Les travaux entrepris au cours de cette thèse visaient à répondre à des questions fondamentales sur la biologie évolutive des plantes adaptées aux sols contaminés par des métaux lourds. À travers une approche comparative de populations métallicoles (M : sur sols métallifères) et non métallicoles (NM : sur sol normal) de l’espèce modèle Thlaspi caerulescens, cette thèse avait donc pour objectif général d’appréhender l’adaptation aux habitats métallifères d’une manière plus globale que par le seul trait de tolérance aux métaux. Nous avons donc cherché à mettre en évidence les différences de stratégie de vie entre les populations M et NM. Nous avons également estimé le coût de l’adaptation à l’environnement métallifère. Enfin, nous avons porté une attention particulière au rôle que pouvait jouer la plasticité dans l’adaptation à l’environnement métallifère. Cette plasticité a été considérée au niveau des traits d’histoire de vie et du système racinaire. Trois expériences ont étudié les variations des traits d’histoire de vie des populations M et NM: (1) une culture en conditions contrôlées des populations sur un gradient de concentrations en Zn, (2) une expérience de transplantation réciproque in situ de populations M et NM et (3) un suivi démographique dans les populations M et NM. Enfin, une quatrième expérience (4) visait à évaluer les variations entre populations M et NM d’un trait particulier : la plasticité du système racinaire en réponse à une distribution hétérogène des métaux dans le sol. Nos résultats montrent que les plantes M ont, en moyenne, des cycles de vie plus courts que les plantes NM (exp. 1, 3). Par ailleurs, les populations M sont capables de modifier leur stratégie de reproduction en fonction des teneurs en métaux dans le sol ou du site de transplantation (métallifère vs. non métallifère). Que ce soit sur des substrats non contaminés en Zn (exp. 1) ou sur des sites non métallifères (exp. 2), les plantes M produisent autant de graines au cours de leur vie que les plantes NM. Ces résultats suggèrent l’absence d’un coût adaptatif fort chez les plantes M. In situ (exp. 3), nous avons mis en évidence un effet structurant de l’hétérogénéité spatiale des sites métallifères sur les stratégies de vie des plantes M. Enfin, les plantes M ont exprimé une plasticité plus élevée du comportement d’exploration racinaire que les plantes NM (exp. 4). L’existence de stratégies de vie plastiques, l’homéostasie de la fitness sur une large gamme de concentrations en Zn, ainsi que le faible coût adaptatif mis en évidence chez les populations M suggèrent que ces populations sont plus aptes à fonder de nouvelles populations que les populations NM. Nos résultats ont également clairement démontré que les populations M sont caractérisées par une plasticité plus élevée que les populations NM (génotype généraliste). Cette plasticité concerne à la fois les stratégies de vie et les mécanismes d’exploration racinaire. Cette plasticité élevée des plantes M a très probablement évolué en réponse à l’hétérogénéité spatiale des sites métallifères La sélection de génotypes généralistes sur les sites métallifères est une piste de recherche qui mérite, à présent, d’être approfondie chez les autres espèces colonisant les sites métallifères.

Bien que la température soit connue pour affecter le développement, d'autres paramètres environnementaux peuvent affecter les patrons ontogénétiques comme la vélocité du courant, et ce, particulièrement chez les Salmonidae. La vélocité du courant s'avère être un paramètre fondamental en morphologie fonctionnelle, car elle influe sur le régime hydrodynamique et donc affecte le comportement de nage des poissons. Durant les 10 dernières années, beaucoup d'études se sont penchées sur l'effet de la vélocité du courant sur la morphologie du corps chez les Salmonidae. Dans l'ensemble, les études montrent que plus la vélocité augmente, plus cela induit de la plasticité phénotypique, bien que la réponse directionnelle prise par les traits morphométriques soit espèce-dépendante chez les Salmonidae. Néanmoins, la plupart des études tendent à suggérer que les morphologies résultantes sont adaptatives au regard des conditions hydrodynamiques. Pourtant, les interactions entre vélocité du courant, morphologie et développement squelettique n'ont jamais été étudiées. Ceci est surprenant compte tenu que des liens évidents existent entre la locomotion et le développement du squelette. D'autant plus que le développement des structures osseuses ne serait pas contrôlé que génétiquement, mais aussi épigénétiquement. En effet, des études montrent que des exercises de nage soutenue augmentent la masse osseuse ou la longueur des os chez les mammifères. L'hypothèse suggérée est que les contraintes mécaniques associées à la nage générées par les muscles augmentent. Or, les tissus osseux sont reconnus pour être mécanorépondants. Aucune recherche n'a étudié expérimentalement l'effet de la vélocité du courant sur la plasticité développementale en intégrant l'analyse sur plusieurs niveaux d'organisation comme la morphologie du corps et le squelette. Ceci constitue la problématique de la présente thèse. Le premier chapitre avait pour objectif d'étudier au cours de l'ontogénie précoce d'une espèce de Salmonidae, l'Omble chevalier (Salvelinus alpinus), si une augmentation de vélocité de courant induisait de la plasticité morphologique et changeait l'interaction des traits au cours du développement. Les résultats de cette étude sont les premiers à avoir mis au jour chez l'Omble chevalier que : (1) l'augmentation de la vélocité du courant induit de la plasticité développementale des traits morphologiques; (2) la variation des traits morphométriques présente une période critique autour de 50 jours post-éclosion au cours de laquelle la sensibilité aux contraintes environnementales est accrue; (3) le gradient morphologique de l'interaction des traits en termes de forme ne suit pas le gradient environnemental. À haute vélocité, un seuil apparaît qui induit le maintien de l'intégration des traits associés à la taille plus que l'intégration des traits associés à la forme. Les morphologies résultantes de la haute vélocité sont plus proches des morphologies induites par les faibles vélocités que celles des vélocités intermédiaires. Ceci suggère une réponse spécifique de la plasticité développementale au cours du développement aux conditions de vélocités afin de mieux coordonner à des moments critiques du développement les modifications de taille et de forme de l'organisme avec les exigences fonctionnelles imposées par l'environnement. Le second volet avait pour objectif de vérifier que l'augmentation de la vélocité du courant induisait de la plasticité dans le développement des cartilages et des os au sein des nageoires médianes chez l'Omble chevalier. Cette étude est la première à montrer expérimentalement que: (1) l'augmentation de la vélocité du courant induit de la plasticité développementale de l'endosquelette des nageoires médianes; (2) la formation des cartilages est moins affectée par l'augmentation de la vélocité du courant que leur ossification. En effet, la plupart des éléments s'ossifient à des tailles de spécimens plus petites plus la vélocité du courant augmente, et ce, pour les trois nageoires; et (3) les trajectoires de mise en place des cartilages et des os révèlent des périodes développementales de réponses synchrones entre les nageoires. Ces résultats suggèrent une plus grande plasticité développementale de l'ossification que de la chondrification. Cette plasticité est vraisemblablement associée à une plus grande influence épigénétique des contraintes mécaniques sur les os que sur les cartilages et/ou au fait que les structures déjà présentes ont moins de temps pour répondre aux traitements. D'autre part, il est suggéré que le synchronisme de la formation des cartilages et des os au sein des trois nageoires se fait en association avec des transitions de périodes ontogénétiques (embryon versus alevin, alevin versus juvénile). Ce synchronisme est potentiellement adaptatif du point de vue fonctionnel. Le troisième volet avait pour objectif d'étudier plus spécifiquement le développement du squelette caudal et d'analyser la variation induite ou non par la vélocité du courant dans un contexte évolutif. Les résultats de ce chapitre montrent l'existence chez les Salmonidae d'éléments squelettiques jamais ou rarement décrits. Contrairement à la condition généralement observée chez ce clade, sept hypuraux (au lieu de six) ainsi que quatre uroneuraux (au lieu de trois) ont été trouvés chez plusieurs spécimens. Les variations en nombre des éléments squelettiques ont permis de reconsidérer de précédentes hypothèses ayant trait à : (1) l'interrelation entre corps vertébraux et les éléments qui leur ont été supposément associés; (2) la distribution phylogénétique des états de caractère de ces éléments chez les Salmonidae; et (3) la réévaluation des homologies proposées dans la littérature. À l'aide d'hypothèses phylogénétiques précédemment publiées, il est suggéré que les éléments nouvellement observés (en particulier un septième hypural et un quatrième uroneural) représentent des atavismes taxiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : plasticité phénotypique, développement, morphologie, endosquelette des nageoires, Salmonidae.

La persistence des populations en milieu naturel dépend de leur capacité à répondre aux changements spatio-temporels de leur environnement et aux pressions de sélection qui en découlent. Deux mécanismes principaux permettent aux organismes de s’ajuster à de nouvelles conditions environnementales tout en assurant leur persistence locale: la plasticité phénotypique, soit un ajustement du phénotype sans modifications génétiques sous-jacentes; et l'évolution des populations en réponse à la sélection, ou adaptation, processus par lequel les génotypes les mieux adaptés aux conditions environnementales se retrouvent progressivement en plus grande proportion au sein d’une population. Or, le potentiel de réponses plastiques et génétiques peut varier entre populations d'une même espèce, entre autres puisqu'il est lui-même dépendant de l'hétérogénéité spatio-temporelle de l'environnement. Cependant, nous avons à ce jour peu de connaissances sur la façon dont l'environnement affecte les patrons de plasticité phénotypique et le potentiel adaptatif des populations en milieu naturel, rendant difficile la prédiction de la réponse des populations face aux changements environnementaux. Mon doctorat vise donc à comprendre comment l'hétérogénéité environnementale affecte la capacité des populations naturelles à répondre, par le biais de changements plastiques et/ou génétiques, aux changements environnementaux. Pour ce faire, j’ai étudié des populations de Mésanges bleues (Cyanistes caeruleus) du sud de la France et de la Corse, qui occupent différents types d’habitats forestiers (caducifoliés et sempervirents). Ce système représente un cas intéressant d’hétérogénéité environnementale étant donné la grande variabilité dans la période de disponibilité et l’abondance de nourriture entre habitats caducifoliés et sempervirents, les premiers étant plus hâtifs et plus riches en ressources que les seconds. Cette hétérogénéité environnementale est responsable d’une divergence phénotypique marquée au niveau de traits morphologiques et reproducteurs entre populations occupant ces différents types d’habitats. En utilisant à la fois une base de données phénotypiques à long terme, des pedigrees disponibles pour chacune des populations, ainsi que de l’information obtenue à partir de marqueurs microsatellites, j'ai déterminé dans un premier temps: i) les patrons de plasticité phénotypique au sein de chaque population; ii) les niveaux de potentiel adaptatif de traits morphologiques et reproducteurs au sein de chaque population; et iii) la structuration génétique de populations au sein d'un paysage hétérogène. Ensuite, j'ai mis en relation ces patrons avec diverses variables environnementales afin de comprendre comment l'hétérogénéité spatio-temporelle de l'environnement affecte ces paramètres. J'ai d'abord montré un lien entre la variabilité interindividuelle de la plasticité de la date de ponte - un trait reproducteur important chez les oiseaux puisque son ajustement permet une synchronisation de la reproduction avec la période d’abondance maximale de nourriture - au sein d'une population et les patrons de sélection appliqués sur ce trait. Les populations faisant l'objet de fortes pressions de sélection directionnelle présentent peu de variabilité interindividuelle de la plasticité, alors que les individus au sein de populations ne faisant pas l'objet de fortes pressions de sélection varient entre eux dans leurs patrons de plasticité. Ces différences seraient reliées au degré d'hétérogénéité spatio-temporelle de l'environnement au sein de chaque population. Dans un habitat où la disponibilité et la phénologie des ressources alimentaires sont constantes, les individus devront tous synchroniser leur reproduction avec la phénologie de la ressource alimentaire principale, entraînant une sélection directionnelle sur la date de ponte ayant pu, à long terme, uniformiser les patrons de plasticité phénotypique. À l'inverse, au sein d'habitats où la disponibilité des ressources alimentaires est hétérogène dans le temps ou l'espace, les individus devront se synchroniser avec différentes sources alimentaires présentant des phénologies différentes, ce qui explique l'absence de sélection directionnelle et la présence de variabilité interindividuelle de plasticité sur la date de ponte. Dans un deuxième temps, j'ai montré que le potentiel adaptatif de traits morphologiques (masse corporelle corrigée pour la longueur du tarse) et reproducteurs (date de ponte, taille de ponte, temps d’incubation) peut présenter une grande variabilité entre populations d'une même espèce. Cependant, cette variabilité n'est pas affectée par des différences en termes de qualité de l'environnement, et serait plutôt dépendante de l'historique évolutif de chaque population. Par contre, le potentiel adaptatif des traits morphologiques varie temporellement au sein d'une même population, étant plus élevé lors des années de meilleure qualité, alors que le potentiel adaptatif des traits reproducteurs reste stable en fonction de la qualité de l'environnement. Ces patrons suggèrent que durant les années où les conditions environnementales sont défavorables, les individus allouent leurs ressources en priorité aux traits reproducteurs, qui sont associés de plus près à leur valeur adaptative, au détriment des traits morphologiques. Finalement, j'ai montré la présence d’une structure génétique à fine échelle géographique en Corse, les individus se ségrégant en deux groupes génétiquement distincts. Or, ces différences génétiques ne sont liées à aucune barrière géographique au sein de la Corse, indiquant que les individus ont le potentiel de se déplacer librement entre chaque population. La différenciation génétique entre populations est cependant liée à une divergence spatiale des caractéristiques environnementales, les niveaux de différenciation génétique observés coïncidant avec des différences en termes de proportion de chênes caducifoliés vs. sempervirents dans l’habitat où les mésanges se reproduisent. De plus, ces différences génétiques correspondent aux différences phénotypiques entre populations, indiquant que l’adaptation locale des populations à leur habitat respectif pourrait être responsable de la structure génétique observée. Mon projet de doctorat a mis en évidence la grande variabilité dans la capacité des populations d'une même espèce à s'ajuster aux conditions environnementales, et ce même à fine échelle géographique. J'ai également montré l'effet de différentes composantes de l'environnement sur les paramètres affectant la réponse adaptative des populations: les variations des patrons de plasticité phénotypique sont associées aux niveaux d’hétérogénéité spatio-temporelle de l'environnement à l’échelle des populations; les différences de potentiel adaptatif intrapopulations des traits morphologiques sont reliées aux variations dans la qualité de l'environnement; et la structuration génétique des populations serait la résultante d’une hétérogénéité spatiale de l’environnement à l’échelle inter-populationnelle. Mon projet de doctorat a donc contribué à la compréhension des mécanismes influençant la capacité des populations à s'ajuster à des conditions environnementales changeantes, permettant ultimement une meilleure prédiction des réponses plastiques et génétiques des populations face aux changements environnementaux.

Les échinodermes et en particulier les échinides sont susceptibles de présenter une plasticité phénotypique importante, notamment au niveau de la taille et de la forme de leur squelette. Hormis la taille et la forme, les propriétés mécaniques (structurales et du matériau) du squelette des échinodermes pourraient également être modulées en fonction de l’environnement. L’objectif du présent travail était de déterminer dans quelle mesure et selon quelles modalités les propriétés mécaniques des éléments squelettiques des échinodermes étaient affectées par l’environnement. <p>Le principal modèle expérimental du travail était le piquant d'échinides, structure relativement simple dont la majorité du volume est occupée par du squelette. Les piquants constituent la première ligne de défense des échinides vis-à-vis des impacts mécaniques et des prédateurs. Chez les irréguliers, ils sont en outre impliqués dans les processus d’enfouissement. Ils sont donc de première importance du point de vue de l’écologie des échinides, lesquels structurent de nombreux écosystèmes. Par ailleurs, les piquants constituent un compartiment du squelette des échinides particulièrement peu étudié dans le cadre des études sur l’adaptation à l’environnement.<p>La première partie du travail a été consacrée à une étude préliminaire posant les bases du comportement mécanique du piquant d’échinides, et établissant des liens entre les propriétés mécaniques et les propriétés structurales, chimiques et cristallographiques du piquant. Le piquant de l’oursin Paracentrotus lividus présente deux parties morphologiques distinctes :une base constituée de stéréome poreux et une hampe, pourvue d’un centre de stéréome poreux et de septums longitudinaux pleins. Des analyses de nano- et de microindentation ont montré que les septums étaient plus rigides et plus durs que le stéréome central, et que les propriétés mécaniques du piquant étaient différentes en sections transversale ou longitudinale. Ces hétérogénéités mécaniques auraient une valeur fonctionnelle. Le squelette des échinodermes est constitué de calcite magnésienne. Il a été mis en évidence que le magnésium (Mg) n’était pas distribué uniformément dans le piquant d’échinides. En particulier, la concentration en Mg était plus élevée dans la partie interne des septums que dans la partie externe et un motif cyclique de concentration du Mg dans les septums a été observé. Cette distribution spécifique du Mg serait liée à l’ontogénie du piquant et n’aurait pas de lien direct avec ses propriétés mécaniques.<p>La seconde partie du travail a été consacrée à deux comparaisons in situ de sous-populations d’échinides. Pour chaque étude, les paramètres variables de l’environnement sélectionnés ont été confrontés aux propriétés morphologiques et mécaniques des piquants. <p>Quatre sous-populations intertidales et une sous-population subtidale de l’oursin régulier Paracentrotus lividus occupant des sites présentant différentes conditions d’exposition à l’hydrodynamisme, de substrat et de disponibilité en nourriture ont été étudiées (Bretagne, France). La taille, la forme et l’architecture des piquants différaient entre les sous-populations. Des propriétés mécaniques structurales et du matériau (e.g. force de fracture et rigidité) variaient également entre sous-populations. Enfin, les piquants d’oursins de différentes sous-populations présentaient des motifs de variation locale du matériau différents (dureté et contenu en Mg). <p>Les variations des propriétés des piquants de P. lividus mises en évidence dans cette étude seraient essentiellement le reflet d’une plasticité phénotypique passive liée à des stratégies d’allocation des ressources contrastées. <p>Une sous-population intertidale et une sous-population subtidale de l’oursin irrégulier Echinocardium cordatum occupant des sédiments de granulométrie différente ont été investiguées (Bretagne, France). Les oursins du site intertidal, occupant le sable le plus grossier, étaient plus grands et présentaient des piquants plus longs, plus rigides et plus résistants à la fracture. Les variations des propriétés des piquants seraient encore une fois essentiellement le reflet d’une plasticité phénotypique passive, liée à une nourriture plus ou moins qualitative. Néanmoins, le renforcement des piquants des oursins intertidaux pourraient présenter un caractère adaptatif. En effet, ces oursins s’enfouissent plus profondément dans le sédiment et sont supposés, de manière générale, se déplacer plus activement que les oursins subtidaux. <p><p>La troisième partie du travail a été consacrée à l’impact possible des contaminants métalliques sur les propriétés mécaniques du squelette de deux espèces d’échinodermes (l’oursin Echinus ecutus et l’étoile de mer Asterias rubens) évoluant dans le même gradient de contamination d’un fjord norvégien historiquement pollué. Des pièces squelettiques impliquées dans des fonctions mécaniques importantes (piquant d’E. acutus et plaque ambulacraire d’A. rubens) ont été analysées pour leur concentration en métaux (Cd, Cu, Pb et Zn) et leurs propriétés mécaniques. <p>Les piquants d’E. acutus étaient moins contaminés en métaux que les plaques d’A. rubens. En concordance, les piquants d’oursin n’apparaissaient pas affectés mécaniquement par une présence accrue de métaux, alors que les plaques des étoiles évoluant en zones fortement contaminées étaient moins rigides et moins solides. Cette fragilisation est attribuable à une incorporation des métaux dans la maille cristalline de la calcite et/ou à des effets délétères de la présence des métaux pendant la mise en place du squelette. <p>Les résultats obtenus indiquent que des propriétés mécaniques majeures du squelette des piquants d’échinides peuvent varier significativement en fonction de l’environnement. <p>Les mécanismes qui modulent la mécanique des piquants d’oursin sont susceptibles de moduler la mécanique des autres pièces squelettiques des échinodermes, moyennant des ajustements liés aux spécificités de forme et de fonction de ces éléments. <p><p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les changements environnementaux actuels entrainent des modifications importantes dans les pressions de sélection qui agissent sur les populations naturelles. Cependant, la capacité de réponse des populations à ces modifications et l’importance relative des différents mécanismes comme la plasticité phénotypique et les changements de la composition génétique des populations restent encore trop peu connus. L’objectif général de ma thèse était donc d’évaluer les rôles de la plasticité phénotypique et de la variation génétique sur le potentiel évolutif en population naturelle. Pour ce faire, j’ai utilisé comme modèle d’étude l’Hirondelle bicolore (Tachycineta bicolor), un passereau migrateur qui est suivi dans le Sud du Québec depuis 2004 dans un environnement hétérogène. Dans un premier temps (chapitre 2), j’ai évalué les déterminants environnementaux de la date de ponte et évalué leurs effets à des niveaux individuels et populationnels de plasticité phénotypique. Comme observé chez de nombreuses espèces aviaires, la température avait un effet important sur la synchronisation de la ponte, similaire au niveau individuel et populationnel, avec les dates de ponte plus hâtive lorsque les températures étaient plus chaudes. Par contre, ces relations semblaient contraintes par la densité locale d’hirondelles, considérée dans ce système d’étude comme un indice de la qualité de l’environnement. Plus précisément, les réponses plastiques à la température étaient moins prononcées à faible densité, c’est-à-dire dans les habitats plus contraignants. Ces résultats suggèrent donc que malgré la présence de plasticité phénotypique chez une espèce donnée, son efficacité pour pallier les changements climatiques peut être inégale entre les populations. Dans un deuxième temps (chapitre 3), je me suis intéressée à 4 gènes candidats liés à la phénologie (CLOCK, NPAS2, ADCYAP1 et CREB1) montrant de la variation de type courtes répétitions en tandem, et à leur relation avec deux traits phénologiques, la date de ponte et le temps d’incubation. Ces analyses ont montré plusieurs relations entre la variation observée à ces gènes et celle des traits phénologiques étudiés, dans la plupart des cas en interaction avec des variables environnementales (densité locale, latitude ou température printanière). Par exemple, les femelles avec en moyenne des allèles plus courts au gène CLOCK pondaient plus tôt que celles avec des allèles plus longs, une relation plus marquée à densité locale élevée. Les différents résultats suggèrent l’importance que peuvent prendre les interactions génotype-environnement, qui sont rarement prises en compte dans les études de gènes candidats, et qui pourraient expliquer une partie des résultats discordants entre les celles-ci. Dans un troisième temps (chapitre 4), j’ai vérifié la faisabilité d’une étude en génétique quantitative avec les données récoltées dans le système d’étude utilisée, caractérisé par un fort taux de reproduction hors couple et un faible recrutement des oisillons. Plus précisément, j’ai testé à l’aide de données empiriques et simulées la précision et l’exactitude des estimations d’héritabilité et de corrélations génétiques pour trois types de traits, morphologiques, reproducteurs et d’oisillons. Les résultats suggéraient un manque de précision important pour les traits morphologiques et reproducteurs, de même que des biais considérables lors de l’utilisation du pédigrée social plutôt que du pédigrée génétique. Ces analyses révèlent entre autres l’utilité des simulations pour tester adéquatement la faisabilité d’une étude en génétique quantitative sur une population donnée. Dans une dernière étude (chapitre 5), j’ai documenté les effets de l’hétérogénéité environnementale et de l’utilisation de différentes approches de génétique quantitative sur les prédictions de réponses évolutives en population naturelle. Plus particulièrement, cette étude s’est concentrée sur trois traits morphologiques (masse, longueur de l’aile et du tarse) mesurés à différents moments au cours du développement des oisillons. Les différentes analyses ont montré une sélection plus forte à faible densité locale pour la masse à 12 jours ainsi que des variations dans les composantes de variances phénotypiques selon la qualité de l’environnement (densité locale faible ou élevée) pour la plupart des combinaisons trait-âge étudiées. Il en résultait une tendance à des réponses évolutives prédites plus grandes à faible densité locale. Par contre, les prédictions obtenues avec l’équation du reproducteur et le second théorème de la sélection différaient fréquemment, et contrastaient grandement avec les tendances phénotypiques observées. En somme, les résultats de ma thèse suggèrent que les possibilités d’ajustement aux changements environnementaux par la plasticité phénotypique et d’adaptation par des changements génétiques entre les générations peuvent varier selon l’environnement expérimenté par une population. Mes recherches contribuent à une meilleure compréhension des facteurs et mécanismes influençant la persistance à long terme des populations naturelles face aux modifications dans les pressions de sélection.

Dans le contexte des changements climatiques, la capacité d’adaptation à la contrainte hydrique des arbres de plantation devient un enjeu majeur pour le maintien de leur productivité. La plasticité phénotypique des génotypes, facteur majeur de l’adaptation aux changements environnementaux, reste encore insuffisamment décrite chez les arbres forestiers, plantes pérennes à long cycle de révolution. Cette thèse se propose i / de caractériser la plasticité phénotypique pour deux clones commerciaux d’eucalyptus soumis à une contrainte hydrique au champ, ii/ d’identifier les caractères potentiellement adaptatifs (i.e. ceux présentant de l’interaction GxE) et iii/ de mettre en évidence les mécanismes moléculaires sous-jacents. Un dispositif expérimental mis en place en république du Congo a permis de comparer, à travers une approche intégrant différents caractères allant de l'expression de gènes à la production de biomasse, la réponse de deux génotypes d’eucalyptus soumis à des régimes hydriques différents au cours de la saison sèche sur les deux 1ères années de croissance. Les résultats montrent que si l’effet de la saison sèche est relativement similaire pour les deux génotypes (réduction des accroissements relatifs), le clone plus productif présente des accroissements très élevés en saison des pluies, et semble donc mieux optimiser des conditions environnementales favorables. La capacité d’ajustement physiologique, anatomique et moléculaire au niveau foliaire de ce génotype semble être un atout au maintien de ses capacités photosynthétiques.Cette thèse a permis de mettre en évidence certains critères (surface foliaire spécifique, accumulation de phénols, épaisseur de collenchyme dans les feuilles), qui pourraient permettre d’évaluer le potentiel adaptatif des populations d’eucalyptus, nécessaire à leur gestion durable des plantations. D’autre part, certains gènes impliqués dans la photosynthèse et le métabolisme secondaire, dont l’expression pourrait être liée à la variation de caractères phénotypiques ont été mis en évidence. L’identification de ces gènes constitue une première étape vers la compréhension des mécanismes moléculaires sous-jacents à la plasticité phénotypique chez l’eucalyptus. / In the context of climate change, the ability of industrial forest plantation to cope with water scarcity is becoming a challenge for productivity maintenance. The phenotypic plasticity of genotypes, a major factor of adaptation to environmental changes, is still insufficiently described for long-lived species such as trees. This thesis proposes i/ to characterize the phenotypic plasticity for two commercial eucalyptus clones that differ in terms of productivity, subjected to water stress in the field, ii/ to identify potentially adaptive traits (i.e. those revealing GxE interaction) and iii/ to highlight the underlying molecular mechanisms.A field trial installed in the Republic of Congo was used to compare, responses of two contrasted eucalyptus genotypes subjected to different watering regimes during the dry season on the first two years of growth. We used an integrative approach involving different traits from gene expression to biomass production.The results show that if the effects of the dry season were relatively similar for both clones (lower relative increments), the most productive clone displayed a higher growth increment during the rainy season, and seemed to take more benefits when environmental conditions become more favorable. The ability to adjust leaf physiological, anatomical and molecular traits of this genotype seems to be an asset to maintain its photosynthetic capacity.This thesis allowed to highlight some criteria (specific leaf area, carbon isotope discrimination, thickness of collenchyma and cuticle in leaves), which could help to assess the adaptive potential of Eucalyptus populations for sustainable management of planted stands. On the other hand, some genes whose expression may be related to variation in phenotypic characters were revealed. This set of genes is resource first step toward the understanding of the molecular mechanisms underlying phenotypic plasticity in eucalyptus.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le processus de biominéralisation confère aux organismes qui le développent une valeur adaptative. La coquille carbonatée des mollusques intègre les fonctions de protection biomécanique à différentes échelles. La coquille résulte de l'association de composés inorganiques et d'une matrice organique protéique, médiatrice du contrôle biologique de la minéralisation. L'analyse du protéome de la coquille chez 4 espèces de bivalves met en évidence deux patrons fonctionnels et leur degré de conservation phylogénétique : l'un lié au contrôle de la minéralisation stricto sensu ; l'autre à la protection immune. L'étude de populations vivant à l'état naturel en mer Baltique, dont les eaux présentent localement de fortes variations ioniques montre que le protéome intègre également l'impact de conditions environnementales limitantes. L'anthropocène impose un rythme adaptatif pressant aux organismes et la modification acido-basique des eaux océaniques est susceptible d'impacter sensiblement les organismes calcifiants. La signature de mécanismes adaptatifs du contrôle biologique de la biominéralisation se traduit dans le protéome de la coquille. Les implications sont particulièrement signifiantes dans un contexte d'intérêt de développement aquacole grandissant. / In this study, the SMPs from four commercially important and divergent bivalve species crassostrea gigas (pacific oyster), Mya truncata (soft shell clam), Mytilus edulis (blue mussel) and Pecten maximus (king scallop) were extracted and analysed using standardized extraction protocol and proteomic pipeline. This enables us to identify critical elements of basic biomineralization tool kit for calcification process irrespective of their shell morphology, mineralogy and microstructure. In addition, it enables the identification of SMPs that are specific to calcite and aragonite mineralogies. The signifiant numbers of SMPs found species-specific were hypothesized as adaptation to their modus vivendi. In fact, the latter proteins possess immunity-related functions and fit into specific pathway, phenoloxidase, suggesting their role in defense against pathogen. The comparative study of shell proteome of mussels living in full marine condition, North Sea and the Iow saline Baltic Sea showed the modulation of the SMPs that constitute the basic biomineralization tool kit. Higher modulation of chitin related proteins and non-modulated protein such as carbonic anhydrase, EGF and fibronectin domain containing proteins points out the impaired scaffold and mineral nucleation process in Baltic mussel. The modulation of immunity related proteins denote the influence of biotic components. These investigations show the functional diversity of SMPs and their roles beyond shell formation in the bivalvesand put forth the idea that shell is dynamic, endowed with both biochemical and mechanical protection.

La levure S. cerevisiae est la seule espèce capable de terminer la fermentation alcoolique du jus de raisin qui est l’étape principale de la vinification. A cause de la forte variabilité technologique retrouvée chez cette espèce, des travaux de sélection sont réalisés dans le but d’utiliser des levains performants pour l’industrie. Ces souches montrent des différences importantes à la fois dans leurs cinétiques fermentaires et leur bilans en métabolites, ce qui impacte la qualité des vins. La réponse phénotypique des levures varie également de manière considérable et non homogène face aux variations environnementales. La compréhension des mécanismes génétiques expliquant cette réponse différenciée est une question scientifique non triviale. Elle revêt une importance particulière en oenologie, où les conditions de vinifications sont très changeantes (millésimes, cépages, terroirs, conduites de vinifications…). Afin de pouvoir proposer des levains garantissant le succès des fermentations dans un large éventail de conditions, nous proposons ici de mieux comprendre ces mécanismes d’interaction Gène x Environnement dans un contexte oenologique. L’identification de locus génétiques (Quantitative Trait Loci (QTL)) contrôlant des caractères quantitatifs est rendue possible par des approches de cartographie de QTLs. Celles-ci nécessitent l’étude d’une vaste descendance en ségrégation qui doit être caractérisée sur le plan génétique et phénotypique. L’établissement d’un lien statistique entre des marqueurs génétiques et un phénotype permet la localisation de QTLs influant les caractères étudiés. Au cours de cette thèse, une méthode de phénotypage pour suivre les fermentations de plusieurs centaines d’individus a été mise au point. Grâce à elle, les performances fermentaires de deux descendances génotypées par séquençage à haut débit ont été mesurées en faisant varier les conditions de fermentations. Cela a permis l’identification de nombreux QTLs et d’estimer leur impact sur la robustesse des souches. L’implication des allèles de trois gènes qui montrent une forte interaction avec l’environnement et qui possèdent des effets pléiotropiques liés au métabolisme du SO2 a été prouvée moléculairement. Les résultats obtenus font l’objet d’une discussion générale sur l’utilisation de QTLs pour la sélection de levures plus performantes. / The yeast S. cerevisiae is the only species able to complete the alcoholic fermentation of grape must which is the main step of the wine-making process. Because of the high technological variability found in this species, selection work is carried out with the aim of using efficient yeasts for the industry. These strains show important differences both in their fermentation kinetics and their metabolite yield which affects the wines quality. In addition to these important phenotypic variations, the phenotypic response of yeasts varies considerably and not homogeneously against environmental variations. Understanding the genetic mechanisms that explain these differentiated responses to environmental variations is a non-trivial scientific question. This is of particular importance in oenology, where the winemaking conditions are highly variable (vintages, grape variety, terroirs, oenological practices...). In order to obtain yeasts ensuring the success of the fermentations under a wide range of conditions, we propose here to better understand these mechanisms of interaction Gene x Environment in an oenological context. The identification of genetic locus (Quantitative Trait Loci (QTL)) controlling quantitative characters is made possible by QTL mapping approaches. These approaches require the study of a large progeny in segregation that must be characterized genetically and phenotypically. The establishment of a statistical link between genotype and phenotype allows the localization of QTLs that have an impact on phenotyped characters. During this thesis a phenotyping method that allows us to follow the fermentations of several hundred individuals has been developed. Thanks to it, two progenies genotyped by whole genome sequencing have been phenotyped in different environmental conditions. This lead to the identification of many QTLs and to the estimation of their impact in strain robustness. The implication of the alleles of 3 genes showing a strong interaction with environment and pleiotropic effects linked to the SO2 metabolism has been proved molecularly. The results achieved are discussed in the context of QTL exploitation for the selection of more efficient yeast.

Les plantes sont des organismes sessiles qui présentent plusieurs caractéristiques leur permettant de s'adapter rapidement aux variations de conditions environnementales. En particulier la lumière représente une source d’information essentielle utilisée tout au long du cycle de vie pour ajuster leur développement. Cette thèse avait pour objet l’étude de l’impact des mécanismes chromatiniens dans la régulation de l’expression des gènes pouvant influencer l’adaptabilité des plantes aux variations de signaux lumineux, à travers deux types de réponses caractérisées par des échelles de temps différentes chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. La première étude portait sur des processus chromatiniens dynamiques participant à la régulation de l’expression génique, et utilisait comme modèle le dé‐étiolement. La triméthylation de la lysine 4 de l’histone H3 (H3K4me3), une modification posttraductionnelle généralement associée à un état transcriptionnel actif a été plus particulièrement étudiée. Afin de mieux connaître cette voie, le gène SWD2‐Like b (S2Lb) a été caractérisé. Il s’agit d’un nouveau partenaire de complexes COMPASS‐like et un déterminant important du niveau global de H3K4me3. L’analyse de plantes dans lesquelles ce gène est inactivé a montré qu’un défaut d’accumulation de H3K4me3 corrélait avec une induction plus faible de gènes de réponse à la lumière au cours du dé‐étiolement. Ces résultats et les nouveaux outils obtenus constituent une base solide pour étudier l’influence de cette marque et des facteurs associés sur la modulation fine de l’expression génique en relation avec d’autres marques chromatiniennes. La seconde étude cherchait à déterminer l’impact des variations épigénétiques sur la capacité des plantes à induire un syndrome d’évitement de l’ombre, une réponse adaptative à des conditions de lumière défavorables produites par des compétiteurs. Un phénotypage à grande échelle dans deux conditions de lumière induisant des réponses opposées a été réalisé sur une population de lignées recombinantes inbred (epiRIL), dans laquelle les variations épigénétiques (méthylation de l’ADN) sont maximisées mais les variations de séquence nucléotidique sont minimes. Une plus grande variation phénotypique ainsi qu’une plus grande amplitude dans la capacité de réponse à l’ombre ont été observées dans la population epiRIL. De plus, une cartographie QTL a permis d’identifier une région au début du chromosome 3 spécifiquement associée à la réponse d’évitement de l’ombre. Bien qu’une caractérisation plus fine soit nécessaire, le locus impliqué pourrait correspondre à une première description de QTL « épigénétique » influençant la plasticité phénotypique des plantes en réponse à une variation des conditions de l’environnement. / Plants are sessile organisms that successfully face variations of the environment by taking advantage of their ability to adapt their physiology and morphology. In particular, light perception constitutes an essential source of information used throughout their life cycle to fine‐tune development. The work presented was aimed at studying the role of chromatin‐associated mechanisms on adaptive responses to light cues at two different timescales in the model plant species Arabidopsis thaliana. In a first part, the role of chromatin dynamics in the regulation of gene expression was assessed during de‐etiolation, a developmental transition of seedlings that is triggered upon the first perception of light. It focused mainly on the trimethylation of histone H3 at lysine 4 (H3K4me3), a post‐translational modification associated with transcriptionally active states. To gain new insights into this pathway, the SWD2‐Like b (S2Lb) gene was characterized and shown to represent a new partner of plant COMPASS‐like complexes and a major determinant of H3K4me3 in A.thaliana. Loss‐of‐function plant lines for the S2Lb gene revealed that a default in H3K4me3 enrichment correlates with impaired inducibility of several light‐responsive genes during de‐etiolation. The findings described here set the bases to investigating how this mark and the associated factors influence the modulation of gene expression in relation with other chromatin marks. The second part of this thesis was aimed at assessing the impact of epigenetic variation on the capacity of plants to undergo the shade‐avoidance response (SAR), an adaptive developmental response to unfavorable light conditions produced by competitors. A population of epigenetic Recombinant Inbred Lines (epiRILs), in which epigenetic variation (DNA cytosine methylation) is maximized and nucleotidic sequence variation is minimized, was used for a large‐scale phenotyping under two light conditions triggering opposite responses. The epiRIL population exhibited larger amplitude of phenotypic variation than wild‐type parents in each condition as well as a wider range of response to shade. A region at the beginning of chromosome 3 was identified by QTL mapping to specifically associate to the SAR. Though it remains to be characterized, the locus involved may represent a first “epigenetic QTL” influencing phenotypic plasticity in response to environmental changes.