L’Océan Arctique (OA) est hétérogène et se compose de plusieurs écorégions influencées par des conditions environnementales saisonnières extrêmes. L’Arctique est particulièrement vulnérableaux changements climatiques et montre un réchauffement plus rapide que la plupart des régions sur Terre. Cette thèse se concentre sur l’étude de deux régions (golfe d’Amundsen et baie de Baffin (BB)) à différentes échelles spatiales et temporelles. D’abord, nous utilisons des approches moléculaires, incluant la métagénomique et le séquençage à haut débit d’un marqueur taxonomique pour examiner la diversité microbienne eucaryote, puis nous appliquons des approches basées sur l’assemblage de pigments et les paramètres photosynthétiques afin de mieux définir les communautés. Sur la base d’échantillons prélevés durant 8 mois dans le golfe d’Amundsen (novembre 2007 à juillet 2008), nous documentons la saisonnalité d’espèces microbiennes eucaryotes clé dans l’Arctique. Nous montrons que les prasinophytes survivent pendant la Nuit Polaire et que Micromonas était probablement sujet à une lyse virale en hiver. Deuxièmement, nous décrivons une variabilité spatiale importante dans la BB à la mi-août 2013 et montrons qu’il ne s’agit pas d’une seule écorégion. L’absence de maximum de chlorophylle sous-surface (SCM) du côté canadien était contrastée avec la présence d’un SCM marqué du côté Groenland. Les différences océanographiques physiques de chaque côté semblent également influencer la composition en espèces, avec des communautés de diatomées dominées par Chaetoceros aff. gelidus du côté du Canada, tandis que du côté du Groenland, ce sont les diatomées potentiellement nocives pour les vertébrés marins Pseudo-nitzschia spp., qui étaient les plus abondantes. Enfin, nous montrons que les capacités photosynthétiques et les teneurs en pigments présentent une variabilité verticale, spatiale et temporelle dans le Nord de la Baie de Baffin. Nous décrivons la forte variabilité apparente de la communauté photosynthétique du côté du Canada, comparé à des changements plus progressifs de l’autre côté. Du côté Groenlandais, la dominance des communautés alternent entre les diatomées et les algues vertes, avec un retour aux conditions initiales après 24 h reflétant bien les patrons de signatures pigmentaires. Le remplacement rapide des groupes photosynthétiques du côté du Canada est associé à un manque d’accumulation de biomasse à court terme, suggérant un équilibre entre croissance et processus de perte au cours des 24 h. À long terme, les différences entre les deux parties pourraient se refléter dans les transferts d’énergie aux réseaux alimentaires pélagiques par rapport à l’exportation de carbone vers le benthos. Par l’utilisation d’échelles spatiales et temporelles variées, cette thèse se concentre sur deux régions historiquement productives de l’Arctique et les résultats obtenus ont contribué à l’avancement des connaissances dans le domaine de l’écologie microbienne arctique, en mettant particulièrement l’accent sur la survie pendant la nuit polaire et sur les effets potentiels du changement climatique sur l’accumulation de biomasse photosynthétique et les capacités photo physiologiques associées. / The Arctic Ocean (OA) is heterogeneous and composed of multiple eco-regions that are influenced by extreme seasonal environmental conditions. The Arctic is particularly vulnerable to climate change and warms faster than most regions on Earth. This thesis focuses on two regions of the Arctic (Amundsen Gulf and Baffin Bay (BB)) at different spatial and temporal scales. First, we used molecular approaches including metagenomics and high-throughput sequencing of a taxonomic marker to examine eukaryotic microbial diversity, and then we applied pigment assemblage-based approaches and examined photosynthetic parameters to further define communities. Based on samples collected over 8 months in the Amundsen Gulf (November 2007 - July 2008), we document the seasonality of key microbial eukaryote species in Arctic. We show that prasinophytes survive during the Polar Night and that Micromonas was likely subject to viral lysis in winter. Second, we describe high spatial variability in BB in mid-August 2013 and show the presence of several regions. The absence of a subsurface chlorophyll maximum (SCM) on the Canadian side was in contrast with a marked SCM on the Greenland side. Physical oceanographic differences on each side also influenced the species composition, with diatom communities dominated by Chaetoceros aff. gelidus on the Canadian side, while on the Greenland side, Pseudo-nitzschia spp., which are potentially harmful to marine vertebrates, were the most abundant diatoms. Finally, we highlighted a vertical, spatial and temporal variability of the photosynthetic capacities and the pigment contents in Northern Baffin Bay. We describe the apparent high variability of the photosynthetic community on the Canadian side, which was in contrast with more gradual changes on the Greenland side, where communities switched from diatoms to green algae and back over 24 h reflecting photoprotection and light capture pigment signatures. The rapid species replacement of photosynthetic groups on the Canadian side was in conjunction with a lack of short term biomass accumulation, suggesting balanced growth and loss processes over the 24 h. In the long term, differences on the two sides would be reflected in the energy transfers to pelagic food webs versus export of carbon toward the benthos. Focusing on two contrasting but historically productive regions of the Arctic over different spatial and temporal scales, results produced within this doctoral project contributed to the advancement of knowledge in the field of arctic microbial ecology, with particular emphasis on the survival during the Polar Night, and potential consequences of climate change on the accumulation of photosynthetic biomass and their photo physiological capacities.

Les interactions protéine-protéine (PPI) sont à la base du fonctionnement cellulaire de tous les organismes. Regroupées en deux catégories, les méthodes pour étudier les PPI permettent soit d’identifier les protéines composant le complexe, soit de déterminer les relations entre les protéines. Il existe peu de méthodes hybrides permettant d’obtenir ces deux informations et ces méthodes comportent plusieurs limitations. Le but de ce projet était de développer une nouvelle méthode hybride en modifiant la complémentation de fragments protéiques (DHFR PCA) chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Le principe de la DHFR PCA repose sur l’association de deux fragments rapporteurs complémentaires en présence d’une interaction protéine-protéine. Les fragments rapporteurs sont fusionnés aux protéines via un connecteur peptidique. La longueur du connecteur limite la distance maximale à laquelle il est possible de détecter une interaction entre deux protéines. Notre hypothèse était qu’en augmentant la longueur du connecteur, nous serions en mesure de détecter des interactions plus éloignées. Nous avons d’abord vérifié que l’augmentation de la longueur du connecteur permettait de modifier notre capacité à détecter des interactions sans toutefois perdre la spécificité de la méthode. De nouvelles interactions ont été détectées à l’intérieur d’un même complexe protéique et entre deux complexes. Nous avons ensuite validé notre capacité à mieux disséquer l’architecture des complexes protéiques en approfondissant le cas de cinq complexes protéiques à l’aide de plusieurs combinaisons de longueurs de connecteurs. Enfin, nous avons confirmé que la méthode permettait effectivement de détecter des interactions entre protéines plus distantes en comparant les résultats obtenus aux distances calculées à partir des structures du protéasome disponibles. La variation apportée à la DHFR PCA permet de moduler la résolution de l’étude des PPI et ainsi de mieux définir l’architecture des complexes protéiques. / Protein-protein interactions (PPI) are central to all cellular processes in all organisms. Grouped in two categories, methods to study PPI allow either to identify proteins composing protein complexes or to determine relationships between proteins. Only a few hybrid methods can be used to obtain both of those informations and these methods present many limitations. The goal of this project was to develop a new hybrid method by modifying the Protein-fragment complementation assay (DHFR PCA) in the yeast Saccharomyces cerevisiae. DHFR PCA is based on the association of two complementary reporter fragments in presence of an interaction. Both fragments are fused to proteins with a peptide linker. Linker length limits the maximal distance at which it is possible to detect an interaction between two proteins. Our hypothesis was that increased linker length would allow the detection of more distant interactions. We first verified if the augmentation of linker length modified our capacity to detect interactions without losing specificity. New interactions were detected inside and between complexes. Then, we validated our capacity to better dissect protein complexes architecture by studying five protein complexes with different linker length combinations. Finally, we confirmed that the method allowed the detection of interactions that were further in space by comparing our results with distances calculated with available proteasome structures. This variation of DHFR PCA allows to modulate the resolution of PPI study and thus better define protein complexes architecture.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / Les parasites constituent le groupe d’organismes le plus répandu et le plus prospère sur Terre. Un grand nombre d’entre eux exploitent un cycle de vie complexe qui repose sur l’infection successive de multiples hôtes aux caractéristiques physiologiques divergentes. Malgré des centaines d’années d’étude sur leurs traits d’histoire de vie et leur impact sur les phénotypes hôtes, très peu d’information est actuellement disponible concernant les mécanismes moléculaires leur permettant d’interagir avec leurs hôtes et la manière dont cette interaction spécifique assure leur succès écologique. L’objectif de cette thèse a été de générer des ressources moléculaires de base pour permettre l’étude intégrée des interactions hôte-parasite et la manière dont ces interactions sont régulées au cours d’une infection. Pour rencontrer ces objectifs, nous avons exploité un système d’étude modèle centré sur le parasite cestode Schistocephalus solidus, un ver plat infectant successivement un copépode, un poisson et un oiseau. Nous avons généré un transcriptome de référence pour ensuite caractériser les patrons de régulation des activités biologiques du parasite au cours de l’infection. Nous avons pu démontrer des patrons de régulation très tranchés entre les stades de vie, avec un rôle potentiel des voies de communications neurales au moment de changer d’hôte. Nos données suggèrent également la présence de protéines mimétiques candidates dans le génome du parasite ayant le potentiel de perturber l’activité de communication cellulaire chez l’hôte. Cette thèse permet ultimement de solidifier les bases de l’étude mécaniste des interactions hôte-parasite et fournit des outils génomiques de référence qui serviront à consolider et étendre nos connaissances sur la structure des systèmes naturels. / Parasites are the most widespread and prosperous group of organisms on Earth. Numerous parasitic species exploit a complex life cycle that relies on the successive infection of multiple hosts with divergent physiological characteristics. Despite hundreds of years of study on their life history traits and their impact on host phenotypes, very little information is currently available on the molecular mechanisms that allow them to interact with their hosts and how this interaction ensures their ecological success. The general objective of this thesis was to generate reference molecular resources for the study of host-parasite interactions from an integrated perspective to allow the discovery of how these interactions are regulated during the infection. To meet this objective, we studied a model system based on the parasitic cestode Schistocephalus solidus, a flatworm that successively infects a copepod, a fish and a bird. We generated a reference transcriptome to characterize the regulatory patterns gene expression to assess which biological activities are used at what stage of the infection. Our results revealed massive regulatory changes between life stages, with a potential role for neural communication pathways during the process of host switching. Our data also suggests the presence of candidate mimicry proteins in the genome of the parasite, having the potential to disrupt cellular communication in the host’s central nervous system. This thesis ultimately allows a better understanding of the mechanisms underlying host-parasite interactions and provides reference genomic tools that will help consolidate and extend our knowledge on the structure of natural systems.

Le broutage du phytoplancton par les copépodes arctiques effectue le transfert d’énergie des producteurs primaires vers les niveaux trophiques supérieurs. Les interactions prédateur-proie entre le phytoplancton et le zooplancton dans la colonne d’eau sont toutefois difficiles à étudier puisque l’échantillonnage du zooplancton se fait généralement à l’aide de filets qui stratifient grossièrement la colonne d’eau. La détermination des paramètres physiologiques chez les copépodes, tels que le contenu lipidique, se fait aussi à une résolution verticale grossière. Pour pallier cette limite, ce projet de recherche utilise le LOKI (Lightframe On-sight Key-species Investigation), un système de caméra sous-marine fournissant des données à une résolution verticale de 1 m. Un modèle d’identification automatique du zooplancton qui repose sur l’intelligence artificielle a été développé et appliqué à des profils échantillonnés au cours de l’automne 2013 dans la polynie des eaux du nord et le détroit de Nares dans l’Arctique canadien. Le modèle transforme les images du LOKI en information taxonomique et différencie un grand nombre d’organismes et de classes de particules (n=114), incluant les stades de développement des copépodes. Deux études ont été réalisées à partir des images du LOKI identifiées automatiquement. Premièrement, lors d’une dérive Lagrangienne, les distributions verticales à haute résolution (1 m) des copépodes Calanus hyperboreus, C. glacialis et Metridia longa ont été mises en relation avec leurs lipides totaux (TL, mg) et leur abondance lipidique (LF, %). Les copépodites de C. hyperboreus et C. glacialis avec une faible LF effectuent une migration nycthémérale vers les eaux de surface pendant la nuit pour se nourrir, alors que les individus du même stade de développement avec une haute LF cessent leur migration et restent en profondeur, probablement pour la diapause. La migration pour la diapause chez C. hyperboreus semblait avoir lieu pour une LF d’environ 50% alors que C. glacialis avait besoin d’une plus grande LF (60%). Un modèle bioénergétique a montré que les femelles du genre Calanus avaient suffisamment de lipides en réserve pour demeurer en diapause pendant plus de 365 jours, soulignant leur capacité à se reproduire à partir de leurs réserves (capital breeders). Dans une deuxième étude, le couplage des stades de développement de C. hyperboreus et C. glacialis et de leur nourriture phytoplanctoniques a été étudié à haute résolution verticale dans la polynie des eaux du Nord et le détroit de Nares. Trois types de distributions verticales de copépodes en réponse au maximum de chlorophylle de subsurface (MCS) et au rayonnement photosynthétiquement actif incident ont été identifiés, tous étant conformes à l’hypothèse d’évitement des prédateurs. Aux stations où les abondances de copépodes étaient les plus élevées dans le MCS, C. hyperboreus et C. glacialis (stades C4 et C5) était partitionnés verticalement à fine échelle (1-2 m). Alors que les pics d’abondance de C. hyperboreus C4 et C5 ont été trouvés au coeur du MCS, les pics d’abondance de C. glacialis C4 et C5 étaient juste au-dessus et en dessous de leurs congénères. Le partitionnement pourrait être expliqué par une stratégie optimale de recherche de nourriture ou par les préférences alimentaires des copépodes pour les taxons phytoplanctoniques occupant le MCS. Un éclairage nouveau sur le fin couplage vertical entre le phytoplancton et le zooplancton est important pour une meilleure compréhension des effets des changements climatiques sur l’écosystème marin Arctique. / The grazing of phytoplankton by Arctic copepods channels energy from primary producers to higher trophic levels. However, the predator-prey interactions between phytoplankton and zooplankton in the water column are difficult to study since zooplankton sampling still relies heavily on nets that roughly stratify the water column. The quantification of physiological parameters of copepods, such as lipid content, is also made at coarse vertical resolution. To overcome this limitation, this research used the Lightframe On-sight Keyspecies Investigation (LOKI) system, an underwater camera that provides 1 m vertical resolution. An automatic zooplankton identification model, based on artificial intelligence, was developed for the analysis of profiles sampled in fall 2013 in the North Water Polynya (NOW) and Nares Strait (NS), in the Canadian Arctic. The model turns LOKI images into taxonomic information and can differentiate 114 taxa (organisms and particles), including the developmental stages of copepods. Two studies were carried out based on automatically identified LOKI images. First, during a Lagrangian drift, fine-scale vertical distributions (1-m resolution) of the copepods Calanus hyperboreus, C. glacialis and Metridia longa were studied in relation to their total lipids (TL, mg) and lipid fullness (LF, %). C. hyperboreus and C. glacialis with low LF performed diel vertical migration to surface waters at night to feed, while same-stage individuals with high LF ceased migrating and remained at depth to diapause. Migration to diapause in C. hyperboreus occurred at a LF of approximately 50%, while C. glacialis needed a higher LF (60%). A bioenergetics model showed that Calanus females had enough lipids stored to diapause for over 365 days, highlighting their capacity for capital breeding. In a second study, the fine-scale vertical coupling of C. hyperboreus and C. glacialis developmental stages with their phytoplankton food was studied in the NOW and NS. Three types of copepod vertical distributions in response to the subsurface chlorophyll maximum (SCM) and incident photosynthetic active radiation levels were identified, all of them being in accordance with the predator avoidance hypothesis. At stations where copepod abundances peaked in the SCM, C4 and C5 C. hyperboreus and C. glacialis were vertically partitioned on a fine scale (1-2 m). While C. hyperboreusC4 and C5 abundance peaks were found in the core of the SCM, C. glacialis C4 and C5 peaked just above and below their congeners. The partitioning could be explained by optimal foraging theory or the copepods’ feeding preferences for phytoplankton taxa occupying the SCM. Insight into the fine scale vertical coupling of phyto- and zooplankton is important for a better understanding of climate change effects on the Arctic marine ecosystem.

Les microbiotes des Poissons téléostéens du bassin de l'Amazone - regroupant plus de 3000 espèces - ont reçu peu d'attention de la communauté scientifique (contrairement aux microbiotes des poissons des milieux tempérés), même si cet écosystème est reconnu comme étant le plus riche réservoir de poissons dulcicoles de la planète. Notre étude visait à répondre à cette lacune, en caractérisant les structures taxonomiques des microbiotes (du mucus cutané et des intestins) des Poissons d'Amazonie, et en identifiant certains des facteurs biotiques et abiotiques qui modulent la composition et la diversité de ces microbiotes. Nous avons échantillonné trois espèces de poissons ayant des régimes et des mode de vie contrastés, à sept sites d'échantillonnage dans le bassin de l'Amazone brésilien (10 individus / espèce / site) durant la saison sèche. Les sept sites d'échantillonnage regroupaient 5 sites d'eau blanche (eutrophique, pH neutre) et 2 sites d'eau noire (oligotrophique, pH acide), afin d'évaluer l'impact des paramètres physicochimiques sur la structure taxonomique des communautés microbiennes. Les microbiotes cutané et intestinaux de chaque individu ont été caractérisés par profilage d'amplicons du gène de l'ARNr 16S. Nos résultats du Chapitre 2 montrent que la structure taxonomique des deux microbiotes étudiés corroborent différents traits de l'écologie des espèces étudiées, tels leur régime alimentaire, leur mode de vie, leur histoire évolutive et la connectivité des habitats qu'elles exploitent. Les résultats du Chapitre 3 indiquent que la couleur de l'eau - blanche ou noire - joue un rôle majeur dans la structuration des deux microbiotes ichthyens étudiés. Les prochaines études devraient utiliser une approche de métagénomique fonctionnelle afin de vérifier si les divergences taxonomiques documentées impliquent aussi des différences fonctionnelles. De plus, les prochaines études devraient déterminer si l'importante saisonnalité du bassin de l'Amazone a un impact significatif sur les structures taxonomiques des microbiotes que nous avons documentés. / Teleostean fishes, represented by more than 28 000 species, encompass a wide range of different physiologies, evolutionary histories and ecologies, and therefore embody a key group to study the nature and the factors driving vertebrate-associated microbiotas. In contrast to temperate fish microbiotas, Amazonian fishes' microbial assemblages have never been investigated, even if this ecosystem is widely recognized as Earth's richest freshwater fish reservoir. The main objective of our study was to fill this knowledge gap, by characterizing the taxonomic structures of Amazonian teleost-associated microbiotas (from skin mucus and gut), and by identifying precisely the biotic and abiotic factors shaping the composition and diversity of these microbiotas. We sampled three species of fish with contrasted diets and lifestyles, at seven sampling sites of the Brazilian Amazon (10 individuals/species/site) in November 2015 (dry season). The seven sampling sites included five white water sites (eutrophic, neutral pH), and 2 black water sites (oligotrophic, acidic pH), to assess the impact of water physicochemical parameters on the taxonomic structure of microbial communities. Cutaneous and gut microbiotas of each sampled fish were characterized by profiling libraries of 16S rRNA amplicons. Our results from Chapter 2 showed that the taxonomic structure of the two microbiotas investigated corroborated different ecological traits from the three species, including their diet, their lifestyle, their evolutive history and the connectivity of the habitats exploited by these species. The results from Chapter 3 show that water colour (white or black) play a major role in structuring both teleost-associated microbiotas. Future studies should use a functional metagenomic approach to assess if the reported taxonomic differences also represent significant functional divergences. Furthermore, future studies should examine the seasonal variation in the taxonomic patterns observed in our study.

L'anguille d'Amérique est un poisson avec un cycle de vie très particulier. En effet, elle occupe une aire de répartition qui s'étire du Groenland aux Caraïbes, mais tous les individus se reproduisent dans la mer des Sargasses. Après la reproduction, les larves sont dispersées de façon aléatoire jusqu'aux côtes. Ce lieu de reproduction unique fait en sorte que tous les individus de l'espèce appartiennent à la même population. Par contre, les conditions environnementales varient grandement au sein de l'aire de répartition, puisque celle-ci s'étend de régions subarctiques à des régions subtropicales, ce qui confronte les individus à des conditions différentes selon l'endroit jusqu'où ils dérivent et peut entraîner la sélection d'allèles différents selon les régions. Les objectifs de cette étude étaient d'identifier les régions du génome soumises au phénomène de sélection spatialement variable et quels mécanismes sont affectés par la sélection. Pour ce faire, 710 individus en provenance de 13 sites différents représentant une grande partie de l'aire de répartition de l'espèce ont été séquencés. Un total de 12 098 SNP a été obtenu. Des méthodes d'association environnementale et d'analyse de redondance ont été employées pour identifier des marqueurs potentiellement sous sélection spatialement variable. Un total de 183 marqueurs a été identifié comme étant sous sélection spatialement variable. L'interaction entre les différentes régions sous sélection a également été évaluée en utilisant des scores polygéniques additifs. Des corrélations significatives entre ces scores polygéniques et la latitude, la longitude et la température ont été identifiées. Finalement, nous avons identifié les gènes à proximité des marqueurs potentiellement sous sélection. Parmi ces gènes, le mécanisme de réponse à l'insuline était le seul mécanisme significativement enrichi. Cette étude a permis de mieux documenter l'étendue de la sélection spatialement variable chez l'anguille d'Amérique en montrant qu’il semble y avoir de la sélection dans de nombreuses régions du génome. / The American eel is a fish with a complex life cycle. The eel occupy a wide species range from Greenland to the Caribbean, but all eels reproduce in the Sargasso Sea. After the reproduction, the larvea are advected randomly to the coast by ocean currents. Because of this reproduction mode, all the American Eel are in the same population. On the other hand, the range is extending from subarctic to subtropical regions and the eels occupying these different regions are facing really different environmental conditions. These differents conditions could result in the selection of different alleles. The objective of this study was to identify the different regions of the genome that are affected by this phenomenon of spatially-varying selection and which mecanisms are affected by selection. A total of 710 glass eels captured in 12 different sites representing an important part of the species range were sequenced to reach these objectives. After sequencing, 12 098 SNPs were conserved for further analysis. Using environmental association and redundancy analyses approaches, 183 of these markers were identified to be potentially under spatially-varying selection. The interaction between these differents regions was analyzed using additive polygenic scores. Significant correlations were identified between these polygenic scores and the latitude, longitude and temperature. Genes close to outliers were identified and gene ontology analyses were made. The only significantly enriched pathway was the insuline signalling pathway. With this study our understanding of the spatially-varying selection in the American Eel has been increased.

Durant l’hiver en Arctique, les algues de glace et le phytoplancton passent près de 6 mois à l’obscurité totale avant que les conditions pour la croissance soient optimales au printemps. Comment les algues polaires, composées principalement de diatomées, réussissent-elles à survivre à d’aussi longues périodes d’obscurité et à croître dès le retour de la lumière? Quels sont les mécanismes physiologiques impliqués? Les objectifs de l’étude présentée visent à caractériser l’état cellulaire d’une diatomée arctique, Fragilariopsis cylindrus, durant une période d’obscurité totale représentative de l’hiver polaire afin de mieux comprendre les mécanismes qui permettent la survie à l’obscurité prolongée et au retour de la lumière. Nous avons mesuré les mécanismes physiologiques impliqués en mesurant plusieurs paramètres à des intervalles précis: les premiers jours, les premières semaines et les trois premiers mois d’obscurité ainsi que les premières heures et les premiers jours des retours à la lumière après 1,5 et 3 mois d’obscurité. Les paramètres mesurés comprenaient le nombre et la taille des cellules, le carbone et l’azote particulaire, les lipides, la composition en pigments, la flurorescence variable, les protéines photosynthétiques (D1, RUBISCO), les paramètres photosynthétiques et le quenching non-photochimique (NPQ). Quelques jours après la transition à l’obscurité, Fragilariopsis cylindrus s’est acclimatée à un état stable qui s’est maintenu jusqu’au retour de la lumière. Cet état est caractérisé par un nombre et une taille des cellules stables, une faible consommation des réserves d’énergie, une faible diminution des pigments photosynthétiques et de très faibles capacités photosynthétiques. Après 1,5 mois d’obscurité, la réexposition à la lumière a déclenché une forte réponse du NPQ et un réassemblement de l’appareil photosynthétique, suivi d’une reprise des activités métaboliques et de la croissance cellulaire. La réexposition après 3 mois s’est caractérisée par une reprise des activités beaucoup plus lente, probablement causée par une mortalité plus importante. / Polar winter in the Arctic can last as long as 6 months each year at high latitude. During this period, no light is available for photoautotrophic growth. Nevertheless, when light returns in spring, a sea-ice algae and phytoplankton bloom develops in the surface ocean layers. Therefore, the following questions can be asked: How do photoautotrophic communities (mainly diatoms) survive through winter darkness until light returns in spring? What are the physiological mechanisms underlying such survival? Our goal was to understand the acclimation processes at stake in both darkness and during the return to light by closely looking at the changes in intra-cellular content and functional capacity of a polar sea-ice diatom, Fragilariopsis cylindrus. We measured a set of parameters at specific time-points: the first days and first weeks up to 3 months of darkness, and the first hours up to 6 days upon return to light. This set included cell number and cytometry, cellular carbon and nitrogen quotas, lipid and pigment contents, fluorescence determinations, photosynthetic proteins (D1, RUBISCO), photosynthetic parameters and non-photochemical quenching (NPQ). A rather stable state was reached few days following transition to dark and was maintained throughout until the return of light: stable cell size and number, low energy reserve consumption, slow decrease of photosynthetic pigments and very low photosynthetic capacities. Subsequent transition to light after 1.5 months induced strong NPQ activity and reassembly/renewal of photosynthetic components, followed by metabolic recovery and cell growth. Transition after 3 months showed a much slower recovery and no cell growth, highlighting the increase of potential mortality with longer periods of darkness.

La migration est un processus écologique permettant aux individus d’exploiter des habitats où les ressources alimentaires et les conditions environnementales fluctuent de façon saisonnière. Certaines espèces présentent une étonnante variabilité et imprévisibilité dans leurs comportements migratoires, notamment les migrateurs facultatifs. L’objectif général de cette thèse est de mieux comprendre l’écologie des espèces migratrices dont les déplacements sont imprévisibles durant la période hivernale et peuvent influencer la reproduction subséquente. Mon projet s’est penché sur le harfang des neiges, un prédateur aviaire considéré comme un migrateur nomade et irruptif (i.e. effectuant des migrations massives périodiquement). Les objectifs spécifiques étaient de déterminer la variabilité interindividuelle dans les mouvements, l’utilisation de l’habitat, la fidélité au site d’hivernage et la contribution de proies provenant de différents habitats au régime alimentaire du harfang en hiver par une approche intégrant plusieurs méthodes d’analyses. Pour ce faire, 31 femelles adultes ont été suivies par télémétrie satellitaire entre 2007-2016 afin de caractériser l’utilisation de l’espace et de l’habitat, et d’évaluer l’impact de différents facteurs environnementaux sur ceux-ci. L’analyse d’isotopes stables (¹³C et ¹⁵N) dans les plumes récoltées sur des individus pendant l’été a été utilisée pour mesurer la contribution des habitats terrestres et marins au régime alimentaire hivernal. Finalement, des données citoyennes sur l’abondance hivernale des harfangs issues du Christmas Bird Count, combinées à des mesures sur l’abondance des proies en été dans l’Arctique, ont permis d’apporter un éclairage nouveau sur les causes des irruptions hivernales de harfangs aux latitudes tempérées. Les suivis satellitaires ont confirmé la forte utilisation de l’Arctique et des milieux marins par le harfang en hiver. La couverture de neige et l’abondance des lemmings ont permis d’expliquer une partie de la variabilité interindividuelle dans l’utilisation de l’espace. Nous montrons aussi que les harfangs sont généralement constants d’une année à l’autre dans leur utilisation de zone latitudinale (Arctique vs milieux tempérés) et d’habitat (terrestre vs marin) durant l’hiver et qu’ils présentent une fidélité plus forte à leur site d’hivernage qu’à leur site de reproduction. Nos analyses démontrent que les irruptions hivernales périodiques dans les latitudes tempérées seraient en partie dues à un succès reproducteur élevé l’été précédent dans l’Arctique grâce à une forte abondance de nourriture. Ceci permet de déboulonner un mythe bien ancré selon lequel les espèces nordiques comme les harfangs migrent au sud en masse pendant l’hiver par manque de nourriture dans le Nord. L’analyse isotopique des plumes a confirmé que le milieu marin pouvait contribuer de façon importante au régime alimentaire du harfang en hiver. Une partie de la variabilité interindividuelle dans la contribution marine au régime alimentaire a pu être expliquée par leur utilisation de l’habitat tel que mesuré par les suivis satellitaires. Dans un contexte de changements globaux, le harfang, comme d’autres prédateurs arctiques mobiles qui connectent des écosystèmes distants, à la fois terrestres et marins, pourrait être affecté de plusieurs façons durant son cycle annuel. Les travaux de cette thèse contribuent à améliorer nos connaissances sur l’écologie des migrateurs facultatifs, en particulier chez les espèces aux mouvements imprévisibles. L’étude contribue également à améliorer notre compréhension des interactions entre les différentes périodes du cycle annuel des espèces migratrices et des liens entre écosystèmes qui sont générés par le mouvement des prédateurs. / Migration is an ecological process allowing individuals to exploit habitats where food resources and environmental conditions fluctuate seasonally. Some species have highly variable and unpredictable migratory behaviours, and especially facultative migrants. The general aim of this thesis is to better understand the wintering ecology of migratory species with unpredictable movement patterns during winter, which may affect their subsequent breeding. My project focused on the snowy owl, an avian predator considered both a nomadic and irruptive migrant. The specific objectives consisted in determining the interindividual variability in movements, habitat use, wintering site fidelity and contribution of prey from different habitats to their diet in winter through an approach integrating multiple analytical methods. To achieve this, 31 adult females were tracked by satellite telemetry between 2007-2016 to characterise space and habitat use and evaluate the impact of some environmental factors on them. Stable isotope analyses (¹³C et ¹⁵N) of feathers sampled on snowy owls in summer were used to estimate the contribution of marine and terrestrial habitats to their winter diet. Finally, citizen-based data on winter abundance of snowy owls from Christmas Bird Count coupled with estimates of summer prey abundance in the Arctic allowed to shed new lights on the causes of snowy owls’ winter irruptions at temperate latitudes. Satellite tracking confirmed the extensive use of the Arctic and marine environments by wintering snowy owls. Snow cover and lemming abundance could explain part of the interindividual variability in space use. We also show that snowy owls were generally consistent from one year to the next in their use of latitudinal zones (Arctic vs temperate areas) and habitats (terrestrial vs marine) in winter and that they showed a greater fidelity to wintering than to breeding sites. Our analyses show that periodic winter irruptions at temperate latitudes are at least in part attributable to high reproductive success during the preceding summer because of an abundance of food. These results allowed us to debunk a long-standing myth about irruptive snowy owls, stating that they migrate south massively because of a lack of food in the North. Feather isotopic analyses also confirmed that the marine environment could contribute significantly to the diet of snowy owls in winter. Part of the interindividual variability in the marine contribution to the diet could be explained by the habitat use of snowy tracked by satellite telemetry. In a context of global changes, the snowy owl, as other mobile arctic predators connecting distant ecosystems, both terrestrial and marine, could be affected in multiple ways during its annual cycle. The work presented in this thesis contributes to further our knowledge of the ecology of facultative migrants, particularly in species with unpredictable movement patterns. This study also contributes to further our understanding of the interactions among different parts of the annual cycle of migrating species and the links between ecosystems generated by the movements of predators.

La berce du Caucase (Heracleum mantegazzianum) est une plante envahissante à l'origine disséminée à travers le monde pour son intérêt ornemental. Elle nuit aux milieux dans lesquels elle s'établit, par exemple en y réduisant la diversité spécifique et en causant l'érosion des berges. Sa sève toxique pose également un important problème de santé publique. Si la dynamique de ses populations a été étudiée en Europe, on ne connaît rien sur la génétique des populations québécoises. Cette étude visait à élucider les patrons spatiaux dans l'invasion de la berce au Québec et dans les régions avoisinantes. Elle cherchait entre autres à discerner le rôle de la dissémination anthropique versus naturelle dans la répartition actuelle de la plante. Pour ce faire, des analyses génétiques (1065 marqueurs de type « polymorphisme nucléotidique simple ») ont été effectuées sur un total de 940 individus provenant de 63 sites. Les résultats ont démontré la présence de trois lignées génétiques fortement différenciées parmi les populations québécoises. De multiples évènements de dissémination anthropique volontaire et involontaire ont été identifiés. Ces résultats pourront servir à améliorer les mesures de contrôle de la berce actuellement en place en plus de contribuer à la compréhension théorique de la dynamique des invasions biologiques. / Giant hogweed (Heracleum mantegazzianum) is an invasive plant historically propagated around the world for its horticultural interest. It negatively impacts environments it colonizes, notably by reducing specific diversity and by increasing erosion in river banks. Furthermore, its toxic sap causes an important public health hazard. The species' population dynamics have been studied in Europe, but nothing is known about the genetics of Quebec populations. This study aimed to elucidate spatial patterns in the giant hogweed invasion in Quebec and in surrounding regions. Amongst other things, it focused on discerning the roles of anthropic versus natural dissemination in the current distribution of the plant. Genetic analyses (1065 single nucleotide polymorphism markers) were performed on a total of 940 individuals from 63 sites. The results demonstrated the presence of three strongly genetically differenciated lineages in Quebec populations. Multiple events of voluntary and involuntary anthropogenic dissemination were identified. The results of this study could be used to improve control policies for this species as well as to improve our understanding of the dynamics of biological invasions.

Le homard d’Amérique, Homarus americanus, supporte la pêche commerciale la plus importante dans l’Est du Canada et est donc devenue une espèce prioritaire en terme de gestion et de conservation. Cette thèse vise à acquérir des connaissances importantes sur la reproduction et l’adaptation locale des populations de H. americanus à l’aide d’une approche pluridisplinaire alliant génomique des populations et écologie marine. Dans un premier temps, nous avons cherché à définir des unités génétiques et évaluer leur correspondance avec les 41 unités de gestion actuelles. Nos résultats ont révélé la présence de deux entités régionales (nord/sud) composées de 11 populations génétiquement distinctes à plus fine échelle. Nous avons aussi démontré qu’il était possible d’obtenir de fort succès d’assignation à l’échelle régionale, ce qui permet d’envisager un outil de traçabilité. Ensuite, nous avons évalué l’impact des facteurs environnementaux tels que la distribution spatiale, la circulation océanique et la température de surface de la mer sur la distribution des unités génétiques précédemment définies. Nous avons alors démontré que les courants océaniques avaient une plus forte influence sur la divergence neutre des populations que la distribution spatiale. D’autre part, nous avons découvert que la température minimale annuelle avait une influence significative sur la divergence adaptative, et que ce signal persistait même après avoir soustrait l’influence de la distribution spatiale à cette relation. Finalement, nous avons exploré l’influence du sexe ratio et des marqueurs sexuels sur les analyses de structuration génétique d’une espèce marine faiblement structurée, ici le homard d’Amérique. Grâce aux 12 marqueurs sexuels identifiés, nous avons pu révéler le système de détermination sexuelle présent chez cette espèce et caractériser les bases moléculaires de ce déterminisme. Dans l’ensemble, les résultats de cette thèse illustrent le potentiel des outils génomiques dans la mise en place d’une gestion durable du homard d’Amérique dans les eaux canadiennes. / The American lobster, Homarus americanus, supports the largest commercial fishery in Eastern Canada and has therefore become a priority species in terms of conservation and management. This thesis aimed to gain important knowledge about the genetic structure and adaptive potential of H. americanus using a multidisciplinary approach, combining population genomics and marine ecology. Our first goal was to identify genetic units and assess their correspondence to the 41 management units presently in use. Our results revealed the presence of two regional entities (north/south), with at a finer scale, 11 genetically distinguishable populations. We also demonstrated that it was possible to identify the origin of individuals blindly, with an average of 90% individuals correctly reassigned to the regional genetic unit where they were sampled. This high assignment success, unexpected for a marine species, could be used as a relevant traceability tool. Next, we assessed the impacts of environmental factors such as spatial distribution, ocean circulation and sea surface temperature on the previously identified genetic structure. We showed that ocean currents had a greater effect on the putatively neutral genetic structure than spatial distribution. On the other hand, annual minimum temperature appeared to explain a significant portion of the putatively adaptive genetic variation, and this signal persisted even after subtracting the influence of the spatial distribution. Finally, we explored the influence of sex ratio and sex-linked markers on the analyses of genetic structure of high gene flow species, here the American lobster. We found 12 sex-linked markers from which we inferred a probable genetic mechanism of sex determination of the American lobster and characterized its molecular basis. Overall, the results of this thesis illustrate the potential of a genomic approach as a new tool for the sustainable management of American lobster in Canadian waters.