Le changement climatique et l’augmentation des températures globales perturbent l’abondance et la distribution de milliers d’organismes, aquatiques et terrestres, et certains écosystèmes sont particulièrement sensibles à ces changements environnementaux. L’augmentation de température est la principale menace au maintien des populations de coraux, véritables ingénieurs écologiques de ces écosystèmes. Bien que la recherche sur les récifs coralliens se soit d’abord attachée à l’étude des coraux adultes, de nombreuses informations manquent sur la reproduction sexuée et asexuée, et leur rôle dans la conservation et restauration récifale. Le premier axe de ma thèse s’est donc construit sur la réponse des jeunes stades de vie à l’augmentation de température, pour d’abord évaluer les modifications de leur performance et ensuite évaluer dans quelles mesures les jeunes stades seraient capables de s’acclimater à des conditions de températures plus élevées. Au travers de différentes expérimentations en laboratoire sur le genre Acropora, j’ai ainsi mis en évidence 1) une résistance thermique importante (+2-3°C au-dessus des températures ambiantes) des gamètes face à l’augmentation de température, 2) une résistance thermique différente entre spermatozoïdes et ovocytes: ovocytes < spermatozoïdes, 3) et la mise en évidence du rôle majeur de l’environnement dans lequel se rencontre les gamètes une fois libérés, sur la qualité et la quantité de la fécondation. Enfin, j’ai identifié les conditions optimales thermiques de pré-exposition des gamètes pour maximiser leur succès de fécondation. Bien qu’un intérêt croissant soit porté sur la reproduction sexuée ces dernières années, l’utilisation de la reproduction asexuée demeure la méthode la plus utilisée pour restaurer les récifs coralliens, plus connue sous le nom de bouturage. Ainsi le second axe de ma thèse a cherché à mettre en évidence la plasticité phénotypique des coraux en cultivant des boutures provenant de 3 espèces dans 3 environnements différents et en analysant leur taux de croissance, leur état de santé et leur survie. Cet axe a pu montrer qu’il existait des différences à plusieurs échelles, entre espèces, mais aussi au sein d’une même espèce. Mes travaux montrent qu’une sélection des individus basée sur l’étude de la plasticité phénotypique de certains traits d’histoires de vie comme la croissance ou l’état de santé dans des environnements variables permettrait d’améliorer l’efficacité de la restauration récifale. Ainsi le choix des individus au sein d’une même espèce afin de réaliser du bouturage (reproduction asexuée) et le conditionnement de la phase de vie gamètes (reproduction sexuée) peut permettre d’augmenter l’efficacité des méthodes de restaurations tout en nous donnant des informations nouvelles sur la biologie et la physiologie des coraux scléractiniaires face aux changements environnementaux. / Climate change and increasing temperature impact abundance and distribution of thousands of organisms, aquatic and terrestrial, and some ecosystems are particularly sensitive to these global changes. Increasing temperature is the principal threat for coral populations, which are ecological engineers of coral reef ecosystems. While research on coral reefs has first sought to study adult corals, data are still lacking on early life stages of corals. As sexual and asexual reproduction may play a key role in the conservation and restoration of coral reefs, my doctoral research aims to better understand changes on sexual and asexual reproduction in the face of rising temperature. The first axis of my Ph. D. was built on the response of early life stages to increasing temperature, in order to assess whether pre-exposure of early life may improve their ulterior performance. Among the different experiments performed on the genus Acropora, I highlighted 1) a high thermal tolerance (+2-3°C above ambient temperature) of gametes, 2) a higher sensibility of oocytes than sperm to rising temperature exposure, and 3) the pivotal role of gamete thermal history on fertilization output. Finally, I identified optimal pre-exposure conditions in order to maximize fertilization success. While an increasing interest in sexual reproduction was observed these last years, asexual reproduction and fragmentation still remain the main tool to restore damaged reefs. Thus, in the second axis of my doctoral project, I investigated the phenotypic plasticity of corals by growing 3 different species of corals across 3 different environments. Their growth rates, health status and survival probability were determined. Results from this axis showed that differences were observed at the interspecific and intraspecific levels. This work revealed that a selection based on phenotypic plasticity among different life-traits (growth rates and health status) and different environments should allow to increase coral reef restoration strategies. Hence the selection of individuals (asexual reproduction) in a species based on coral common garden experiment allow to identify individuals of interest to use as restoration biological materials. Additionally, thermal pre-conditioning of early life stages (sexual reproduction) is another way to increase efficiency of restoration measures in the face of rising temperature. My doctoral research provided new information regarding physiological and biological processes of scleractinian corals facing environmental changes and proposed new solutions for restorations based on sexual and/or asexual reproduction.

Chez l’ascidie coloniale Botryllus schlosseri, en plus de l’embryogénèse existent deux voies de développement aboutissant à la production de la même structure : l’organisme adulte ou zooide. Ces développements alternatifs ont lieu lors de processus biologiques distincts : le bourgeonnement palléal (BP) et le bourgeonnement vasculaire (BV). Le BP est un processus de multiplication asexuée présentant une ontogénèse stéréotypée. En revanche, le BV est un phénomène régénératif, induit dans les vaisseaux sanguins de la colonie par l’ablation de tous les zooides et bourgeons palléaux. Mes travaux de recherche ont eu pour objectif de caractériser les bases moléculaires et cellulaires régissant le BP et le BV chez B. schlosseri. L’étude de gènes marqueurs des lignées méso-, endo- et ectodermiques a révélé l’existence de territoires présomptifs pour chacune de ces lignées, dès les premiers stades du BV et du BP, et suggéré l’existence d’un programme unique aux deux processus. Les lignées neurales et musculaires ont été étudiées plus en détail lors du BP, indiquant un double rôle potentiel, neuro- et myo-génétique, au tube dorsal, une structure jusqu’à présent uniquement associée au système nerveux. Une caractérisation morphologique poussée a mené à l’identification de stades précoces stéréotypés du BV lors de la régénération. Enfin, l’analyse de transcriptomes de différents stades du BP et de la régénération ont initié l’étude non biaisée des bases moléculaires du bourgeonnement chez Botryllus. L’objectif à long terme de ces travaux est de décrypter les bases moléculaires et génétiques facilitant, chez les métazoaires, l’évolution de voies de développement alternatives. / In addition to embryogenesis, the colonial ascidians Botryllus schlosseri evolved two alternative developmental pathways leading to the same final structure: the adult body, or zooid. These non-embryonic ontogenesis occur during distinct biological processes: palleal budding (PB) and vascular budding (VB). PB is a process of asexual propagation, with a very stereotyped morphogenesis. Conversely, VB is a purely regenerative phenomenon, induced in the vascular system of the colony by the ablation of all zooids and palleal buds. My research work followed the objective to characterize the molecular and cellular basis of both PB and VB in B. schlosseri. The study of meso-, endo- and ectodermal lineage marker genes revealed the existence of presumptive territories of these lineages in the early palleal and vascular buds and that a single developmental program was launched in both VB and PB. Neural and muscle fates were studied in more detail for PB, indicating a potential double function, both neuro- and myo-genic for the dorsal tube, a structure so far associated with the nervous system only. A detailed morphological description of VB allowed to identify stereotyped stages during early regeneration. Eventually, a transcriptomic characterization of early VB and PB processes initiated an unbiased study of the molecular basis underlying the budding phenomenon in Botryllus. The overall goal of these research works is to unravel the molecular and genetic basis that facilitated, in Botryllus and globally in metazoan, the evolution of alternative developmental pathways.

Les Porifères et les Cténophores sont probablement les deux lignées animales les plus anciennes. Leur étude permet de retracer l’histoire précoce des métazoaires, et d’aborder l'origine de la distinction entre les lignées somatique et germinale. En effet, chez les éponges cette distinction n’existe pas: les archéocytes et choanocytes pouvant donner les cellules somatiques et les gamètes.Après avoir établi la liste des gènes considérés comme impliqués dans la gamétogenèse chez les métazoaires, j’ai caractérisé leurs séquences et retracé leur histoire grâce à des analyses comparatives intégrant les principales lignées animales. Enfin, un suivi in situ d'Oscarella lobularis m’a permis d’affiner son cycle de vie et d’accéder à toutes les étapes du développement pour étudier l’expression de ces gènes et de tester leur implication dans la gamétogenèse.Ainsi, j'ai montré que 18 gènes du GMP (Germline Multipotency Program) sont présents ancestralement chez les animaux. Parmi ceux-ci 11 s’expriment pendant la gamétogenèse, au cours de l’embryogenèse, de la reproduction asexuée et de la régénération. Enfin, le suivi in situ a montré l’influence de la variation de la température et de la matière organique sur le déclenchement de la gamétogenèse.Mon travail suggère d’une part, que la spécification des cellules germinales est régie par des mécanismes génétiques communs à l’échelle de métazoaires, et d’autre part que ces gènes pourraient être impliqués dans la multipotence. Ces résultats renforcent l’hypothèse proposant une origine commune de la lignée germinale et des cellules souches somatiques. / Porifera and Ctenophora are probably the two most ancient animal lineages. Their study therefore allows to trace back the early history of metazoans and to address the origin of the distinction between somatic and germ lines. Indeed, in sponges this distinction does not exist: archeocytes and choanocytes can give rise to both somatic cells and gametes.After establishing the list of genes considered to be involved in gametogenesis in metazoans, I searched for these candidate genes (by local blast) in the transcriptomes of two sponge species (Oscarella lobularis and Oopsacas minuta). I thereby managed to characterize their sequences (phylogenetic and protein domain analyzes) and to trace their evolution through comparative analyzes including all main animal phyla. Finally, the in situ monitoring of O. lobularis enabled me to refine its life cycle and access all key developmental stages in order to study the expression of candidate genes in order to test their possible involvement in gametogenesis in this species.I have shown that 18 GMP (Germline Multipotency Program) genes are present ancestrally in animals. Among them, at least 11 are expressed not only during gametogenesis but also during embryogenesis, asexual reproduction and regeneration. Finally, in situ monitoring showed the influence of temperature variations and organic matter availability on gametogenesis.My work suggests, firstly that the specification of germ cells is controlled by common genetic mechanisms across metazoans, and secondly that these ancestral genes might be involved in pluripotency. These results reinforce the hypothesis suggesting a common origin of the germline and somatic stem cells.

Les systèmes de reproduction jouent un rôle fondamental dans la structuration spatio-temporelle de la diversité génétique des espèces. Cette thèse, portant sur l'étude de trois populations de merisiers, a pour but de mieux comprendre les implications évolutives d'un système de reproduction mixte chez les plantes combinant à la fois une propagation asexuée et une reproduction sexuée contrôlée par un système d'auto-incompatibilité gamétophytique (GSI).Nous avons étudié les influences de la propagation asexuée et du GSI sur (1) la structuration diversité génétique intra et inter populations et sur (2) l'efficacité de sa transmission d'une génération à l'autre.Confrontant des modèles et concepts théoriques aux réalités biologiques, nos résultats démontrent à la fois un effet de l'asexualité et du GSI sur l'évolution de la diversité génétique de notre espèce. Ces effets sont plus complexes voire contraires à ce que prédisent les modèles ou les concepts actuellement admis.

3 vidéos sont dans des fichiers complémentaires à ce mémoire / Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) ont une structure génétique très particulière et certains aspects de leur génétique sont encore incompris et peu documentés. Les CMA se reproduisent par voie asexuée à l’aide de spores multinucléées. Dans cette étude, j’ai cherché à comprendre les mécanismes de l’hérédité génétique des noyaux par la voie de la reproduction asexuée chez les CMA. La première étape était de déterminer le contenu en noyaux des spores matures, ainsi que celui des spores en formation. Des analyses statistiques ont été utilisées pour vérifier le type de relation entre le nombre de noyaux et le diamètre des spores. Quatre espèces du genre Glomus ont été observées au microscope confocal. Les résultats démontrent une hétérogénéité entre les spores dans leur contenu en noyau pour un même diamètre en plus d’une relation positive entre le nombre de noyau et le diamètre de la spore. Afin de vérifier le contenu en noyaux dans les phases extraracinaires, trois différentes structures du mycélium ont été observées au microscope confocal. Aucune structure n’a été retrouvée avec un seul noyau, ce qui permet de conclure que les CMA ne possèdent vraisemblablement pas de stade uninucléé dans leurs phases extraracinaires. Pour étudier l’hérédité des noyaux, deux différentes approches ont été utilisées: (i) Glomus irregulare a été mis sur milieu complémenté avec de l’aphidicoline pour inhiber la mitose. Des observations au microscope confocal ont permis de dénombrer les noyaux qui sont issus des hyphes et non des mitoses. Les résultats indiquent que la population de noyaux présents dans les spores matures provient d’une migration massive de noyaux à l’intérieur des spores en formation suivie d’un nombre faible de mitoses. (ii) La deuxième approche est l’observation microscopique en temps-réel de spores en formation de G. diaphanum qui a permis de confirmer cette affirmation, car il a été possible de voir plusieurs noyaux entrer dans la spore. Dans la dernière partie de cette étude, je me suis intéressée aux échanges génétiques horizontaux chez les CMA qui sont possibles grâce aux anastomoses. Quatre isolats de l’espèce G. irregulare ont été croisés en co-culture par couple de deux isolats (six croisements) pour permettre une proximité propice aux anastomoses et aux échanges génétiques. Ces croisements ont été maintenus pendant deux ans en culture par le repicage des racines colonisées. Des spores des deux différents isolats ont été confrontées sur eau gélifiée, afin d’observer la formation d’anastomose. Un pourcentage de 13% de formation de fusions d’hyphes pour une des confrontations suggère que l’échange des marqueurs parentaux a pu avoir lieu entre les deux isolats grâce aux anastomoses. Un marqueur moléculaire mitochondrial nommé Indel 5 a été développé et utilisé pour l’analyse des spores filles. Ce marqueur possède entre les isolats une délétion de 39 pb et la différence entre les isolats est facilement détectable sur gel d’électrophorèse après amplification PCR. Le génotypage par PCR des spores individuelles a montré que certaines des spores filles issues du croisement possèdent un des deux marqueurs parentaux alors que d’autres spores ont un génotype qui semble posséder les deux marqueurs. Même si la fusion d’hyphes entre spores en germination est possible, d’autres recherches devront être réalisées pour confirmer qu’un échange génétique est possible entre deux isolats très éloignés géographiquement. Le fait qu’il n’existe aucun stade uninucléé au cycle de vie des CMA et qu’il y ait une migration massive de noyaux lors de la formation des spores permet de limiter la dérive génique lors de la reproduction asexuée. Les anastomoses, quant à elles, permettent de rétablir la diversité génétique. Ces deux particularités de la génétique des CMA ont été fort importantes au cours de leur évolution pour permettre de maintenir une variabilité génétique élevée et permettre ainsi une grande adaptation à différents type d’habitats. / Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) have a particular and complex genetic structure. Yet, many aspects of their genetics are still misunderstood and poorly documented. These organisms reproduce by asexual multinucleate spores. In this study, I investigated the mechanisms of genetic inheritance of nuclei through asexual reproduction in AMF. First, I determined the number of nuclei in mature and juveniles spores; I used statistical analysis to determine the relationship between the number of nuclei and the spore diameter. Four species from the genus Glomus were observed with a confocal microscope. The results showed that the number of nuclei has a significant positive relationship with spore diameter and more importantly, surprising heterogeneity in the number of nuclei among sister spores was found. To determine the number of nuclei in extraradical phases, three different structures from the mycelia were carefully examined with a confocal microscope. All the structures possessed more than one nucleus and showed that AMF probably lack a single-nucleus stage during their extraradical phases. To study the nuclei’s heritance, two different approaches were used: (i) Glomus irregulare was grown on medium complemented with aphidicolin to inhibit the mitosis. Observations with a confocal microscope permit to count the nuclei that come from the hyphae and not from the mitosis. The results showed that massive nuclear migration and mitosis are the mechanisms by which AMF spores are formed. (ii) The second approach confirm these results because with time-laps live cellular imaging of young spores of Glomus diaphanum it was possible to see many nuclei to get in the spores. In a second part of this thesis, I studied horizontal gene exchanges among AMF isolates through anastomoses. Thus, four isolates of the species G. irregulare were used in in vitro crossing experiments, in total six combinations using two isolates per crossing experiment. These crossing co-cultures were maintained over two years by subculturing. Spores of two different isolates were confronted in vitro prior to observation of anastomoses. 13% of spores formed anastomoses suggesting the occurrence of genetic exchange between two isolates. A mitochondrial molecular marker referred as Indel 5, was used to genotype individual spores of crossing progenies. A 39 bp deletion occurs in the marker among different isolates and is clearly discriminated by PCR. PCR patterns showed that some spores seem to have both parental markers demonstrating that genetic exchange could occur between the two isolates used in crossing experiment. Even though hyphal fusions occur between germinating spores, subsequent research needs to be done to confirm genetic exchange among different isolates from different geographic areas. The finding that AMF lack a single nuclear stage in their extraradical phases and that mitosis and nuclear migration are the mechanisms by which AMF spores are formed reduce genetic drift that acts on these organisms during asexual reproduction. Anastomoses are likely a mechanism that maintains the genetic diversity in AMF. These genetic characteristics of AMF were very important during their evolution to maintain a high genetic variability that allows their adaptation to many different ecosystems.

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) ont une structure génétique très particulière et certains aspects de leur génétique sont encore incompris et peu documentés. Les CMA se reproduisent par voie asexuée à l’aide de spores multinucléées. Dans cette étude, j’ai cherché à comprendre les mécanismes de l’hérédité génétique des noyaux par la voie de la reproduction asexuée chez les CMA. La première étape était de déterminer le contenu en noyaux des spores matures, ainsi que celui des spores en formation. Des analyses statistiques ont été utilisées pour vérifier le type de relation entre le nombre de noyaux et le diamètre des spores. Quatre espèces du genre Glomus ont été observées au microscope confocal. Les résultats démontrent une hétérogénéité entre les spores dans leur contenu en noyau pour un même diamètre en plus d’une relation positive entre le nombre de noyau et le diamètre de la spore. Afin de vérifier le contenu en noyaux dans les phases extraracinaires, trois différentes structures du mycélium ont été observées au microscope confocal. Aucune structure n’a été retrouvée avec un seul noyau, ce qui permet de conclure que les CMA ne possèdent vraisemblablement pas de stade uninucléé dans leurs phases extraracinaires. Pour étudier l’hérédité des noyaux, deux différentes approches ont été utilisées: (i) Glomus irregulare a été mis sur milieu complémenté avec de l’aphidicoline pour inhiber la mitose. Des observations au microscope confocal ont permis de dénombrer les noyaux qui sont issus des hyphes et non des mitoses. Les résultats indiquent que la population de noyaux présents dans les spores matures provient d’une migration massive de noyaux à l’intérieur des spores en formation suivie d’un nombre faible de mitoses. (ii) La deuxième approche est l’observation microscopique en temps-réel de spores en formation de G. diaphanum qui a permis de confirmer cette affirmation, car il a été possible de voir plusieurs noyaux entrer dans la spore. Dans la dernière partie de cette étude, je me suis intéressée aux échanges génétiques horizontaux chez les CMA qui sont possibles grâce aux anastomoses. Quatre isolats de l’espèce G. irregulare ont été croisés en co-culture par couple de deux isolats (six croisements) pour permettre une proximité propice aux anastomoses et aux échanges génétiques. Ces croisements ont été maintenus pendant deux ans en culture par le repicage des racines colonisées. Des spores des deux différents isolats ont été confrontées sur eau gélifiée, afin d’observer la formation d’anastomose. Un pourcentage de 13% de formation de fusions d’hyphes pour une des confrontations suggère que l’échange des marqueurs parentaux a pu avoir lieu entre les deux isolats grâce aux anastomoses. Un marqueur moléculaire mitochondrial nommé Indel 5 a été développé et utilisé pour l’analyse des spores filles. Ce marqueur possède entre les isolats une délétion de 39 pb et la différence entre les isolats est facilement détectable sur gel d’électrophorèse après amplification PCR. Le génotypage par PCR des spores individuelles a montré que certaines des spores filles issues du croisement possèdent un des deux marqueurs parentaux alors que d’autres spores ont un génotype qui semble posséder les deux marqueurs. Même si la fusion d’hyphes entre spores en germination est possible, d’autres recherches devront être réalisées pour confirmer qu’un échange génétique est possible entre deux isolats très éloignés géographiquement. Le fait qu’il n’existe aucun stade uninucléé au cycle de vie des CMA et qu’il y ait une migration massive de noyaux lors de la formation des spores permet de limiter la dérive génique lors de la reproduction asexuée. Les anastomoses, quant à elles, permettent de rétablir la diversité génétique. Ces deux particularités de la génétique des CMA ont été fort importantes au cours de leur évolution pour permettre de maintenir une variabilité génétique élevée et permettre ainsi une grande adaptation à différents type d’habitats. / Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) have a particular and complex genetic structure. Yet, many aspects of their genetics are still misunderstood and poorly documented. These organisms reproduce by asexual multinucleate spores. In this study, I investigated the mechanisms of genetic inheritance of nuclei through asexual reproduction in AMF. First, I determined the number of nuclei in mature and juveniles spores; I used statistical analysis to determine the relationship between the number of nuclei and the spore diameter. Four species from the genus Glomus were observed with a confocal microscope. The results showed that the number of nuclei has a significant positive relationship with spore diameter and more importantly, surprising heterogeneity in the number of nuclei among sister spores was found. To determine the number of nuclei in extraradical phases, three different structures from the mycelia were carefully examined with a confocal microscope. All the structures possessed more than one nucleus and showed that AMF probably lack a single-nucleus stage during their extraradical phases. To study the nuclei’s heritance, two different approaches were used: (i) Glomus irregulare was grown on medium complemented with aphidicolin to inhibit the mitosis. Observations with a confocal microscope permit to count the nuclei that come from the hyphae and not from the mitosis. The results showed that massive nuclear migration and mitosis are the mechanisms by which AMF spores are formed. (ii) The second approach confirm these results because with time-laps live cellular imaging of young spores of Glomus diaphanum it was possible to see many nuclei to get in the spores. In a second part of this thesis, I studied horizontal gene exchanges among AMF isolates through anastomoses. Thus, four isolates of the species G. irregulare were used in in vitro crossing experiments, in total six combinations using two isolates per crossing experiment. These crossing co-cultures were maintained over two years by subculturing. Spores of two different isolates were confronted in vitro prior to observation of anastomoses. 13% of spores formed anastomoses suggesting the occurrence of genetic exchange between two isolates. A mitochondrial molecular marker referred as Indel 5, was used to genotype individual spores of crossing progenies. A 39 bp deletion occurs in the marker among different isolates and is clearly discriminated by PCR. PCR patterns showed that some spores seem to have both parental markers demonstrating that genetic exchange could occur between the two isolates used in crossing experiment. Even though hyphal fusions occur between germinating spores, subsequent research needs to be done to confirm genetic exchange among different isolates from different geographic areas. The finding that AMF lack a single nuclear stage in their extraradical phases and that mitosis and nuclear migration are the mechanisms by which AMF spores are formed reduce genetic drift that acts on these organisms during asexual reproduction. Anastomoses are likely a mechanism that maintains the genetic diversity in AMF. These genetic characteristics of AMF were very important during their evolution to maintain a high genetic variability that allows their adaptation to many different ecosystems. / 3 vidéos sont dans des fichiers complémentaires à ce mémoire