La spécialisation à différents environnements est un moteur de divergence entre populations et espèces. Les insectes phytophages sont des candidats pertinents pour l’étude de la spéciation par spécialisation écologique, de par leur relation intime à leur plante hôte et à l’occurrence régulière de changements d’hôtes au cours de leur évolution. Cette spéciation écologique nécessite trois composantes : une source de sélection divergente, un isolement reproducteur (pré-ou post-zygotique), et un mécanisme liant les gènes sous sélection et ceux responsable de l’isolement reproducteur. Dans ce cadre, nous avons étudié l’isolement reproducteur et la spécialisation chez deux modèles de lépidoptères polyphages, ravageurs des cultures : (1) la pyrale du maïs, Ostrinia nubilalis, et son espèce sœur, Ostrinia scapulalis, (2) la légionnaire d’automne, Spodoptera frugiperda, dont deux variants sont identifiables, le variant riz (sf-R) et le variant maïs (sf-M). Ces deux modèles montrent des patrons de diversification via la plante hôte : les deux espèces sœurs et les deux variants sont différenciés génétiquement et sont spécialisés sur différentes plantes hôtes (maïs pour O. nubilalis et sf-M ; armoise pour O. scapulalis ; riz pour sf-R). Nous avons étudié les patrons de spécialisation de ces modèles en effectuant des mesures de traits d’histoire de vie à deux moments clés de leur cycle de vie : (1) au stade larvaire, par des expériences de transplantation réciproque, (2) au stade adulte, par des expérience de choix d’oviposition. Ces mesures nous ont permis de mettre en évidence un patron de spécialisation pour les deux espèces de pyrale et pour le variant sf-M au stade adulte et/ou larvaire, alors que les résultats ne montre pas de spécialisation claire pour le variant sf-R de S. frugiperda, du moins sur les plantes testées. Nous avons également recherché des mécanismes de cette spécialisation par une analyse transcriptomique visant à identifier les gènes ou familles de gènes dont l’expression varie en fonction de la plante hôte chez nos deux modèles. Cette étude mécanistique a mis en lumière des fonctions de gènes impliquées dans la détoxification, la digestion et l’immunité qui peuvent expliquer les différences de traits d’histoire de vie que nous avons observés. Enfin, nous avons quantifié différentes barrières (pré- et post-zygotiques) pour estimer le degré de divergence et les facteurs impliqués dans l’isolement reproducteur des entités génétiques étudiées. Nous avons notamment trouvé pour les deux modèles des barrières post-zygotiques précoces avec un pourcentage d’éclosion plus faible dans les croisements interspécifiques. Dans le modèle Ostrinia, nous avons également mis en évidence la présence d’une barrière pré-zygotique en lien avec le bouquet phéromonal émis par les femelles. / Specialization in different environments is a driver of divergence between populations and species. Phytophagous insects are interesting candidates to study the speciation process via the ecological specialization, due to the intimate relationship between the insects and their host plant but also the regular occurrence of host changes they experienced during evolution. Ecological speciation requires three important components: a source of divergent selection, a form of reproductive isolation either pre- or post-zygotic, and a mechanism linking the genes under selection to those responsible of the reproductive isolation. In this context, we studied the reproductive isolation and specialization in two models polyphagous lepidopteran pests: (1) the European corn borer, Ostrinia nubilalis, and the closely related species Ostrinia scapulalis, (2) two host races of Spodoptera frugiperda (the fall armyworm), rice strain (sf-R) and corn strain (sf-M). Both models showed a patterns of diversification via the host plant: both species sisters and the two strains are genetically differentiated and are specialized on different host plants (maize for O. nubilalis and sf-M; mugwort for O. scapulalis; rice sf-R). We studied the patterns of specialization of these models by quantification of life history traits in two time points of their life-cycles: (1) in the larval instar, by reciprocal transplant experiments, (2) in the adult, by choice oviposition experiment. These measures highlighted a pattern of specialization at the adult and/or larval instar for both moth species and sf-M. However, the results showed no clear specialization for sf-R of S. frugiperda on the tested plants. We investigated the mechanisms of specialization by RNA-seq in order to identify the genes or the gene families for which variation of their expression depends on the host plant. This mechanistic study revealed genes involved in detoxification, digestion and immunity process that may explain the differences observed in life history traits. Finally, we quantified various barriers (pre- and post-zygotic) to estimate the divergence degree and the causes involved in reproductive isolation of genetic entities studied. In particular, for the two models, we found evidences of post-zygotic barriers with a lower percentage of hatching in the interspecific crosses. In Ostrinia model, we have also demonstrated the presence of pre-zygotic barrier depending of the pheromone blend emitted by the females.

Depuis leurs apparitions, les technologies de séquençage à haut débit (NGS) ont permis de révolutionner notre connaissance du transcriptome. Le RNA-Seq ou séquençage à haut-débit des transcrits, permet la numérisation rapide d’un transcriptome sous forme de millions de courtes séquences d’ADN. Contenue dans ces données brutes, l’information des transcrits peut être analysée quantitativement sous forme de profils d’expression. Les séquences obtenues contiennent également une multitude d’informations qualitatives comme les jonctions d’épissage, les variants génomiques ou post-transcriptionnels, ainsi que de nouvelles formes de transcriptions moins conventionnelles comme les ARN circulaires, les gènes de fusions ou les longs ARN non-codants.Peu à peu, le RNA-Seq s’impose comme une technologie de référence dans la recherche en biologie, et, demain dans la médecine génomique.Mes travaux de thèse proposent une vue transversale de la technologie RNA-Seq avec comme point de départ l’optimisation des méthodes d’analyses actuelles dans un contexte donné - via des procédures de benchmarking systématiques s’appuyant sur la simulations de données. Ces optimisations sont ensuite exploitées, dans le cadre d’applications sur la biologie des cancer (Leucémies et Hépatoblastome), afin d’identifier de nouveaux biomarqueurs, ainsi qu’une nouvelle stratification des patients dans le but de proposer des pistes thérapeutiques personnalisées. Enfin, mes derniers travaux portent sur la proposition de deux nouvelles méthodes d’analyse du RNA-Seq par décomposition en k-mers. La première, TranSiPedia, propose un nouveau paradigme, ayant pour objectif d'intégrer les données du transcriptome à très large échelle, via l'indexation systématique de données expérimentales. La seconde méthode, DE-kupl, propose une analyse différentielle - sans apriori - des données RNA-Seq pour l’identification de nouveaux biomarqueurs et la caractérisation de nouveaux mécanismes du transcriptome. / Since their introduction, next generation sequencing technologies (NGS) have shaped our vision of the transcriptome. RNA-seq, or high throughput transcript sequencing, enables the fast digitization of a transcriptome in the form of million of short DNA sequences. The information available in the raw data can be used in a quantitative way to extract expression profiles. The obtained sequences also provides a wide range of qualitative information such as splicing junction, genomic or post-transcriptional variants, as well as new forms of less conventional transcription such as circular RNA, fusion genes or long non coding RNA. Gradually, RNA-Seq is becoming a gold standard in molecular biology and tomorrow in genomic medicine.My thesis work proposes a global vision of the RNA-Seq technology, starting with the optimisation of current analysis methods to a particular context through systematic benchmarking procedures relying on the simulation on synthetic data. These optimizations are later used as a part of a work on the biology of cancer in order to identify new biomarkers in leukemia as well as a new stratification of hepatoblastoma patients to propose personalized treatments. Finally, my last work is focused on the proposal of two new analysis methods for RNA-Seq data, both based on the principle of k-mer decomposition. The first method, TranSiPedia, is a new paradigm to integrate transcriptome data at a very large scale through the systematic indexation of experimental data. The second method, DE-Kupl, is a new strategy to perform differential analysis, without a priori knowledge about the transcriptome. DE-kupl is designed to help the discovery of new biomarkers as well as the characterization of new mechanisms of the transcriptome.

Ce travail de thèse concerne l’étude de la variabilité inter-individuelle du transcriptome soumis à un stimulus. Cette variabilité n’est pas homogène au sein même du transcriptome et varie suite aux perturbations extérieures.Nous avons mis en place une stratégie d’analyse de la variabilité inter-individuelle sur la base des indices de diversité. Nous avons sélectionné trois jeux de données ayant des caractéristiques particulières (stimulus fort, faible, cinétique, données appariées, …). Ces indices nous permettent de mettre en évidence les différences entre les individus; certains ayant des transcriptomes plus divers que d’autre. Ces différences s’attenues après l’application d’un stimulus au système : La variabilité de la diversité diminue. Nous mesurons cette diminution à l’aide d’une mesure de la similarité. Les résultats indiquent un phénomène global. Nous avons par la suite analysé les données sous le regard d’un indice de spécialisation. Les différences entre groupes témoins et groupes sous l’action d’un stimulus indiquent que la spécialisation diminue de manière significative après l’action du stimulus.Les informations obtenues sont différentes de celles obtenues par les stratégies d’analyses statistiques classiques. Nos travaux montrent enfin que ces outils permettent d’établir de nouvelles hypothèses. Ces indices, utilisés pour la première fois pour ce type d’analyse, ouvrent ainsi la voie à un nouvel arsenal d’outils d’analyse pour la compréhension des modifications transcriptomiques globales mais aussi individuelles et s’inscrit donc parfaitement dans le mouvement de la médecine personnalisée. / This thesis concern the study of the interindividual variability of transcriptome after stimulation. This variability is not homogenous within the same transcriptome and varies with external stimulus.We designed an analysis strategy of the interindividual variability based on diversity indices. We selected three transcriptome datasets based on particular characteristics (strong stimulus, kinetic, paired data…). The indices highlight differences across the samples, some being more diverse than the others. The differences decrease after applying a stimulation to the samples. We measure this modification with a measure of similarity. The results depict a global effect of the stimulation.We analysed the data using specialisation measure. The samples’ specialisation significantly decrease after stimulation, meaning the interindividual variability decreases when the system is on the pressure of a stimulus.Noteworthy, these information are different from those obtained with classical analyses. Our work describe also that this strategy leads to new hyptotheses. These indices are used for these analyses for the first time and can be added to the statistical and mathematical tools already available for transcriptome analysis. They show their capability for highlighting global but also individual modifications and therefore fits perfectly into the field of personalized medicine.

Oenococcus oeni est l’agent principalement responsable de la fermentation malolactique durant la vinification. Son adaptation au milieu vin est une étape clé dans la réussite de la FML, et donc dans la qualité des vins finis. Cependant, au sein de l’espèce, il existe une variabilité phénotypique importante, et de nombreuses souches ne sont ainsi pas aptes à réaliser la FML. La sélection des meilleures souches œnologiques passe ainsi par l’analyse de la diversité d’O. oeni. Cette étude a été abordée dans cette thèse, selon trois grands axes de recherche. Premièrement, la diversité génétique a été étudiée par des approches MLST, REA-PFGE et présence de marqueurs, et a montré une structuration de l’espèce en deux groupes phylogénétiques et plusieurs sous-groupes, reliés à des souches d’origine géographique précise. Ensuite, l’étude de la diversité phénotypique a montré la grande variabilité d’adaptation au vin des souches étudiées et un meilleur comportement de celles du groupe phylogénétique A durant la vinification. Enfin, une étude transcriptomique a mis en lumière certains mécanismes moléculaires éventuellement impliqués dans la réponse au stress vin chez O. oeni. / Oenococcus oeni is the main agent responsible for the malolactic fermentation, during the wine making process. Its adaptation to wine environment is a key step for the success of the MLF, and then for wines quality. However, there is a high phenotypic variability among the species and several strains are unable to perform MLF. The selection of the best enological strains implies starting by analyzing the diversity of O. oeni. This study has been divided in three main themes of research. Firstly, the genetic diversity has been analyzed using several approaches, MLST, REA-PFGE and presence of genetic markers. That study proved the structuration of the species in two phylogenetic groups and several subgroups, related to geographical areas. Secondly, the study of the phenotypic diversity showed that all the studied strains present a high variability and the best behavior in wine making conditions is found in those from the phylogenetic group A. Finally, a transcriptional analysis has revealed some molecular mechanisms possibly implicated in stress response in O. oeni

Ralstonia solanacearum est une bactérie phytopathogène à la gamme d'hôte exceptionnellement large et à la répartition mondiale. Cet organisme présente une biologie à facettes multiples et s'est adapté à quasiment tous les types de sols, à la vie planctonique, et à de nombreux hôtes et plantes réservoirs. Cette capacité d'adaptation est attestée par une très forte hétérogénéité des souches qui unifient ce complexe d'espèces, aussi bien au plan de la diversité génétique, phénotypique, que de la gamme d'hôte. Des approches phylogénétiques ont montré une structuration de la population mondiale en quatre phylotypes qui correspondent globalement à l'origine géographique des souches. Les travaux de thèse portent sur des souches du phylotype II qui ont valeur de modèle expérimental car épidémiologiquement inféodées à un hôte particulier : souches Moko pathogènes du bananier, souches ‘Brown rot’ adaptées à la pomme de terre et souches émergentes NPB, un variant du pouvoir pathogène. La question de recherche centrale porte sur la compréhension des mécanismes d'adaptation à l'hôte. Pour cela, une dizaine de génomes ont été séquencés dans une perspective (i) de revisiter la taxonomie de ce complexe d'espèce, (ii) d'en faire une analyse génomique comparative et (iii) d'analyser les paysages transcriptomiques produits lors de l'infection (in planta). L'ensemble des ces approches complémentaires permettent ainsi d'intégrer la complexité génétique et phénotypique de l'organisme de manière plus systémique. / Ralstonia solanacearum is a plant pathogenic bacterium globally distributed with a particularly broad host range. This organism is biologically diverse and is adapted to all types of soil, to planktonic lifestyle and to many plant hosts and natural reservoirs. This bacterium is a species complex and its genetic, phenotypic and host range diversity is a direct consequence of adaptation mechanisms. Phylogenetic analyses have divided this species complex into four distinct phylotypes correlating mostly with strains’ geographical origin. This thesis focuses on using phylotype II strains as an experimental model due to their adaptation to specific hosts: Moko strains pathogenic to banana, ‘Brown rot’ strains adapted to potatoes and emergent pathological variant NPB strains. Our main research topic is the understanding of host adaptation processes. In order to tackle this problematic we sequenced about ten genomes as a starting point of (i) a taxonomic revision of the species complex (ii) a comparative genomic analysis and (iii) an in planta transcriptomic analysis. Together, these complementary approaches allow a more systemic view of this organism’s genetic and phenotypic complexity.

Le projet de thèse concerne l’étude des réseaux de régulation en lien avec l’homéostasie des ions métalliques chez la bactérie à Gram-positif Bacillus subtilis. Les ions métalliques tels que Fe(II), Mn(II) et Zn(II) sont essentiels dans un grand nombre de processus cellulaires entant que cofacteur d’enzymes ou en tant qu’élément structural dans les protéines. Cependant, à trop hautes concentrations, ils peuvent avoir des effets toxiques en endommageant la membrane cellulaire et l’ADN ainsi qu’en inactivant la fonction de certaines protéines. De plus, en condition aérobie, B. subtilis produit du peroxyde d’hydrogène H₂O₂ qui réagit avec les ions Fe(II) pour produire des radicaux libres hautement toxiques pour la cellule. La régulation de l’homéostasie des ions métalliques doit donc être parfaitement régulée et coordonnée avec les autres processus cellulaires. J’essaie de comprendre de façon globale, via des approches expérimentales à grande échelle, les interconnexions entre les régulateurs de l’homéostasie des ions métalliques et autres voies métabolique dans Bacillus subtilis. / The present doctoral thesis concerns the study of the regulatory network linked tometal ions homeostasis in the Gram+ Bacillus subtilis. Metal ions such as Fe(II), Mn(II) andZn(II) are essential for many metabolic processes, since they function as enzyme cofactors andstructural ligands of proteins. Changes in ions availability can alter activity of enzymes of thecarbon metabolism and lead to changes in gene expression. In addition, the modulation of metalion homeostasis is intimately linked with the oxidative stress response: during aerobic growth,hydrogen peroxide is generated and it rapidly reacts with ferrous iron to form ROS molecules.Hence, regulation of metal ions uptake/efflux has to be finely regulated and coordinated with othercellular processes. With the present project, I aim to understand at system’s level how Bacillussubtilis integrates the control of metal ions homeostasis with other metabolic processes.

L'implantation est une étape cruciale de la gestation et du développement post-natal chez les mammifères. L'implantation est définie comme l'établissement d'interactions cellulaires et permanentes entre un endomètre réceptif et un embryon compétent et synchronisé. L'endomètre est un capteur (sensor) biologique de qualité embryonnaire qui conduit la trajectoire de développement du conceptus jusqu'à terme. Les données préalables de notre équipe et d'autres ont suggéré que FOXL2 - un facteur de transcription clé pour l'établissement et le maintien de la fonction ovarienne – pourrait avoir des rôles biologiques majeurs dans le développement et les fonctions de l'endomètre chez les mammifères. L'objectif de mon travail était de comprendre dans quelle mesure FOXL2 contribue à la régulation de la fonction endométriale chez les bovins laitiers. Nous avons d'abord évalué les conséquences des variations du métabolisme maternel sur l'expression endométriale de FOXL2 et une sélection de gènes candidats. Notre étude a mis en évidence que, chez les femelles Holstein primipares taries immédiatement après le vêlage, l'expression de FOXL2 est augmentée alors que l'expression des enzymes antioxydantes est diminuée dans l'endomètre lors de l'implantation. Grâce à un modèle in vitro de cultures primaires de cellules endométriales bovines (fibroblastes et cellules épithéliales glandulaires) surexprimant transitoirement FOXL2, nous avons pu montrer que l'expression des gènes codant pour les enzymes antioxydantes n’est pas dépendante de FOXL2. Sur la base de notre modèle expérimental in vitro, les profils d'expression des gènes ont ensuite été déterminés à l'aide d'un oligoarray bovin non commercial. L’analyse des données a révélé une variation de l’identité des gènes cible de FOXL2 en fonction du type cellulaire considéré. Comme dans l'ovaire, FOXL2 régule des gènes liés à "la réponse immunitaire", "l’apoptose" et "la détermination du sexe". Nos résultats ont également mis en évidence la régulation par FOXL2 de fonctions spécifiques de l'endomètre, telles que «la réponse à l'interféron de type I» et «la modification de matrice extracellulaire». En somme, nos données mettent en lumière le rôle de FOXL2 dans la régulation de la physiologie endométriale bovine. Ses fonctions biologiques mériteraient d'être analysées et comparées chez d'autres espèces de mammifères. / Implantation is a critical milestone ensuring a successful pregnancy and normal post-natal development in mammals. Implantation is defined as the establishment of cellular and permanent interactions between a receptive endometrium and a competent and synchronised embryo. Endometrium has been proposed to be a biological sensor of embryo quality that drives the developmental trajectory of the conceptus until term. Previous data from our team and others have suggested major biological roles for FOXL2 – a key transcription factor for the establishment and maintenance of ovarian function- in the development and functions of the mammalian endometrium. The aim of my work was to provide new insights on the contribution of FOXL2 to the regulation of the endometrial function in dairy cattle. We first evaluated the consequences of variations in maternal metabolism on the endometrial expression of FOXL2 and a selection of candidate genes. Our data demonstrated that, in Holstein primiparous females dried immediately after parturition, FOXL2 expression was increased whereas antioxidant enzymes expression was decreased in the endometrium at implantation. Using an in vitro model of primary cultures of bovine endometrial cells (fibroblasts and glandular epithelial cells) transiently overexpressing FOXL2, expression of genes encoding antioxidant enzymes did not appear to be FOXL2 dependant. Based on our in vitro experimental model, gene expression profiles were then determined using a bovine custom oligoarray. Data analyses unveil differences in FOXL2-regulated genes according to endometrial cell origin. As in the ovary, FOXL2 regulated sets of genes related to "immune response", "apoptosis" and "sex determination". Our results also highlighted regulation of endometrium-specific genes by FOXL2 including “response to type I interferon” and “extracellular matrix modification”. Altogether our data support the involvement of FOXL2 in the regulation of bovine endometrial physiology that deserves to be analyzed in other mammalian species.

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