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

Intracellular symbioses between bacteria and insects are numerous, and alter the ecology and evolution of host and symbiont alike. Long-term persistence results from either exploitation (e.g., reproductive manipulations) or mutually beneficial interactions (e.g., nutritional mutualisms). The endosymbiont Hamiltonella defensa, while not essential for growth or survival of healthy aphids, protects aphids from attack by parasitoid wasps. In this thesis, I have used a variety of sequenced-based techniques to illuminate the population and genome dynamics of H. defensa and to disentangle how these factors contribute to its ability to persist and protect its hosts.I characterized the phylogenetic relationships among H. defensa strains from aphids and a whitefly using a multilocus approach. Most loci evolve in a clonal manner, and one cluster of strains may have given rise to an obligate symbiosis. Some H. defensa strains were infected with the bacteriophage APSE, which encodes putative eukaryotic specific toxins and has been suggested to be involved in protecting aphids. I sequenced the toxin locus and the flanking regions from the APSE strains and found that although the phage genome backbone was highly conserved, strains contained non-orthologous toxin-cassettes. Sequenced cassettes contained one of three putative toxin families: Shiga toxin, cytolethal distending toxin, and YD-repeat toxins. A correlation was noted that of several genetically identical H. defensa strains, the one without phage APSE encoding the YD-repeat toxin failed to protect its aphid host. This APSE strain carrying the YD-repeat toxin has since been demonstrated to be essential for protection in several related H. defensastrains.To examine additional bacterial encoded loci that might facilitate the persistence in and protection of aphids by H. defensa, I sequenced the genome of one strain and obtained partial genomes of two additional strains. These genomes exhibit a streamlined metabolism, but are littered with mobile DNA and putative virulence factors. Horizontal gene transfer, recombination and rearrangements are common, and phage and plasmids have played an important role in resorting genes. Thus, although H. defensa benefits its host, its facultative lifestyle has resulted in a pattern of genome evolution associated with reproductive parasites rather than long-term mutualists.

Les associations symbiotiques entre microorganismes et eucaryotes sont omniprésentes dans le monde vivant. Ces microorganismes peuvent jouer un rôle crucial dans l’évolution et l’écologie de leurs porteurs en modifiant leur phénotype. Ces symbiotes étant le plus souvent héritables, les phénotypes étendus résultant de ces associations symbiotiques peuvent se transmettre aux générations suivantes. Certains microorganismes vont permettre l’accès à une ressource alimentaire, d’autres conférer une protection contre un ennemi. Une telle protection symbiotique est rencontrée chez le puceron du pois (Acyrthosiphon pisum) en interaction avec la bactérie Hamiltonella defensa. Cette symbiose confère au puceron une résistance face à l’attaque de son principal ennemi : le parasitoïde Aphidius ervi. Les populations de ce ravageur des Légumineuses sont structurées en biotypes (populations spécialisées sur des plantes hôtes). La distribution du symbiote protecteur au sein des populations de pucerons est singulière. De nombreux individus vivant sur la luzerne, la bugrane ou les genêts abritent ce symbiote alors qu’il est peu fréquent dans les populations d’autres biotypes d’A. pisum comme le pois ou le trèfle. Nous avons cherché à comprendre pourquoi H. defensa n’était pas retrouvé chez tous les biotypes du puceron du pois. Afin de prédire la dynamique de la symbiose protectrice et le potentiel de résistance dans les populations aphidiennes naturelles, nous nous sommes intéressés à plusieurs processus écologiques et évolutifs. L’incidence de la pression des parasitoïdes sur la composition des populations symbiotiques a été mesurée chez trois biotypes (luzerne, pois et trèfle) à travers une approche terrain. La distribution du symbiote H. defensa dans les populations est directement dépendante de la variabilité du phénotype associé exprimé dans les différentes populations, j’ai identifié les phénotypes associés au symbiote pour des pucerons issus de différents biotypes ainsi que l’influence du contexte local sur ces phénotypes. L’absence d’H. defensa chez certains individus peut s’expliquer par la redondance d’une fonction protectrice en place chez ces biotypes comme un alternative symbiotique autre que H. defensa ou encore une immunité forte. Enfin, nous avons testé si le cumule des protections symbiotiques conférées par deux bactéries du cortège du puceron du pois pouvaient se cumuler créant ainsi des super-organismes. Mon travail met en évidence l’implication de nombreux facteurs dans la prédiction des fréquences symbiotiques d’une bactérie facultative dans les populations d’hôte. / Symbiotic associations between microorganisms and eukaryotes are ubiquitous in the living world. These microorganisms can play a crucial role in the evolution and ecology of their hosts by altering their phenotypes. Since these symbionts are usually heritable, extended phenotypes resulting from these symbiotic associations may be transmitted to subsequent generations. Some microorganisms will allow access to a food source; others will provide protection against natural enemies. Such symbiotic protection is found in the pea aphid (Acyrthosiphon pisum) in its interaction with the bacteria Hamiltonella defensa. This symbiosis provides the aphid with a resistance against the attack of its main parasitoid enemy: Aphidius ervi. The populations of the pea aphid, a legume pest insect, are structured in different biotypes (specialized populations on host plants). The distribution of this protective symbiont within pea aphid populations is singular: many individuals living on Medicago sativa (alfalfa), Ononis spinosa or Genista sagittalis and G. tinctoria host plant with H. defensa while it is rarely found in other populations of A. pisum biotypes such as Pisum sativum (pea) or Trifolium sp. (clover). We sought to understand why H. defensa was not found in every pea aphid biotype. In order to predict the dynamics of the protective symbiosis and the resistance potential in natural aphid populations, we focused on several ecological and evolutionary processes. We measured the consequence of parasitoid stress in the composition of symbiotic populations in three different biotypes (alfalfa, clover and pea) using a field approach. The distribution of H. defensa symbiont in populations dependent directly on the variability of the associated phenotype expressed in different populations. We identified the phenotypes associated with this symbiont in aphids from different biotypes, and the influence of the local context on these phenotypes. The lack of H. defensa in some individuals can be explained by the redundancy of a protective function already in place in these biotypes, such as an alternative symbiotic species or a strong immunity. Finally, we tested whether the symbiotic protections provided by two different bacteria in the pea aphid could be cumulated, thus creating super-organisms. My work highlights the many factors involved in predicting the frequencies of facultative symbiotic bacteria in host populations.