Un objectif central de la biologie évolutive est la compréhension des mécanismes qui conduisent à la formation de nouvelles espèces. Les stérilités hybrides constituent un type de barrières reproductives pouvant mener à la spéciation. Ce travail dissèque les bases génétiques d’une stérilité mâle observée chez l'hybride entre deux accessions naturelles d'Arabidopsis thaliana, Shahdara et Mr-0, lorsque Shahdara est le parent femelle. Par des approches génétiques et cytologiques, nous montrons que deux phénomènes interviennent dans cette stérilité. D'une part le cytoplasme de Shahdara induit une stérilité mâle cytoplasmique (CMS), en interaction avec plusieurs locus nucléaires. D'autre part, une létalité pollinique est due à plusieurs locus distorteurs de ségrégation (pollen killers). La stérilité de l'hybride résulte d'une liaison génétique entre les déterminants nucléaires de la CMS et les pollen killers. L'un des pollen killers a été localisé dans un intervalle de 70 Kb qui contient également des éléments nécessaires à la restauration de la CMS. Ce locus est complexe et présente de nombreuses variations structurales, notamment au niveau de gènes PPR. Ces résultats suggèrent que deux types de conflits génomiques, les distorteurs de ségrégation et la CMS, pourraient coévoluer dans des populations naturelles et conduire à l’élaboration de barrières reproductives au sein d'une même espèce. / Species differentiation and the underlying genetics of reproductive isolation are central topics in evolutionary biology. Hybrid sterility is one kind of reproductive barrier that can lead to differentiation between species. Here, we analyze the complex genetic basis of the intraspecific hybrid male sterility that occurs in offspring of two distant natural strains of Arabidopsis thaliana, Shahdara and Mr-0, with Shahdara as the female parent. Using genetic approaches as well as cytological observation of pollen viability, we demonstrate that this particular hybrid sterility results from two causes of pollen mortality. First, the Shahdara cytoplasm induces gametophytic cytoplasmic male sterility controlled by several nuclear loci. Second, several segregation distorters leading to allele-specific pollen abortion (pollen killers) operate in the hybrids. The complete sterility of the hybrid with the Shahdara cytoplasm results from the genetic linkage of the two causes of pollen mortality, i.e. CMS nuclear determinants and pollen killers. One pollen killer was localized in a 70 Kb interval which also contains restorer alleles for the CMS. This locus is complex and harbors many structural variations, particularly at PPR genes. Our results suggest that two types of genomic conflicts, CMS and segregation distorters, may coevolve in natural populations and contribute to reproductive isolation, and possibly to speciation.

Les stérilités mâles cytoplasmiques (SMC) résultent d'une incompatibilité nucléo-cytoplasmique. Le cytoplasme (presque toujours la mitochondrie) peut porter un gène de stérilité mâle, et le noyau peut restaurer la fertilité pollinique ou non. Les mécanismes physiologiques conduisant à la mort pollinique restent largement incompris. Plusieurs hypothèses ont été proposées, parmi lesquelles une déficience en ATP. Une SMC gamétophytique a été découverte chez A. thaliana. Une phase ouverte de lecture codant possiblement un peptide de 117 acides aminés, appelée orf117Sha, a été identifiée comme facteur de stérilité candidat.Au cours de ma thèse, j'ai cherché à valider le rôle de l'orf117Sha, et à comprendre comment une anomalie mitochondriale pouvait induire cette SMC. Aucune différence n'a pu être détectée au niveau de l'ARNm de l'orf117Sha entre les lignées stérile et restaurée, mais sa protéine semble accumulée uniquement dans la lignée stérile. La phénocopie par transgénèse de la SMC a suggéré un effet délétère de l'ORF117SHA dans les gamétophytes mâle et femelle.La description cytologique de la SMC montre une mort pollinique progressive à partir du stade binucléé. Auparavant, les mitochondries du pollen gonflent puis éclatent, et le développement s'arrête. L’utilisation de senseurs génétiquement encodés mesurant la concentration en ATP (ATeam) et l'état redox du glutathion (roGFP2-Grx1) a permis la mesure de ces facteurs en microscopie confocale, dans des tissus végétatifs et dans le pollen. La production d'ATP ne semble pas affectée dans la lignée stérile, contredisant l'hypothèse de l'ATP. Le glutathion mitochondrial est suroxydé dans la lignée stérile, à la fois dans les tissus végétatifs étudiés et le pollen, qui serait liée à la SMC car annulée par la restauration génétique de fertilité.Avec cette étude, j'apporte des arguments en faveur de l'orf117Sha dans l'induction de la SMC Sha, et je décris les évènements préalables à l'avortement du grain de pollen. Mes résultats permettent de mieux comprendre les évènements physiologiques conduisant à la mort du pollen. / This work aims at better understand the events leading to pollen abortion in a recently discovered gametophytic cytoplasmic male sterility (CMS) in Arabidopsis thaliana. Although CMS have been widely used in hybrid seed production in many crops, the physiological mechanisms leading to pollen death by the mitochondrial sterilizing genes in the permissive (maintainer) nuclear backgrounds are poorly understood. Association genetics previously identified orf117Sha as a candidate mitochondrial CMS-associated gene.In a first part, I analyzed the expression of the orf117Sha gene in sterile plants and in fertile plants carrying nuclear genes restoring male fertility. I observed unusual features of its mRNA, but detected no difference at this level between sterile and restored plants. Oppositely, the ORF117SHA protein seems to be accumulated specifically in the sterile line, supporting its role in CMS. A phenocopy attempt by transgenesis suggested a possible link between a female and male gametophytic lethality and the ORF117SHA, even though few individuals could be analyzed.In a second part, I observed pollen development in sterile plants and fertile controls using different cytological approaches. My results show a progressive pollen death starting from the binucleate stage in the sterile. Prior to abortion, pollen mitochondria swell before rupture, and the development stops. I used confocal microscopy combined with genetically encoded sensors to explore specific physiological features in pollen and vegetative tissues of sterile plants. With ATeam, which allows the assessment of ATP content in the cytosol, I could challenge the generally accepted hypothesis of an ATP deficiency leading to pollen abortion in CMS. Indeed, the ATP production does not seem to be affected in the sterile line. With a mitochondria-addressed roGFP2-Grx1, I was able to assess the redox state of the glutathione pool in vegetative tissues and in the male gametophyte. I observed an overoxydation of the glutathione pool in mitochondria of the sterile line, in vegetative tissue investigated and in the pollen grain. This overoxydation seems to be linked to the CMS as it is annihilated by the presence of restorer genes.My results pave the way for further exploration of the links between the sterility protein, mitochondrial morphology changes, mitochondrial overoxydation, and pollen development arrest and death in the A. thaliana CMS.

Chez les plantes à fleurs, la gynodioécie -- système dans lequel coexistent des individus femelles et des individus hermaphrodites -- est le système de reproduction le plus commun après l'hermaphrodisme. La question de l'évolution et surtout du maintien de la gynodioécie et du polymorphisme génétique sous-jacent a intrigué les chercheurs depuis le 19e siecle. Aujourd'hui, les grands principes de son évolution sont posés mais beaucoup de zones d'ombres persistent. Durant ma thèse, j'ai exploré trois aspects de la gynodioécie en utilisant une approche expérimentale chez l'espèce Silene nutans et une approche théorique. Je me suis en premier lieu intéressée au déterminisme génétique de la gynodioécie grâce à la réalisation de croisements contrôlés qui m'ont permis de montrer que le déterminisme génétique du sexe était cytonucléaire, c'est à dire contrôlé par plusieurs gènes de stérilité mâle cytoplasmique (CMS) et plusieurs restaurateurs nucléaires de fertilité. En parallèle, j'ai porté une attention particulière aux plantes gynomonoïques -- celles où coexistent sur le même pied des fleurs pistillés (femelles) et des fleurs parfaites (hermaphrodites) -- fréquentes chez Silene nutans comme chez d'autres espèces gynodioïques. J'ai montré que les caractéristiques reproductrices et florales de ce troisième phénotype sexuel étaient souvent intermédiaires entre celles des femelles et des hermaphrodites mais pouvaient dépendre de la proportion de fleurs pistillées sur la plante. Par ailleurs et contrairement à ce qui avait été suggéré, la plasticité du phénotype gynomonoïque s'est révélée être relativement réduite, suggérant un déterminisme génétique dont la caractérisation est encore en cours. La troisième partie de ma thèse a été motivée par les preuves récentes d'hétéroplasmie -- coexistence de différents génomes mitochondriaux au sein d'un individu -- et de la transmission occasionnelle du génome mitochondrial par le pollen chez Silene vulgaris. J'ai montré théoriquement que la présence d'un gène de stérilité mâle cytoplasmique favorisait l'évolution de la fuite paternelle de mitochondries. J'ai également vérifié expérimentalement l'hérédité mitochondriale chez Silene nutans par le génotypage des descendances de croisements contrôlés. / In flowering plants, gynodioecy -- a system in which females and hermaphrodites coexist within populations -- is the most common sexual system after hermaphroditism. The evolution and maintenance of gynodiocy and its underlying polymorphism have puzzled evolutionary biologists since the 19th century. The main principles of its evolution are well known but some points remain vague. During my PhD, I explored three aspects of gynodioecy using an experimental approach in the species Silene nutans and a theoretical approach. First, I studied the genetic determination of gynodioecy using controlled crosses that showed that the genetic determination of sex was cytonuclear, i.e. controlled by several cytoplasmic male sterility (CMS) genes and several nuclear restorers of fertility. Second, I focused on gynomonoecious plants -- those that carry both pistillate (female) flowers and perfect (hermaphrodite) flowers -- that are frequently found in Silene nutans as in other gynodioecious species. I showed that the floral and reproductive traits of this third sex phenotype were often intermediate between those of females and hermaphrodites but varied with varying proportions of pistillate flowers on the plant. Contrary to what was previously thought, the plasticity of the gynomoneocious phenotype was found to be limited, suggesting a genetic determination whose characterization is still in progress. The third part of my PhD was motivated by recent evidences of heteroplasmy -- the coexistence of different mitochondrial genomes within an individual -- and occasional transmission of the mitochondrial genome through pollen in Silene vulgaris. I showed theoretically that the occurrence of a cytoplasmic male sterility gene can favor the evolution of paternal leakage of mitochondria. I also investigated mitochondrial inheritance in Silene nutans by genotyping progenies from controlled crosses.

Chez les plantes à fleurs, la gynodioécie -- système dans lequel coexistent des individus femelles et des individus hermaphrodites -- est le système de reproduction le plus commun après l'hermaphrodisme. La question de l'évolution et surtout du maintien de la gynodioécie et du polymorphisme génétique sous-jacent a intrigué les chercheurs depuis le 19e siecle. Aujourd'hui, les grands principes de son évolution sont posés mais beaucoup de zones d'ombres persistent. Durant ma thèse, j'ai exploré trois aspects de la gynodioécie en utilisant une approche expérimentale chez l'espèce Silene nutans et une approche théorique. Je me suis en premier lieu intéressée au déterminisme génétique de la gynodioécie grâce à la réalisation de croisements contrôlés qui m'ont permis de montrer que le déterminisme génétique du sexe était cytonucléaire, c'est à dire contrôlé par plusieurs gènes de stérilité mâle cytoplasmique (CMS) et plusieurs restaurateurs nucléaires de fertilité. En parallèle, j'ai porté une attention particulière aux plantes gynomonoïques -- celles où coexistent sur le même pied des fleurs pistillés (femelles) et des fleurs parfaites (hermaphrodites) -- fréquentes chez Silene nutans comme chez d'autres espèces gynodioïques. J'ai montré que les caractéristiques reproductrices et florales de ce troisième phénotype sexuel étaient souvent intermédiaires entre celles des femelles et des hermaphrodites mais pouvaient dépendre de la proportion de fleurs pistillées sur la plante. Par ailleurs et contrairement à ce qui avait été suggéré, la plasticité du phénotype gynomonoïque s'est révélée être relativement réduite, suggérant un déterminisme génétique dont la caractérisation est encore en cours. La troisième partie de ma thèse a été motivée par les preuves récentes d'hétéroplasmie -- coexistence de différents génomes mitochondriaux au sein d'un individu -- et de la transmission occasionnelle du génome mitochondrial par le pollen chez Silene vulgaris. J'ai montré théoriquement que la présence d'un gène de stérilité mâle cytoplasmique favorisait l'évolution de la fuite paternelle de mitochondries. J'ai également vérifié expérimentalement l'hérédité mitochondriale chez Silene nutans par le génotypage des descendances de croisements contrôlés.