Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2024 / L'évolution est souvent perçue comme un processus lent, s'étalant sur de très longues périodes. Cependant, un phénomène qui peut jouer un rôle rapide dans l'évolution adaptative est l'hybridation, car elle entraîne une augmentation instantanée de nouveaux génotypes au sein des populations. Il n'est pas étonnant que l'hybridation ait captivé les scientifiques pendant des décennies. Tout d'abord, en raison de son attrait mystérieux, d'autant plus qu'autrefois, les organismes hybrides étaient perçus comme des « créatures monstrueuses » incapables de se reproduire. Cependant, le rôle de l'hybridation dans des processus évolutifs majeurs, tels que la spéciation ou la radiation adaptative, a remis en question cette vision passéiste et a ravivé l'intérêt pour comprendre leurs dynamiques évolutives. Certains hybrides peuvent coloniser des niches écologiques inaccessibles aux parents, probablement grâce à la plasticité accrue de leur génome favorisant une exploration rapide de nouveaux phénotypes. Cependant, la majorité des études comparant la valeur adaptative des hybrides à celle des espèces parentales ont examiné les effets immédiats après l'hybridation, négligeant leur évolution sur le long terme. Par conséquent, les répercussions négatives de l'hybridation ont principalement été axées sur l'isolement reproductif, avec moins d'attention portée à l'incidence sur leur potentiel adaptatif. Pour combler ces lacunes, cette thèse vise à explorer les dynamiques évolutives des hybrides depuis leur formation jusqu'à leur éventuelle adaptation à des environnements extrêmes. Pour atteindre cet objectif, nous avons exploité la prédisposition des espèces de levure à s'hybrider naturellement, en utilisant ce système pour croiser Saccharomyces cerevisiae et Saccharomyces paradoxus. Ces deux espèces, qui ont divergé il y a entre cinq et dix millions d'années, occupent des niches écologiques similaires et montrent des signes d'introgression, avec un potentiel adaptatif dans certains cas, révélant un historique naturel d'hybridation. En raison de la diversité génétique accrue offerte par l'hybridation, nous avançons l'hypothèse que les hybrides s'adapteront plus rapidement que les espèces parentales. Nous avons ainsi évalué leur potentiel adaptatif dans un environnement contenant une molécule toxique qui endommage directement l'ADN, simulant l'effet du rayonnement UV (dorénavant désigné comme conditions mimétiques UV), un défi en termes d'adaptation. Nous avons exposé 180 populations, incluant des hybrides ainsi que leurs souches parentales, aux conditions mimétiques UV et, en parallèle, aux conditions contrôle, pendant environ 100 générations, suivant une approche d'évolution expérimentale. Contrairement à notre hypothèse initiale, nous avons constaté que les taux d'adaptation étaient inférieurs chez les hybrides par rapport aux espèces parentales. Les conditions mimétiques UV accroissent l'instabilité génomique et pourraient davantage affecter les génomes hybrides intrinsèquement instables. Par conséquent, nous avons émis l'hypothèse que la moindre adaptation des hybrides pourrait résulter d'une accumulation plus rapide de changements génomiques, mais aucune telle association n'a été trouvée. Alternativement, les hybrides pourraient manquer d'accès aux mêmes mutations que les espèces parentales en raison de leur architecture génomique particulière. Cependant, nous avons remarqué que l'un des gènes les plus mutés (PDR1) était le même pour les trois génotypes, révélant ainsi un parallélisme évolutif remarquable et suggérant des mécanismes d'adaptation moléculaire similaires. Nous avons constaté que les mutations dans ce gène étaient principalement homozygotes chez les parents, mais hétérozygotes chez les hybrides, ce qui pourrait limiter le potentiel d'adaptation des hybrides. Nous avons donc avancé l'hypothèse qu'un taux de perte d'hétérozygotie (LOH) plus faible chez les hybrides pourrait entraver l'augmentation de leur valeur adaptative. Pour tester cette hypothèse: 1) nous avons utilisé l'édition du génome pour démontrer que les mutations présentent une dominance incomplète, nécessitant l'homozygotie pour être pleinement bénéfiques. C'est seulement ainsi que les mutations deviennent visibles pour la sélection et peuvent contourner le tamis de Haldane, qui favorise la fixation des mutations dominantes; et 2) nous avons remonté dans le temps à l'aide de « fossiles » congelés, afin de suivre la fréquence des mutations homozygotes et hétérozygotes dans nos trois génotypes. Nos résultats confirment que la LOH se produit à un rythme plus faible chez les hybrides que chez les parents. Globalement, nos découvertes révèlent que le tamis de Haldane entrave l'adaptation hybride, mettant en lumière une contrainte inhérente de leur architecture génomique qui peut restreindre l'impact de l'hybridation dans l'évolution adaptative. Dans l'ensemble, nos recherches soulignent l'impact de la LOH sur les taux d'adaptation, tout en illustrant comment les interactions alléliques limitent les dynamiques évolutives des hybrides. / Evolution is often perceived as a slow process, spanning very long periods. However, a phenomenon that can play a rapid role in adaptive evolution is hybridization, as it leads to an instantaneous increase in new genotypes within populations. It is not surprising that hybridization has captivated scientists for decades, initially due to its mysterious appeal, especially considering that hybrid organisms were once perceived as « monstrous creatures » incapable of reproduction. However, the role of hybridization in major evolutionary processes, such as speciation or adaptive radiation, has challenged this antiquated view and reignited interest in understanding their evolutionary dynamics. Some hybrids can colonize ecological niches inaccessible to parents, likely due to the increased plasticity of their genome favoring the rapid exploration of new phenotypes. However, most studies comparing the adaptive value of hybrids to that of parental species have focused on immediate post-hybridization effects, overlooking their long-term evolution. Consequently, the negative impacts of hybridization have primarily focused on reproductive isolation, with less attention paid to their adaptive potential. To address these gaps, this thesis aims to explore the evolutionary dynamics of hybrids from their formation to their eventual adaptation to extreme environments. To achieve this goal, we leveraged the predisposition of yeast species to naturally hybridize, using this system to cross Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces paradoxus. These two species, which diverged between five and ten million years ago, occupy similar ecological niches and show signs of introgression, with adaptive potential in some cases, revealing a natural history of hybridization. Due to the increased genetic diversity offered by hybridization, we hypothesize that hybrids will adapt more rapidly than parental species. We thus assessed their adaptive potential in an environment containing a toxic molecule that directly damages DNA, mimicking the effect of UV radiation (hereafter referred to as UV mimetic conditions), which poses a challenge in terms of adaptation. We exposed 180 populations, including hybrids and their parental strains, to UVmimicking conditions and, in parallel, to control conditions, for about 100 generations, following an experimental evolution approach. Contrary to our initial hypothesis, we found that adaptation rates were lower in hybrids compared to parental species. UV mimetic conditions increase genomic instability, potentially exerting a greater impact on inherently unstable hybrid genomes. Therefore, we next hypothesized that the lower adaptation of hybrids could result from a faster accumulation of genomic changes, although no such association was found. Alternatively, hybrids may lack access to the same mutations as parental species because of their unique genomic architecture. However, we observed that one of the most mutated genes (PDR1) was the same for all three genotypes, revealing a remarkable evolutionary parallelism and suggesting similar molecular adaptation mechanisms. We found that mutations in this gene were mainly homozygous in parents but heterozygous in the hybrids, which could limit the adaptive potential of the hybrids. We thus hypothesized that a lower rate of loss of heterozygosity (LOH) in hybrids could hinder the increase in their adaptive value. To test this hypothesis: 1) we used genome editing to demonstrate that mutations exhibit incomplete dominance, requiring homozygosity to be fully beneficial. Only then do mutations become visible to selection and can bypass Haldane's sieve, which favors the fixation of dominant mutations; and 2) we traced back in time using frozen « fossils » to track the frequency of homozygous and heterozygous mutations in our three genotypes. Our results confirm that LOH occurs at a slower pace in hybrids than in parents. Together, our results show that Haldane's sieve slows down adaptation in hybrids, revealing an intrinsic constraint of their genomic architecture that can limit the impact of hybridization in adaptive evolution. In summary, our studies emphasize the impact of the LOH on adaptation rates, while illustrating how allelic interactions limit the evolutionary dynamics of hybrids.

Il existe des millions d'espèces différentes dans le monde qui ont évolué grâce à des interactions complexes avec leur environnement. La biologie évolutive contemporaine connaît une révolution grâce au séquençage de génomes ainsi qu’au criblage et la manipulation génétique, mais l'objectif reste le même qu'il y a 160 ans: comprendre les mécanismes sous-jacents impliqués dans la spéciation. Cela peut être réalisé en étudiant les mécanismes génétiques impliqués dans l'adaptation locale et la spécialisation écologique lors des premiers événements de spéciation. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier les mécanismes moléculaires qui sous-tendent l'adaptation et la différenciation des populations dans un complexe de jeunes espèces de la levure Saccharomyces paradoxus, naturellement présentes dans les forêts de feuillus d'Amérique du Nord. En utilisant diverses approches, telles que la génomique des populations, la biologie expérimentale, la transcriptomique et le phénotypage à haut débit, nous (1) disséquons les bases génétiques de la spécialisation écologique et (2) étudions les effets de l’hybridation sur la divergence rapide et la spéciation. Nous documentons d’abord que la spécialisation écologique à différentes températures (un phénotype reconnu pour jouer un rôle important dans la divergence de deux principales lignées de S. paradoxus) est en partie causée par une sélection assouplie avec des compromis. Les travaux portant sur deux événements d'hybridation inter-espèces démontrent, quant à eux, un croisement entre une espèce hybride et son espèce parentale, ce qui indique que l'hybridation est probablement plus fréquente dans l'évolution des espèces qu'on ne le pensait auparavant. Nos travaux soulignent l’importance de la différenciation écologique par une sélection relaxée plutôt que par une divergence adaptative de la fixation de mutations bénéfiques. En outre, nos travaux montrent que l'hybridation dans la nature joue probablement un rôle important dans la création d'une nouvelle diversité par le biais de la ségrégation transgressive et que cela peut se répéter par des croisements incluant des espèces hybrides. Des études à venir sur des espèces jeunes et des complexes hybrides permettront de comprendre davantage les bases génétiques de la différenciation des populations, les conséquences de l'hybridation inter-espèces et de sa récurrence dans l'origine des espèces. / Millions of different species inhabiting the world have evolved through complex interactions with their environment. Contemporary evolutionary biology is experiencing a revolution in genome sequencing, screening and genetic manipulation technologies. Its aim, however, remains the same as 160 years ago when pioneers like Darwin and Wallace published the first articles about the evolutionary theory: to understand the underlying mechanisms involved in speciation, because such knowledge is key to shed light into species diversification. This can be achieved by studying the genetic mechanisms involved in local adaptation and ecological specialization during early speciation events. The main objective of this work is to investigate the molecular mechanisms underlying adaptation and population differentiation in a young species complex of the budding yeast Saccharomyces paradoxus, naturally found in the North American deciduous forests. Using different approaches, such as population genomics, experimental biology, transcriptomics and high-throughput phenotyping we (1) dissect the genetic bases for ecological specialization and (2) investigate the effect of hybridization in facilitating rapid divergence and speciation. First, we document that the ecological specialization to different temperatures, a phenotype that has been previously shown to play an important role in the divergence of two main S. paradoxus lineages, is partially driven by relaxed selection with trade-offs. Second, with the work on two inter-species hybridization events, we document a back-cross between a hybrid taxa and its parental species, which highlights that hybridization is likely more common in the evolution of species than previously thought. Our work underlines the importance of ecological differentiation through relaxed selection, rather than adaptive divergence from the fixation of beneficial mutations. Additionally, our findings show that hybridization in nature likely plays an important role in creating new diversity through transgressive segregation, and that this can reiterate through crosses that include hybrid species. Studies on young species and hybrid complexes will enable to further understand the genetic bases of population differentiation and the consequences of inter-species hybridization and its recurrence in the origin of species.