Biodiversité élevée, complexité des réseaux trophiques et des interactions biotiques, forte productivité, source de produits et de richesses, protection du littoral ... sont quelques unes des caractéristiques emblématiques des écosystèmes coralliens. Cette prodigieuse diversité est largement liée à la biologie particulière des principaux bioconstructeurs du récif, les coraux hermatypiques et leurs zooxanthelles symbiotiques. Mais depuis quelques décennies, la plupart des récifs sont durement affectés par diverses perturbations d'origine naturelle ou anthropique, dont l'intensité et la fréquence augmentent, en lien avec le changement climatique global pour certaines d'entre elles. Parmi ces perturbations, le blanchissement corallien (perte de zooxanthelles symbiotiques et/ou de leurs pigments photosynthétiques) et les maladies coralliennes ont engendré une mortalité importante, parfois massive, des coraux. Le dernier bilan de l'état de santé des récifs à l'échelle planétaire réalisé en 2008 est particulièrement préoccupant : 19% des récifs sont complètement détruits, 20% présentent tous les symptômes d'une destruction imminente, et 20% sont considérés comme menacés dans les décennies à venir. Dans ce contexte, l'ambition de ce travail est d'améliorer les connaissances sur les méchanismes physiologiques et transcriptomiques des coraux soumis à des stress thermiques conduisant au blanchissement, et à des stress biotiques d'origine bactérienne. L'objectif est également de fournir des bases solides pour la mise en oeuvre de biomarqueurs pertinents pour le suivi de l'état de santé des coraux et la prédiction précoce des perturbations. Ce travail a porté sur le corail scléractiniaire Pocillopora damicornis et la bactérie Vibrio coralliilyticus, et a mis en oeuvre des expérimentations "écologiquement réalistes" de stress en milieu contrôlé. Dans une première étude, des colonies de P. damicornis ont été confrontées à une montée graduelle de la température (28 à 32°C) sur une période de 15 jours. Les ARNms différentiellement exprimés (entre conditions stressées et non stressées) ont été isolés par hybridation soustractive et les taux de transcription des gènes les plus intéressants ont été quantifiés par RT-PCR-quantitative. Ces approches ont révélé 2 candidats présentant une répression drastique de leur expression 6 jours avant les premiers symptômes visibles du blanchissement. Des expériences de RACE-PCR ont montré que l'un d'entre eux (PdC-Lectin) contient un domaine lectine de type C présentant une spécificité de reconnaissance pour le mannose. Les expériences d'immuno-localisation ont démontré que cette protéine hôte était potentiellement le médiateur moléculaire des interactions hôte/symbiote, suggérant un rôle dans l'acquisition ou la séquestration des symbiotes. Le second gène (Pdcyst-rich) code une protéine potentiellement impliquée dans les mécanismes de calcification. Sa répression pourrait être le reflet d'un mécanisme de type trade off conduisant à l'arrêt de la croissance durant le stress. La seconde étude a examiné les réponses de P. damicornis confronté à son pathogène spécifique V. coralliilyticus, dans un état virulent (augmentation de la température) et non virulent (température stable). Le processus infectieux a été examiné par microscopie électronique et RT-PCR-quantitative alors que l'état général des coraux a été évalué par des observations visuelles et des mesures de la densité en zooxanthelles. Les résultats montrent que l'infection ne s'est développée qu'après augmentation de la témpérature. Au sein de nombreuses EST obtenues par hybridations soustractives, 6 gènes candidats ont été sélectionnés pour leur implication potentielle dans les mécanismes de la réponse immunitaire, et leur expression a été mesurée tout au long des cinétiques d'interactions virulences et avirulentes (RT-PCR-quantitative). Parmi ces gènes, 3 appartiennent à la famille des lectines, 2 codes des protéines fixant des éléments métalliques et le dernier code un inhibiteur de protéase. L'analyse de leurs patterns de transcription a permis de mieux comprendre la réponse immunitaire du corail, mais aussi l'impact du vibrio sur son hôte. Enfin, la dernière étude a spécifiquement porté sur la caractérisation du premier peptide antimicrobien (AMP) de scléractiniaires, la damicronin de P. damicornis. Nos résultats montrent que la damicornin est constitutivement transcrite dans des cellules granulaires de l'ectoderme oral et stockée sous forme inactive dans les granules. Lors d'un stimulus immun, la damicornin est sécrétée et activée. Nos résultats montrent également que la transcription de la damicornin est réprimée par V. coralliilyticus lorsque ce dernier s'installe dans les tissus coralliens, ce qui semble être le premier exemple de répression d'un AMP lors d'une interaction hôte/Vibrio. Finalement ce sont donc 9 biomarqueurs de stress environnementaux qui ont été identifiés, 2 présentent une répression précoce de leur expression lors d'un stress thermique inducteur de blanchissement et 7 répondent à des stress bactériens. Pour ces derniers, selon l'association de biomarqueurs utilisée il est possible de distinguer des coraux confrontés à des interactions de type avirulente ou virulente. Maintenant que ces biomarqueurs sont identifiés, il apparaît nécessaire de passer aux étapes de validations. Ces dernières auront pour but de quantifier la variabilityé d'expression de ces biomarqueurs à différentes échelles, mais aussi de définir une ligne de base, indispensable pour suivre l'état de santé des coraux à l'aide de ces biomarqueurs. Au terme de ce travail, il apparaît particulièrement judicieux de se pencher sur l'implication des mécanismes épigénétiques dans l'adaptation fonctionnelle des coraux en réponse aux stress environnementaux. L'étude des liens entre l'immunité et la symbiose, marquée ici par les implications différentes d'un même gène (PdC-Lectin) dans ces fonctions, nous paraît également une voie de recherche prometteuse. Enfin, il conviendrait d'étudier l'effet d'un stress acide, ce qui serait particulièrement judicieux dans le contexte actuel d'acidification des océans.

Coral recruitment is a key process that contributes to the community structure and resilience of coral reefs. As such, quantification of this process is important to assist with the management of these threatened ecosystems. While coral recruitment has been the focus of numerous studies over the past 30 years, an understanding of this process on the high-latitude reefs of South Africa is limited. In addition, variations in methods used in recruitment studies make the results difficult to compare. A rapid in-situ method for universal application in the detection of early post-settled recruits would thus be useful. In this study, scleractinian coral recruitment was investigated at three study sites on Two-mile Reef, over two six-month sampling periods, covering summer and winter. Two components were investigated by attaching settlement tiles consisting of ceramic and marble tiles, and ceramic tiles conditioned with crustose coralline algae (CCA) onto the reef in a spatially structured experimental design. Firstly, coral recruitment was compared on the three different tile surfaces and fluorescence photography was investigated as a rapid in situ technique to detect early post-settled recruits. Fluorescence photography was then used to compare recruitment on tiles with the surrounding natural substrata. Secondly, the spatial and temporal variation in the abundance, composition and size of recruits was investigated. Additionally, the percentage cover of biota surrounding each recruit within three millimeters of its corallum was visually estimated to quantify the microhabitat surroundings of coral recruits. Overall recruitment on the three tile types differed, yet spatial variation in coral recruitment, regardless of tile surface, accounted for most of the variance in recruitment. While the highest recruitment occurred on CCA tiles, this was not significantly greater than ceramic tiles, indicating that the conditioning of ceramic tiles with Mesophyllum funafutiense CCA did not enhance coral settlement in this study. Although many recruits were not detected with fluorescent photography (73%), it proved useful to reveal recruits as small as 0.75 mm in corallum diameter, and indicated that recruitment on the tiles and natural substratum differ significantly. Spatially, the abundance and composition of coral recruits differed between study sites, within sites, and predominantly occurred on tile edges. Coral recruitment was lowest at shallower sites, and was dominated by pocilloporids regardless of study site. Additionally, the abundance and composition of recruits differed between the two sampling periods, with a 6.6-fold decrease in the mean abundance of recruits from summer to winter, with only pocilloporid settlement occurring in the latter season. The majority of recruits were <3 mm, and their microhabitat was dominated by bare substrata and crustose coralline algae. The results suggest that, while the choice of artificial settlement surface used in such studies can have a profound influence on the results, spatial variation in recruitment can be greater. The recovery of scleractinian coral taxa on Two-mile Reef in the event of a severe disturbance is expected to differ, with greatest recovery in areas of high levels of recruitment. The microhabitat surrounding recruits is described here for the first time, suggesting that further research into coral-crustose coralline algae interactions is warranted. Finally, while fluorescence photography has its limitations, it shows promise as a useful tool for rapid qualitative, but not quantitative, assessment of recruitment. / Thesis (M.Sc.)-University of KwaZulu-Natal, Westville, 2011.

L’origine de la variabilité phénotypique est un sujet très débattu depuis les théories de Lamarck et Darwin. Dans la vision contemporaine de l’évolution adaptative, il est communément admis que la seule source héritable de variabilité phénotypique soit d’origine génétique. Le phénotype est alors le produit du génotype sous l’influence de l’environnement. La mutation aléatoire des séquences d’ADN permet de générer de nouveaux variants phénotypiques qui sont alors soumis à la sélection naturelle. Traditionnellement, il est considéré que les caractères acquis par un individu durant sa vie, en réponse à l’environnement, ne sont pas héritables et ne jouent aucun rôle évolutif. Pourtant, il y a presque un siècle, un biologiste allemand du nom de Victor Jollos a mis en évidence que certains phénotypes peuvent être induits par des conditions environnementales particulières et persister durant quelques générations en l’absence du stimulus initial avant de disparaître progressivement. Il nomma ce phénomène Dauermodifikations, littéralement « modifications de longue durée ». Ses conclusions allaient à contre-courant des conceptions évolutives de son temps, et ont été considérées comme des artéfacts expérimentaux. Toutefois, nous sommes maintenant conscient qu’outre le code génétique, il existe également un autre mécanisme permettant une réponse héritable et pourtant flexible en réponse aux fluctuations environnementales : le code épigénétique. Au cours de cette thèse, j’ai essayé de mieux caractériser le rôle des mécanismes épigénétiques, plus précisément ceux impliques dans la structure chromatinienne, chez deux organismes présentant des Dauermodifikations : le corail tropical Pocillopora damicornis et le parasite humain Schistosoma mansoni. Les deux objectifs principaux de cette étude sont de déterminer (I) de quelle manière l’environnement influence la structure chromatinienne (ciblée ou aléatoire) et (II) dans quelle mesure ces changements sont-ils héritables (mitotiquement ou méïotiquement).Nos résultats ont permis de mieux caractériser les épigénomes des deux organismes étudiés. Nous avons décrit la structure chromatinienne de S. mansoni au travers de la distribution de six modifications d’histones, sur deux stades développementaux. Par ailleurs, nous avons montré chez S. mansoni trois types de changements de la structure chromatinienne : (I) ciblés en réponse à l’environnement, (II) associés au génotype et (III) aléatoires. Seuls les types II et III sont héritables d’un stade développemental du parasite à un autre. Nos travaux sur P. damicornis ont permis de remarquer une structure chromatinienne inhabituelle et d’offrir une première description d’un méthylome de corail. / The origin of phenotypic variability has been much debated since the establishment of Lamarck’s and Darwins theories of evolution. It is commonly accepted in the contemporary vision of adaptive evolution that the only source of heritable phenotypic variability is genetic. Here, phenotypes are the product of the genotypes under the influence of the environment. Random DNA mutations generate novel phenotypes, which are then subjected to natural selection. Traditionally, it is considered that acquired characters are not heritable and have no impact on evolution. Yet almost a century ago, a German biologist named Victor Jollos revealed that some phenotypes could be produced in particular environmental conditions and could persist for a few generations in the absence of the original stimulus, before disappearing gradually. He named this phenomenon Dauermodifikations, literally “long term changes”. His conclusions were going against evolutionary conceptions of his time, and were considered experimental artefacts. However, we are now aware that, in addition to the genetic code, there is also another heritable, and yet flexible, mechanism responding to environmental fluctuations: the epigenetic code. In this thesis, I attempted to characterize the role of epigenetic mechanisms, and more specifically modifications of the chromatin structure, in two organisms with Dauermodifikations: the tropical coral Pocillopora damicornis and the human parasite Schistosoma mansoni. The two main objectives of this study were (I) to determine how the environment influences the chromatin structure (in a targeted or random fashion) and (II) to what extent these changes are heritable (through mitosis or meiosis).My results provide a better knowledge of the epigenome of the two organisms we studied. We have described the chromatin structure of S. mansoni through the distribution of six histones modifications, in two developmental stages. Furthermore, we have shown three types of changes in chromatin structure of S. mansoni: (I) targeted in response to environmental changes, (II) genotype associated, and (III) random. Only types II and III are inherited to the next developmental stages of the parasite. Our work on P. damicornis delivers evidence for an unusual chromatin structure in this organism and to provide the first description of a coral methylome

Some climate models predict that, within the next 30-50 years, sea surface temperatures (SSTs) will frequently exceed the current thermal tolerance of corals (Fitt et al. 2001; Hughes et al. 2003; Hoegh-Guldberg et al. 2007). A potential consequence is that mass coral bleaching may take place (i) during warm El Niño-Southern Oscillation (ENSO) events which are predicted to occur in some regions more frequently than the current 3-7 year periodicity (Hoegh-Guldberg 1999; Sheppard 2003) or (ii) perhaps as often as annually or biannually if corals and their symbionts are unable to acclimate to the higher SSTs (Donner et al. 2005, 2007). Global data also indicate an upward trend toward increasing frequencies, intensities, and durations of tropical hurricanes and cyclones (Emanual 2005; Webster et al. 2005). As coral communities have been shown to require at least 10-30 years to recover after a major disturbance (e.g. Connell 1997; Ninio et al. 2000; Bruno & Selig 2007; Burt et al. 2008), it is possible that future coral communities may be in a constant state of recovery, with regeneration times exceeding the periods between disturbances. Life history traits (e.g. reproduction, recruitment, growth and mortality) vary among species of hard corals; thus, gradients in community structures may have a strong influence on susceptibilities to disturbance and rates of recovery (Connell 1997; Ninio & Meekan 2002). Taxa which are more susceptible to bleaching and mechanical disturbance (e.g. tabular and branching acroporids and pocilloporids) may experience continual changes in population structure due to persistent cycles of regeneration or local extirpation, while the more resistant taxa (e.g. massive poritids and faviids) may display relatively stable population structures (Woodley et al. 1981; Hughes & Connell 1999; Baird & Hughes 2000; Marshall & Baird 2000; Loya et al. 2001; McClanahan & Maina 2003). Determining whether resistant coral taxa have predictable responses to disturbances, with consistent patterns over wide spatial scales, may improve predictions for the future affects of climate change and the composition of reefs (Done 1999; Hoegh-Guldberg 1999; McClanahan et al. 2004). The work presented in this dissertation describes the spatial and temporal patterns in community structures for high latitude coral assemblages that have experienced the types of natural disturbances which are predicted to occur in tropical reef systems with increasing frequency as a result of climate change. The primary area of focus is the southeastern Arabian Gulf, where the coral communities are exposed to natural conditions that exceed threshold limits of corals elsewhere in the world, with annual temperature ranges between 14-36°C (Kinzie 1973; Shinn 1976) and salinities above 40 ppt. Two additional regions are included in this study for comparisons of high latitude coral community structures. The northwestern Gulf of Oman is adjacent to the southeastern Arabian Gulf (i.e. the two bodies of water are connected by the Strait of Hormuz); however, the environmental conditions are milder in the Gulf of Oman such that the number of coral taxa therein is threefold that found in the southeastern Arabian Gulf (i.e. 107 coral species in the Gulf of Oman compared to 34 species in this region of the Arabian Gulf (Riegl 1999; Coles 2003; Rezai et al. 2004)). Broward County, Florida is geographically remote from the Gulfs and, therefore, serves as a benchmark for testing whether consistent patterns in community structures exist despite different climatic and anthropogenic influences. The coral communities within the southeastern Arabian Gulf, the northwestern Gulf of Oman, and Broward County, Florida have been exposed to recurrent elevated sea surface temperature (SST) anomalies, sequential cyclone and red tide disturbances, and frequent hurricanes and tropical storms, respectively. These disturbances and other impacts (e.g. bleaching episodes, disease outbreaks, anthropogenic stresses) have affected the more susceptible acroporids and pocilloporids, resulting in significant losses of coral cover by these families and shifts towards massive corals as the dominant taxa. During the post-disturbance scarcity or absence of branching and tabular corals, the resistant massive taxa have become the crux of the essential hard coral habitat for fish, invertebrates and other marine organisms. Because recovery to pre-disturbance community structures may take decades or may not occur at all, it is vital that scientists and resource managers have a better understanding of the spatial and temporal ecology patterns of the corals that survive and fill in the functional gaps that are created by such disturbances. To aid in this understanding, this dissertation presents spatial and temporal patterns for the coral assemblages which have developed after the respective disturbances. Spatial ecology patterns are analyzed using graphical descriptions (e.g. taxa inventories, area cover, densities, size frequency distributions), univariate techniques (e.g. diversity indices), distributional techniques (e.g. k-dominance curves) and multivariate techniques (e.g. hierarchical clustering, multidimensional scaling). Temporal comparisons at monitoring sites within the southeastern Arabian Gulf and northwestern Gulf of Oman describe the coral population dynamics and are used to create size class transition models that project future population structures of massive corals in the recovering habitats.