traits in intraspecies yeast hybrids. Using 9,000 sequenced gametes from six different hybrids we aim to characterize their recombination landscape and how the genetic background influences it. Furthermore, we have phenotyped these gametes in nine conditions and will dissect the genetic architecture of these traits across multiple genomic backgrounds.

Le mélèze d'Europe (Larix decidua) est traditionnellement exploité pour son bois de qualité. Malheureusement, la culture de cette essence hors de son aire de distribution a été un échec. L'hybridation avec le mélèze du Japon (L. kaempferi) est une voie prometteuse, en particulier grâce à l'hétérosis manifesté par cet hybride. Au cours de cette dissertation, nous valorisons les données d'un diallèle multi-site intra- et inter-spécifique d'âge avancé. Le 1er chapitre présente l'analyse de traits de production et de qualité du bois. Nous confirmons ainsi l'hétérosis pour les traits liés au volume. Cet hétérosis n’entraîne pas de contrepartie en termes de qualité, et se montre stable d'un site à l'autre.Au contraire, d'autres traits ne présentent pas d'hétérosis, mais davantage d'héritabilité.Les performances additives pour ces traits sont stables d'un site à l'autre, et en espèce pure vs. en hybridation. Au cours du 2ème chapitre, nous nous intéressons au rôle de la plasticité phénotypique de traits de formation du bois dans la construction de l'hétérosis.Le mélèze hybride apparaît comme le taxon le plus plastique : tout comme ses espèces parentes, il produit un cerne de croissance étroit en conditions hydriques limitantes, mais sa croissance radiale surpasse celle de ses parents quand l'eau est abondante. Ce 2èmechapitre est également un premier pas vers la compréhension du rôle de la plasticité phénotypique dans la construction de l'architecture de la variance génétique entre la circonférence et la densité des troncs. Cette thèse se termine sur une synthèse, au cours de laquelle nous discutons les retombées de nos résultats pour l'amélioration du mélèze hybride. / European larch (Larix decidua) has been historically exploited within its natural rangefor its high quality wood, but the attempt to grow this species outside its native range was a failure. Hybridization with Japanese larch (L. kaempferi) is a promising path, in particular because of the heterosis this hybrid manifests. In this dissertation, we took advantage ofan old-enough, multi-site experiment with an inter-/intra-specific mating design. The first chapter presents the analysis of several traits involved in wood quality and productivity. We confirmed heterosis for volume related traits. The heterosis came with no counter part inwood quality, and it was stable across sites. Contrarily, some other traits showed no heterosis but higher heritabilities, and the additive performances for these traits were stable across sites and in pure species vs. in hybridization. In the second chapter, we investigated the role of phenotypic plasticity of some wood formation traits in the construction of the heterosis. Hybrid larch appeared as the most plastic taxon: it equaled the parental controls in producing narrow growth increments under drought, but it produced the largest rings in favorable water availability conditions. This second chapter was also a first step towards a better understanding of the role of phenotypic plasticity on the construction of the genetic variance architecture between larch stem circumference and density. The dissertation ends with a synthesis in which we discussed the implicationof our findings for the breeding of hybrid larch.