Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2009. / Bibliogr.: f. [48]-56. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2009-2010 / La résistance aux endoparasitoïdes hyménoptères chez les pucerons est un phénomène complexe impliquant des insectes et des symbiotes bactériens. Il est ainsi maintenant accepté que les symbiotes bactériens facultatifs du puceron du pois Acyrthosiphon pisum, plus particulièrement le symbiote Hamiltonella defensa, jouent un rôle primordial dans la capacité qu'a l'hôte de résister à son principal parasitoïde, Aphidius ervi. Par ailleurs, il a également été démontré que la chaleur pouvait avoir un impact majeur sur la résistance en réduisant celle-ci de manière significative, suggérant du même coup une thermosensibilité des symbiotes. Cette étude va plus loin en abordant l'impact de stress thermiques et UV sur le mécanisme de la résistance d'A. pisum au parasitoïde A. ervi, en lien avec différents types de symbiotes bactériens facultatifs, incluant un nouveau symbiote facultatif désigné sous le nom de PAXS (pea aphid X-type symbiont).

En milieu naturel, les organismes doivent s’adapter à un environnement lumineux changeant (alternance jour/nuit, couverture nuageuse, habitat, saison, etc.). L'utilisation croissante de longueurs d'ondes spécifiques impliquant des diodes électroluminescentes (DELs) en serres permet de surmonter le manque de lumière pendant les mois d'hiver, en aidant la photosynthèse ou la croissance végétative des cultures. Cependant, la modification de l'environnement lumineux ainsi que de la photopériode peut également modifier directement ou indirectement l'activité des insectes utiles et des insectes nuisibles qui dépendent des plantes. Dans mon étude, nous avons étudié comment une guêpe parasitoïde fait face aux variations du spectre d'éclairement et à quel point la vision des couleurs est importante dans la localisation et la reconnaissance de son hôte. Notre modèle d’étude s’est porté sur la guêpe parasitoïde Aphidius ervi qui attaque principalement le puceron du pois Acyrthosiphon pisum. Les pucerons du pois présentent un polymorphisme de couleur et apparaissent au sein d’une même population sous la forme de morphes roses et de morphes verts. En utilisant un montage basé sur des DELs de 5 longueurs d’ondes différentes (361, 450, 500-600, 626 and 660 nm), nous avons créé différents spectres lumineux artificiels que les parasitoïdes et leurs hôtes peuvent rencontrer dans l’environnement naturel tels que l’ombre des feuilles ou le soleil direct. Ce design nous a permis d’étudier le comportement des insectes face à un environnement lumineux changeant et totalement contrôlable en intensité lumineuse et en composition spectrale, dans un contexte d'activité locomotrice et de parasitisme. Dans l’ensemble, les résultats suggèrent que la probabilité que les pucerons se déplacent dépendait de l’interaction entre l’environnement lumineux, le stade de développement et la variation clonale. Nous avons montré que la probabilité que les parasitoïdes soient actifs diminuait avec l’augmentation des longueurs d’onde. Les mâles étaient plus actifs que les femelles sous toutes les conditions lumineuses monochromatiques testées. Bien que la quantité de lumière réfléchie des morphes roses fût d’environ la moitié de celle des morphes verts dans les composantes cyanvert, nous avons constaté que les deux couleurs d’hôtes ont été reconnues et attaquées dans toutes les conditions d'éclairage testées, même la lumière rouge (660 nm). Enfin, en appliquant 4 ratios de DELs rouges (R): bleues (B) utilisées pour allonger la photopériode à l'intérieur d'une chambre de croissance, nous avons montré que l’allongement de la photophase (de 8h à 16 h de lumière/jour) augmentait l'activité parasitaire quotidienne de la guêpe ainsi que son comportement en matière de ponte. Enfin, les adultes parasitoïdes nouvellement émergés étaient composés de 80 % de mâles en lumière 100R: 0B contre 50 % sous le ratio 25R: 75B. Cette étude indique qu'A. ervi reste un bon agent de lutte biologique lorsque l'environnement lumineux est modifié. Elle est aussi la première à montrer que le ratio de lumière R: B a un impact sur l’allocation des sexes chez ce parasitoïde. Nous pensons que l’utilisation de la lumière rouge seule pour prolonger la photophase peut avoir un effet négatif sur la dynamique des populations de ces parasitoïdes en raison de son impact défavorable sur le sex-ratio en favorisant les mâles, et donc un effet négatif sur le contrôle des populations de pucerons en milieu confiné. / In nature, organisms must adapt to a changing light environment (day / night alternation, cloud cover, habitat, season, etc.). The increasing use of specific wavelengths involving light emitting diodes (LEDs) in greenhouses overcomes the lack of light during winter months, helping photosynthesis or vegetative growth of crops. However, changing light environment as well as photoperiod can also directly or indirectly modify the activity of beneficial insects and plant-related pests. In my study, we investigated how a parasitoid wasp deals with variations in the light environment and how important color vision is in locating and recognizing its host. Our study model focused on the parasitoid wasp Aphidius ervi which mainly attacks the pea aphid Acyrthosiphon pisum. Pea aphids have a color polymorphism and appear within a same population under pink morphs and green morphs. Using a design based on LEDs of 5 different wavelengths (361, 450, 500-600, 626 and 660 nm), we have created different artificial light spectra that parasitoids and their hosts can encounter in natural environment such as leaf-shade or direct sunlight. This design allowed us to study the behavior of insects in a changing light environment that is totally controllable in light intensity and spectral composition, in a context of locomotor activity and parasitism. Overall, the results suggest that the probability of aphids walking depended on the interaction between the light environment, the stage of development, and clonal variation. We have shown that the probability of parasitoids walking decreased with increasing wavelengths, and that males were more active than females under all monochromatic light conditions tested. Although the amount of light reflected from the pink morphs was about half that of the green morphs in the cyan-green components, we found that both host colors were recognized and attacked under all light conditions tested, even red light (660 nm). Finally, by applying 4 ratios of red (R): blue (B) LEDs used to extend the photoperiod inside a growth chamber, we have shown that the photophase elongation (from 8h to 16h of light/day) increased the daily parasitic activity of the wasp and its oviposition behavior. Finally, the newly emerged parasitoid adults were composed of 80% males in light 100R: 0B against 50% under the ratio 25R: 75B. This study indicates that A. ervi remains a good biological control agent under different light environments. This study is also the first to show that the R: B light ratio has an impact on the decision-making of females regarding the sex of their offspring. We believe that the use of red light alone to extend the photophase may have a negative effect on the population dynamics of these parasitoids because of its adverse impact on sex ratio by favoring males, and thus a negative effect on control of aphid populations in confined environment.

Les effecteurs jouent un rôle fondamental lors des interactions antagonistes plantes-pathogènes en supprimant les défenses de la plante, permettant ainsi aux parasites de se développer. De tels effecteurs ont été caractérisés chez les insectes herbivores mais leur rôle dans la spécialisation à la plante reste méconnu. Les pucerons se nourrissent de la sève du phloème et injectent dans la plante des effecteurs salivaires. L'étude des patrons d’évolution des effecteurs, ainsi que la caractérisation de leurs fonctions sont nécessaires à la compréhension des mécanismes de spécialisation chez les pucerons. Au cours de ces travaux, nous avons cherché à identifier les effecteurs salivaires impliqués dans l'adaptation du puceron du pois, Acyrthosiphon pisum, à ses hôtes.Des approches évolutives, basées sur un nouveau catalogue de 740 effecteurs candidats surexprimés dans les glandes salivaires de A. pisum, ont révélé que certains d'entre eux évoluent rapidement et que l'expansion de familles multigéniques apparaît comme une source importante de diversité des effecteurs. En parallèle, ces travaux ont permis d'optimiser l'expression transitoire médiée par Agrobacterium dans le pois. Ce nouvel outil d'analyse fonctionnelle permet maintenant l'étude des effecteurs candidats afin d'identifier les effecteurs du puceron du pois impliqués dans l'adaptation à la plante hôte. / Effectors play fundamental roles in antagonistic plant-pathogen interactions mainly by suppressing plant defense and allow parasites to multiply on the plant. Some effectors have been characterized in herbivorous insects; however, their role to the evolution in plant specialization remains unknown. Aphids feed from phloem sap and inject salivary effectors into the host plant. Studying evolutionary patterns and characterizing functions of effectors appear as important steps toward unveiling the mechanisms of host plant specialization in aphids. This work sought to identify salivary effectors that are involved in plant specialization of the pea aphid, Acyrthosiphon pisum. Evolutionary approaches based on a new catalogue of 740 putative effectors that are up-regulated in salivary glands of A. pisum revealed that some of them evolve rapidly.Moreover, gene family expansion appear as an important source of novel effectors. In parallel, this work optimized Agrobacterium-mediated transient gene expression in pea to provide a new tool for functional analyses of pea aphid effectors. The construction of a comprehensive catalogue of A. pisum salivary effectors and evolutionary analysis of them provide new candidates in host plant adaptation. By using the gene expression tool now available in pea, functional characterization of candidates will help to identify the effectors that are involved in plant specialization of the pea aphid.

J'ai testé l'hypothèse de differentiation associée à l'hôte (HAD), avec des données génétiques et écologiques, chez Aphidius ervi parasitoïde d'Acyrthoslphon pisum spécialisé en biotypes associés à Medicago sativa et Trifolium pratense, tout en considérant les symbiotes (Regiella insecticola et Hamiltonella defensa) et la couleur (vert ou rose) du puceron. Les génotypes de 302 A. pisum, mais non ceux des 157 A. ervi récoltés en parallèle dans des champs de trois localités distantes du Québec, étaient distribués en deux groupes associés à la luzerne et au trèfle. À partir de 600 tests de laboratoire, j'ai aussi modélisé le comportement de sélection d'A. ervi et sa probabilité d'émergence de ces hôtes, prenant en compte le sexe. A. ervi avait une probabilité plus élevée de pondre dans A. pisum luzerne, mais une probabilité d'émergence plus élevée pour le biotype trèfle. Mes résultats confirment la spécialisation d'A pisum, mais pas l'hypothèse HAD pour A. ervi.

Les pucerons sont des hémiptères ravageurs des cultures agronomiques particulièrement adaptés à leur environnement. Acyrthosiphon pisum (le puceron du pois) présente un cycle de vie basé sur l’alternance d’une reproduction sexuée ou asexuée en réponse à la photopériode. Ils présentent ainsi un polyphénisme de reproduction aboutissant à la formation de trois phénotypes distincts : femelles asexuées, femelles sexuées, et mâles. Ces derniers étant obtenus par élimination d’un chromosome X, A. pisum est une espèce hétérogamétique mâle présentant un système chromosomique XX chez les femelles et X0 chez les mâles. Le déséquilibre du nombre de chromosome X entre mâles et femelles engendré par cette hétérogamétie nécessite chez certains organismes d’être corrigé par des mécanismes de compensation de dose. Les polyphénismes et compensation de dose impliquent chez d’autres organismes des régulations transcriptionnelles notamment régulées par l’accessibilité de la chromatine.Ma thèse vise ainsi à étudier le polyphénisme de reproduction et la compensation de dose des pucerons sous l’angle d’analyses bio-informatiques de données d’expression des gènes (RNA-seq) et d’accessibilité de la chromatine (FAIRE-seq) dans le but de caractériser l’impact des mécanismes épigénétiques dans ces deux processus biologiques fondamentaux du cycle de vie des pucerons. Les résultats développés dans ma thèse ont permis de montrer d’une part la présence d’une compensation de dose chez le puceron du pois au niveau transcriptomique, supportée par une accessibilité accrue de la chromatine de l’unique X des / Aphids are hemipterous crops pests that are particularly adapted to their environment. Acyrthosiphon pisum (pea aphid) displays a life cycle based on the alternation of sexual or asexual reproduction in response to photoperiod. They thus exhibit a reproductive polyphenism resulting in the formation of three distinct phenotypes: asexual females, sexual females, and males. The latter being obtained by elimination of an X chromosome, A. pisum is a male heterogametic species with a XX chromosomal system in females and X0 in males. The X chromosome number between males and females caused by this heterogamy requires in some organisms to be corrected by dosage compensation mechanisms. Polyphenisms and dosage compensation both involve in other organisms transcriptional regulations that are notably regulated by the chromatin accessibility regulations. My thesis aims to study the reproductive polyphenism and dosage compensation in aphids in the context of bioinformatic analyzes of gene expressioThe results developed in my thesis have shown, on one hand, the presence of dose compensation in pea aphid at the transcriptomic level, which is supported by increased chromatin accessibility of the males’ single X in somatic cells. On the other hand, specific sites of chromatin opening between sexual and asexual embryos seem to participate in the definition of their reproduction mode by modulating the expression of certain genes and by allowing the fixation of transcription factors. Their analysis shows the involvement of ecdysone as a new hormonal pathway that may trigger sexual reproducti

La principale contribution de cette thèse est le développement d'une méthode fiable, robuste, et rapide pour la prédiction des pré-miARNs. Deux objectifs avaient été assignés : efficacité et flexibilité. L'efficacité a été rendue possible au moyen d'un algorithme quadratique. La flexibilité repose sur deux aspects, la nature des données expérimentales et la position taxonomique de l'organisme (en particulier plantes ou animaux). Mirinho accepte en entrée des séquences de génomes complets mais aussi les très nombreuses séquences résultant d'un séquençage massif de type NGS de “RNAseq”. “L'universalité” taxonomique est obtenu par la possibilité de modifier les contraintes sur les tailles de la tige (double hélice) et de la boule terminale. Dans le cas de la prédiction des miARN de plantes la plus grande longueur de leur pré-miARN conduit à des méthodes d'extraction de la structure secondaire en tige-boule moins précises. Mirinho prend en compte ce problème lui permettant de fournir des structures secondaires de pré-miARN plus semblables à celles de miRBase que les autres méthodes disponibles. Mirinho a été utilisé dans le cadre de deux questions biologiques précises l'une concernant des RNAseq l'autre de l'ADN génomique. La première question a conduit au traitement et l'analyse des données RNAseq de Acyrthosiphon pisum, le puceron du pois. L'objectif était d'identifier les miARN qui sont différentiellement exprimés au cours des quatre stades de développement de cette espèce et sont donc des candidats à la régulation des gènes au cours du développement. Pour cette analyse, nous avons développé un pipeline, appelé MirinhoPipe. La deuxieme question a permis d'aborder les problèmes liés à la prévision et l'analyse des ARN non-codants (ARNnc) dans la bactérie Mycoplasma hyopneumoniae. Alvinho a été développé pour la prédiction de cibles des miRNA autour d'une segmentation d'une séquence numérique et de la détection de la conservation des séquences entre ncRNA utilisant un graphe k-partite. Nous avons finalement abordé un problème lié à la recherche de motifs conservés dans un ensemble de séquences et pouvant ainsi correspondre à des éléments fonctionnels / The main contribution of this thesis is the development of a reliable, robust, and much faster method for the prediction of pre-miRNAs. With this method, we aimed mainly at two goals: efficiency and flexibility. Efficiency was made possible by means of a quadratic algorithm. Flexibility relies on two aspects, the input type and the organism clade. Mirinho can receive as input both a genome sequence and small RNA sequencing (sRNA-seq) data of both animal and plant species. To change from one clade to another, it suffices to change the lengths of the stem-arms and of the terminal loop. Concerning the prediction of plant miRNAs, because their pre-miRNAs are longer, the methods for extracting the hairpin secondary structure are not as accurate as for shorter sequences. With Mirinho, we also addressed this problem, which enabled to provide pre-miRNA secondary structures more similar to the ones in miRBase than the other available methods. Mirinho served as the basis to two other issues we addressed. The first issue led to the treatment and analysis of sRNA-seq data of Acyrthosiphon pisum, the pea aphid. The goal was to identify the miRNAs that are expressed during the four developmental stages of this species, allowing further biological conclusions concerning the regulatory system of such an organism. For this analysis, we developed a whole pipeline, called MirinhoPipe, at the end of which Mirinho was aggregated. We then moved on to the second issue, that involved problems related to the prediction and analysis of non-coding RNAs (ncRNAs) in the bacterium Mycoplasma hyopneumoniae. A method, called Alvinho, was thus developed for the prediction of targets in this bacterium, together with a pipeline for the segmentation of a numerical sequence and detection of conservation among ncRNA sequences using a kpartite graph. We finally addressed a problem related to motifs, that is to patterns, that may be composed of one or more parts, that appear conserved in a set of sequences and may correspond to functional elements.