Titre de l'écran-titre (visionné le 29 juin 2023) / Les techniques d'édition du génome telles que CRISPR-Cas9, permettant l'introduction ciblée de modifications génétiques, offrent de nombreuses possibilités de développement d'outils de recherche ainsi que d'applications thérapeutiques. Dans le cadre de mes travaux effectués en co-direction à Héma-Québec, je me suis intéressée au potentiel de CRISPR-Cas9 en lien avec le système hématopoïétique et plus particulièrement en lien avec les globules rouges. Premièrement, j'ai exploré dans le chapitre 1 la modification spécifique de groupe sanguins qui est d'intérêt pour augmenter les possibilités transfusionnelles. Des globules rouges (GRs) de groupe sanguin rare Rhnull ont été créés en supprimant le gène RHAG des cellules souches hématopoïétiques (CSH) avec CRISPR-Cas9, suivi d'une différentiation érythrocytaire in vitro. Ce groupe sanguin pourrait théoriquement être utilisé pour transfuser des individus ayant n'importe quel variant Rh, en plus d'être utile en tant que réactif de sérologie. Le gène ABO a aussi été supprimé des CSH de groupe A, pour produire des GRs de groupe O. L'absence d'expression résiduelle des antigènes de type A obtenue à partir des CSH hétérozygotes A/O pourrait permettre de futures applications transfusionnelles comme des cas de donneur/receveur compatibles pour des phénotypes rares mais incompatibles pour le système ABO. Ensuite, un aspect prometteur du système CRISPR-Cas9 étant la correction thérapeutique de maladies génétiques, les greffes autologues de CSH génétiquement modifiées par cette technologie font l'objet de plus en plus d'études cliniques. Dans ce contexte, j'ai travaillé sur la modélisation in vitro de variants génétiques avec comme preuve de concept l'anémie falciforme puisque cela pourrait contribuer à l'étude des répercussions potentielles de l'édition du génome sur les CSH et les GRs, et complémenter les études cliniques. Une récapitulation complète de l'érythropoïèse in vitro jusqu'à la production de GRs matures a été considérée pertinente pour une caractérisation plus fidèle à la réalité de phénotypes érythrocytaires, pour étudier l'impact de divers variants sur les GRs, en plus d'être avantageuse dans l'optique de futures transfusions. La production de GRs in vitro est un objectif important en médecine transfusionnelle depuis plusieurs années et il est possible de reproduire l'érythropoïèse in vitro à partir de plusieurs sources cellulaires, dont les CSH. Cependant, les protocoles publiés à ce jour mettent peu l'accent sur l'étape de maturation finale des réticulocytes en GRs matures, analogues à ceux retrouvés en circulation, ou requièrent l'utilisation de cellules accessoires ou nourricières. Or, l'utilisation de cellules accessoires ou nourricières pourrait restreindre de potentielles applications pertinentes du modèle comme les transfusions et l'édition génétique ex vivo. Dans un premier temps, j'ai développé dans le chapitre 2 un protocole de culture cellulaire permettant une maturation accrue des réticulocytes en GRs in vitro ainsi qu'une maximisation de leur survie en culture durant cette étape, dans un milieu ne contenant aucun composé animal, cellules accessoires ou cellules nourricières. Les GRs obtenus ont un phénotype similaire à celui des GRs produits par le corps humain et ils peuvent être conservés en solution nutritive pendant 42 jours comme pour les GRs récoltés de dons de sang. Dans un second temps, j'ai optimisé dans le chapitre 3 un protocole d'édition avec CRISPR-Cas9 compatible avec la clinique, sans vecteur viral et sans sélection, dans le but d'être combiné à la production de GRs. L'introduction à une fréquence élevée de la mutation causant l'anémie falciforme, notamment de manière bi-allélique, dans des CSH suivie de la différenciation complète en GRs a permis de générer des GRs adoptant la forme caractéristique en faucille après exposition à des niveaux d'oxygène physiologiques, récapitulant ainsi l'anémie falciforme in vitro. De plus, un sous-produit d'édition produisant un variant de globine beta qui semble exprimé à des niveaux significatifs dans les GRs est présent à la suite du ciblage de la mutation dans le gène de la globine beta. La présence de ce variant mérite attention dans l'optique du développement thérapeutique pour l'anémie falciforme. En conclusion, les procédures optimisées de culture de GRs et de modifications génétiques avec CRISPR-Cas9 présentées dans cette thèse peuvent être combinées de différentes façons afin de fournir une plateforme d'étude de variants érythrocytaires in vitro, en plus de contribuer aux efforts vers la transfusion de GRs produits in vitro et d'accompagner les thérapies d'édition génétique arrivant en clinique. / Genome editing techniques, such as CRISPR-Cas9, allowing the introduction of targeted genetic modifications, offer numerous research tool possibilities and potential cellular therapies. As part of my work done in co-direction at Héma-Québec, I became interested in the potential of CRISPR-Cas9 in relation to the hematopoietic system and more particularly in relation to red blood cells. First, I explored in chapter 1 specific blood type modifications that are of interest in increasing transfusion opportunities. Rhnull cultured red blood cells (cRBCs) were produced by deleting RHAG gene in hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) with CRISPR-Cas9, followed by in vitro erythroid differentiation. These red blood cells (RBCs) could theoretically be used to transfuse all Rh types, in addition to their relevance as RBC reagents for serology laboratories. ABO gene was also deleted in type A HSPCs to produce type O RBCs. The absence of residual A antigen expression when starting with heterozygotes A/O donors could allow future transfusion applications like cases of individuals compatible for rare phenotypes but frustratingly not for ABO. Then, a promising aspect of the CRISPR-Cas9 system being the therapeutic correction of genetic diseases, autologous hematopoietic stem cell (HSC) transplants genetically modified by this technology are the subject of more and more clinical studies. In this context, I worked on the in vitro modeling of genetic variants with sickle cell anemia (SCA) as proof of concept since it could contribute to the efforts aiming at studying and understanding potential side effects of genome editing on HSCs and RBCs, and complement clinical studies. The complete recapitulation of erythropoiesis in vitro, including terminal RBC maturation, was considered essential for the faithful characterization of erythroid phenotypes, for studying the impact of genetic variants on RBCs, in addition to being beneficial for future transfusion purposes. Production of cRBCs has been a major objective in the field of transfusion medicine for several years and erythropoiesis can be reproduced in vitro starting with several cell sources, one of which being HSPCs. However, current protocols do not focus on the process of reticulocyte maturation into RBCs, analogous to those found in the circulation, or they require accessory or feeder cells. Of note, accessory or feeder cells could restrict potentially relevant applications of the model like transfusions or ex vivo genome editing. First, I developed in chapter 2 a cell culture protocol allowing an increased maturation of reticulocytes into RBCs in vitro as well as a maximization of their survival in culture, using an animal component-free, accessory-free, and feeder-free medium. The resulting cRBCs had a similar phenotype as native RBCs and they could be stored for 42 days like RBCs collected from blood donations. Second, I optimized a virus-free and selection-free CRISPR-Cas9 strategy compatible with the clinic to use it in combination with cRBCs production. High efficiency introduction of the SCA-causing mutation, notably bi-allelic introduction, followed by mature cRBCs production yielded cells acquiring the characteristic sickled shape after exposition to physiological oxygen levels, thereby recapitulating SCA in vitro. Furthermore, an editing by-product giving rise to a beta globin variant seemingly expressed at significant levels in RBCs was present following the targeting of the mutation in the beta globin gene. The presence of this beta globin variant thus deserves further attention in the context of therapeutic development for SCA. To conclude, optimized procedures of RBCs' culture and CRISPR-Cas9-mediated genome editing presented in this thesis can be combined in several ways to provide a platform for the study of erythroid variants in vitro, in addition to contributing to the efforts towards future cRBCs transfusion and accompanying the coming gene editing therapies.

Depuis ces vingt dernières années et la démocratisation des technologies de séquençage haut débit de l'ADN, l'accessibilité des données génomiques a permis le développement de nouveaux outils analytiques, notamment dans l'étude des maladies complexes. Au-delà de la simple perspective descriptive, il y a un intérêt croissant des chercheurs à étudier les phénomènes biologiques menant à l'émergence ou au développement de maladies chez l'humain. En effet, la vaste majorité des troubles complexes sont la résultante de la combinaison de variations rares et communes situées dans des régions non codantes du génome, rendant l'interprétation des mécanismes biologiques en jeu difficile. Ce dernier point a été l'occasion pour les chercheurs de caractériser, à travers de nouvelles technologies, certaines régions du génome selon leur profil épigénétique et d'intégrer cette information dans de nouveaux outils statistiques dans une optique de détection de variants impliqués dans les maladies. Premièrement, à l'heure actuelle les modèles existant pour caractériser les régions non codantes et les lier à leur(s) gènes cibles n'intègrent pas la notion de réseaux d'interaction. Ainsi il devient critique de proposer un modèle computationnel, valide biologiquement, capable de capturer les contacts entre gènes et éléments de régulation à travers des réseaux, afin de mettre en lumière les mécanismes biologiques impliqués dans les maladies complexes. D'un autre côté, bien que des modèles permettant de tenir compte de la rareté des variants et de leur implication fonctionnelle dans les maladies ont déjà été proposés, ces derniers ne se limitent qu'aux devis cas-témoins d'individus non apparentés, pouvant nécessiter des tailles d'échantillon souvent élevées pour détecter des associations. Il y a alors un réel besoin méthodologique d'étendre ces approches aux études familiales, lorsque ces dernières sont plus performantes pour identifier des variants rares impliqués dans les maladies. Ainsi, dans cette perspective, nous proposons un nouveau modèle de réseaux intégrant l'information épigénétique au travers des contacts physiques entre gènes et enhancers, appelé pôles de régulation cis. Aussi, parce que cette information peut être exploiter afin de mettre en lumière de nouvelles régions associées avec des maladies, nous proposons un nouveau test d'association de variants rares, appelé RetroFun-RVS, exploitant la structure familiale et permettant l'intégration des annotations fonctionnelles sous forme de réseaux. Enfin, nous avons démontré que notre modèle de pôles de régulation cis en plus d'être biologiquement valide est capable de mieux cerner les mécanismes épigénétiques impliqués dans l'étiologie de maladies complexes. Par ailleurs, RetroFun-RVS en incorporant les pôles de régulation cis, en tant qu'annotations fonctionnelles et l'information familiale, a été démontré une approche puissante pour détecter de nouveaux variants causaux. Dans une perspective mécanistique, proposer des modèles unifiant approches familiales et information fonctionnelle ouvre alors de nouvelles voies dans l'étude des maladies complexes, notamment en permettant de cibler plus précisément les phénomènes de régulation impliqués. / Over the past few years, with the development of whole-genome sequencing technologies, improvements have been made in the understanding of complex diseases. Indeed, most phenotypes are characterized by a combination of common and rare variants, mainly located within noncoding regions, making the underlying biological mechanisms difficult to interpret. The increased availability of genomics data has provided opportunities for researchers to characterize noncoding regions and assess their roles in diseases, by incorporating this information in analytical tools to detect new causal variants involved in diseases. On the one side, to date, methods to detect enhancers and link to their target genes do not integrate complex networks of interactions. Indeed, no network-based model integrating physical contacts between genes and enhancers has been proposed. Thus, it remains crucial to provide a computational model which is biologically relevant and able to capture complex regulatory interactions, in order to gain insights in epigenetics mechanisms involved in the etiology of complex diseases. On the other side, although rare-variant association tests integrating functional information have already been proposed, models currently available suffer from two major limitations. Firstly, they are restricted to case-control designs of unrelated people, where tens or hundreds thousand of individuals are often required to reach sufficient power, limiting their applicability in practice. Secondly, these approaches have been mainly evaluated using continuous scores. Indeed, no functional annotations corresponding to regions with regulatory impacts have been assessed. To overcome these limitations, there is an important need to provide family-based rare-variant association tests, incorporating functional annotations through active noncoding regions. Hence, in this thesis, we are firstly proposing Cis-Regulatory Hubs (CRHs), a new 3D-based model integrating contacts between genes and enhancers within networks of complex interactions. Also, we argue that this information can be used to highlight new risk variants involved in complex diseases. Thus, we have developed a new family-based rare variant association test, called RetroFun-RVS, integrating 3D-based functional annotations, such as CRHs. We have demonstrated that CRHs represent biological relevant structures to gain insights into complex disease etiology, such as schizophrenia. Moreover, RetroFun-RVS incorporating CRHs as functional annotations has been shown to be powerful in detecting new risk variants. We argue that these aspects are crucial to highlighting epigenetics mechanisms involved in complex traits. Finally, by proposing an unified framework combining both family-based studies and functional annotations, progress is made in the understanding of the etiology of complex diseases.

Dans le génome humain, les variations génétiques se présentent, entre autres, sous forme de polymorphismes ponctuels (SNP), de microsatellites ou de moyennes ou grandes délétions et/ou duplications, appelées CNV pour copy-number variant. L’ensemble de ces variations contribue en partie aux différences phénotypiques normales de la population en général. Mais aussi elles peuvent être à l’origine de pathologies héréditaires ou à composante génétique. OBJECTIF : L’objectif de mes travaux était de mettre au point une méthodologie simple et efficace pour déterminer le nombre de copies de régions chromosomiques, connues pour être variables, dans un grand échantillon d’individus. MÉTHODE : La recherche des régions cibles dans la base de données des variations génomiques (http://projects.tcga.ca/variation/) a permis d’identifier les coordonnées chromosomiques des sites variables d’intérêt. Parmi soixante gènes ou régions sélectionnés, nous avons identifié vingt CNVs à étudier. Le Multiplex Ligation-dependent Probe Amplification (MLPA) (une méthode de quantification du nombre de copies pour les régions chromosomiques ciblées) a été développé pour chacun des marqueurs CNVs et un échantillon de 30 individus canadiens français a été testé pour vérifier si une fréquence d’au moins 5% était observée dans cette population. CONCLUSION : Le MLPA s’est avéré très sensible, ayant une bonne reproductibilité et facile à utiliser pour tester plusieurs séquences en multiplex. Les résultats obtenus ont été validés avec succès par PCR quantitative (TaqManʼ). Nous avons donc adapté, optimisé et standardisé cette méthode pour l’étude des CNVs dans un grand échantillon d’individus. Pour faciliter l’analyse des résultats générés, un outil Excelʼ a été développé pour automatiser les calculs nécessaires à l’obtention d’un ratio du nombre de copies pour un locus donné. Finalement, six CNVs présentant une fréquence supérieure à 5% ont été analysés dans un échantillon de 715 femmes canadiennes françaises dans le cadre d’un projet sur les marqueurs génétiques de l’ostéoporose.

Titre de l'écran-titre (visionné le 23 octobre 2023) / Les études d'association pangénomique (genome-wide association studies (GWAS)) ont permis de trouver des associations entre des variants et des maladies. Certains sites de variants ont été observés comme associés avec plusieurs maladies simultanément. Ce phénomène se nomme la pléiotropie. Ce phénomène est d'importance pour les problèmes psychiatriques (P. H. Lee et al., 2020). Également, les associations spécifiques à un sexe entre une maladie et un variant sont un sujet d'importance dans les études récentes. Plusieurs méthodes ont été proposées pour identifier les effets pléiotropiques de sites de variants communs. Pour les sites de variants rares, la méthode MTAR de Luo et al. (2020) s'est montré plus efficace que les méthodes existantes. MTAR teste l'effet pléiotropique de gènes sur un ensemble de traits. Cette méthode permet de savoir si un site de variants rares, tel qu'un gène, est associé à plusieurs traits simultanément. Toutefois, MTAR ne permet pas de déterminer quel sous-ensemble de traits est associé avec ce variant. MTAR ne permet également pas de découvrir des effets spécifiques à un sexe. Nous proposons donc une nouvelle méthode statistique permettant de répondre à ces deux failles, soit 1) déterminer le sous-ensemble de traits ou maladies associées à un site de variants rares et 2) déterminer les effets spécifiques à un sexe pour un site de variants rares. Une analyse de simulation a été réalisée pour évaluer la sensibilité et la spécificité. Les résultats sont acceptables. Une étude avec des données réelles a été réalisée. Il s'agit de données cas-témoins génétiques avec des personnes atteintes de la schizophrénie, des personnes atteintes de la bipolarité et des personnes n'étant pas atteinte de l'une ou l'autre de ces maladies. Pour chacune des deux maladies, nous étudions les effets spécifiques selon le sexe des gènes composés de variants rares sur la probabilité d'avoir la maladie. Pour la schizophrénie, 113 gènes composés de SNPs rares sont significativement associés à cette maladie. Aucune association spécifique au sexe n'a été détecté. Pour la bipolarité, 171 gènes composés de SNPs rares sont associés significativement à cette maladie. Des associations spécifiques selon le sexe ont été détectées. 21 gènes sont associés à la bipolarité spécifiquement chez les individus de sexe féminin et 24 gènes, spécifiquement chez ceux de sexe masculin. / Genome-wide association studies (GWAS) have discovered associations between variants and diseases. Some variant sites have been observed to be associated with multiple diseases. This phenomenon is called pleiotropy. This phenomenon is of importance for psychiatric problems (P. H. Lee et al., 2020). Also, associations between a disease and a variant for a particular sex are a subject of importance in recent studies. Several statistical methods have been proposed to identify pleiotropic effects of common sites. For rare variant sites, the MTAR method of Luo et al. (2020) has been shown to be more efficient than existing methods. MTAR tests the pleiotropic effect of genes on multiple traits. MTAR allows us to know if a rare variant site, such as a gene, is associated with multiple trait simultaneously. However, MTAR does not allow us to determine which subset of traits is associated with this variant. MTAR also does not reveal gender specific effects. We therefore propose a new statistical method making it possible to respond to these two flaws, either 1) determining the subset of traits or diseases associated with a rare variant sites and 2) determining the sex-specific effect for rare variant sites on a disease or a trait. A simulation analysis was performed to assess sensitivity and specificity. The results are reasonable. A study with real data have been realised. These are case-control data with people with schizophrenia, people with bipolar disorder, and people without either of these conditions. For each of the two diseases, we studied the specific effects by sex of genes with rare SNPs on the probability to have the disease. For schizophrenia, 113 genes with rare SNPs are significantly associated with this disease. No gender specific association was detected. For bipolarity, 171 genes with rare SNPs are significantly associated with this disease. Specific associations by sex have been detected. 21 genes are associated with bipolarity specifically for female genders and 24 genes specifically for male genders.

Le présent projet vise à construire un modèle prédictif des troubles psychiatriques en combinant des variables génétiques, les scores de risque polygéniques (PRS), et des variables socio-économiques. Les PRS seront construits grâce à une méthode que nous avons développée et que nous avons nommée Multivariate lassosum. L'issue d'intérêt à prédire sera l'apparition d'un trouble mental chez l'individu. Le modèle considéré sera le modèle de régression de Cox. Le pouvoir prédictif du modèle construit sera évalué en calculant l'aire sous la courbe ROC, en utilisant la méthode validation croisée. / The present project aims to build a predictive model of psychiatric disorders by combining genetic variables, polygenic risk scores (PRS), and socioeconomic variables. The PRS will be constructed using a method we have developed called Multivariate lassosum. The outcome of interest to be predicted will be the onset of a mental disorder in the individual. The model considered will be the Cox regression model. The predictive power of the model constructed will be evaluated by calculating the area under the ROC curve, using the cross-validation method.

Les levures du genre Brettanomyces sont considérées depuis longtemps comme des contaminants par les industries vinicoles et brassicoles dû aux composés phénoliques indésirables qu’elles produisent. Cependant, l’utilisation des espèces B. bruxellensis et B. anomalus en brasserie est maintenant plus répandue grâce à leur capacité à diversifier les composés aromatiques produits par la traditionnelle levure Saccharomyces cerevisiae. Malgré cette émergence dans le domaine brassicole, peu d’informations sont disponibles en ce qui concerne la diversité génétique des souches et leur potentiel en fermentation. À notre connaissance, aucune méthode permettant de caractériser, d’identifier rapidement les souches de Brettanomyces spp. et pouvant facilement être mise en place dans un contexte industriel est présentement disponible. L’objectif de l’étude était donc de développer une nouvelle méthode rapide et fiable pour le typage moléculaire des levures Brettanomyces spp. dans l’optique de différencier les espèces et les souches, ainsi que de prédire leur potentiel brassicole. À cet effet, la méthode de typage génétique Random Amplification of Microsatellites (RAM)-PCR utilisant l’amorce (CGA)₅ a été développée et validée avec la méthode Restriction Endonuclease Analysis-Pulsed-Field Gel Electrophoresis (REA-PFGE) sur vingt-deux (22) souches de Brettanomyces spp., une (1) souche de Pichia kluyveri, une (1) souche de Candida parapsilosis, une (1) souche de Schizosaccharomyces pombe et une (1) souche de Saccharomyces cerevisiae, toutes isolées de bières, ferments commerciaux, vin rouge, levain et kombucha. Des essais de fermentation primaire ont révélé que les souches ayant un bon potentiel brassicole se trouvent dans les mêmes groupes phylogénétiques générés avec la méthode RAM-PCR et l’amorce (CGA)₅. Le projet a donc permis de fournir un outil efficace pour les brasseurs et les fournisseurs de levures pour l’identification rapide des espèces, des souches et du potentiel brassicole de levures Brettanomyces spp. provenant de différents substrats, sans avoir à faire appel aux techniques de séquençage et d’essais de fermentation qui sont plus coûteux ou qui demandent plus de temps à réaliser. / The yeasts of the genus Brettanomyces are often considered as a major contaminant in the wine and beer industries because of their production of phenolic off-flavors. Recently, few species of this genus, especially B. bruxellensis and B. anomalus, have been used in beers to enlarge the pool of aromatic compounds produced by the traditional Saccharomyces cerevisiae starter used for decades in breweries. The characterization of Brettanomyces species is therefore crucial to identify the strains showing interesting technological traits. However, to our knowledge, no fast method is currently available to evaluate the genetic diversity of the genus Brettanomyces which can be easily adapted in an industrial context. The aim of this study was to develop and optimize a new, fast and reliable typing method used for the species and strains differentiation of Brettanomyces spp. isolates and for the prediction of their brewing potential. Twenty-two (22) strains of Brettanomyces, one (1) Pichia kluyveri, one (1) Candida parapsilosis, one (1) Schizosaccharomyces pombe and one (1) Saccharomyces cerevisiae were isolated from beer, red wine, kombucha, sourdough, chicha and commercial starters and used for the development of a method based on the Random Amplification of Microsatellites (RAM)-PCR technique with (CGA)₅. This method was validated with the already existent and reliable Restriction Endonuclease Analysis coupled with Pulsed-Field Gel Electrophoresis (REA-PFGE) method. Further fermentation assays revealed that potential brewing isolates were clustered in the same phylogenetic group generated with RAM-PCR electrophoretic profiles. The study allowed the development of a useful tool for brewers and yeast suppliers for the identification at the species and strains levels and the brewing potential of various Brettanomyces spp. isolates, without the need for sequencing and laborious fermentation assays.

Décrire les bases génétiques de la variation phénotypique est un but important en biologie; c’est aussi nécessaire pour comprendre l’évolution et développer des outils utilisables en amélioration et conservation. L’expression des gènes, mesurée par le niveau de transcrits produits, reflète l’activité des gènes et la variation de cette expression influence les phénotypes moléculaire et physiologiques en aval. Cette thèse présente deux expériences visant à développer une approche complémentaire aux méthodes traditionnelles souvent inapplicables chez les conifères afin d'étudier les bases génétiques de la variation d’expression génique chez l’épinette blanche (Picea glauca, Moench. Voss). Analyses des tissus haploïde et diploïde de semences à l’aide de biopuces d'expression et de RNA-seq ont permis de décrire la variation d’expression selon la complexité des bases génétiques, la fonction biologique des gènes impliqués, la liaison génétique entre les effets et les gènes influencés, la spécificité des effets génétiques aux allèles, et l’additivité des effets génétiques chez des individus hétérozygotes. Les effets ayant des bases génétiques relativement simples étaient majoritairement uniques à chaque individu et surreprésentés au sein des gènes impliqués dans la réponse au stress et les gènes dupliqués, suggérant un rôle adaptif. Les effets liés aux variations génétiques situées au sein du gène peuvent être particulièrement importants pour l’adaptation en raison de leur plus grande additivité et spécificité allélique. Une minorité des effets locaux étaient non-spécifiques aux allèles, en accord avec une action de facteurs de régulations indépendants mais étroitement liés au gène ou une auto-régulation de la transcription par le gène lui-même. Une grande partie de la variation d'expression locale montrait des signes de compensation entre des effets spécifiques et non-spécifiques aux allèles, possiblement en raison d'une sélection qui favoriserait un lien étroit entre les effets agissant sur le même gène. Les effets non-liés, non-spécifiques aux allèles, étaient transmis de façon cohérente avec la théorie physiologique de Wright sur la dominance, suggérant qu'ils modulent l'expression en interaction avec d'autres facteurs. L’approche développée dans cette thèse peut potentiellement être appliquée à la large gamme des conifères, avec le possibilité d’étudier le rôle de l'expression dans la divergence entre les populations et les espèces. / Dissecting the genetic bases of phenotypic variation is a major goal in biology and underlies basic understanding of evolution as well as development of practical applications in breeding and conservation. Gene expression (transcript accumulation) reflects gene activity and variation therein translates to variation in other molecular and physiological phenotypes. The goal of my thesis was to establish a novel system for the genetic dissection of expression variation in white spruce (Picea glauca, Moench. Voss) because conventional approaches are mostly unfeasible in conifers. The approach that was used in developing this system is based on analyzing gene expression in the haploid and diploid meiotic seed tissues. Expression analysis using both microarray and RNA-seq techniques revealed a complex and diverse genetic basis for expression variation, which was dissected according to the complexity of genetic bases, focal gene function, effect linkage, effect allele-specificity and additivity of expression variation in heterozygous individuals. Expression variation with simple genetic bases was largely unique to each of two studied individuals and was biased towards genes involved in stress-response and duplicated genes, indicating that it may have adaptive value. Genetic variation in linkage with the expressed gene may be particularly important in adaptive evolution because of their additive effects, associated with their allele-specificity. A minority of local effects was non-specific to alleles, consistent with the action of closely linked but independent regulatory factors or self-regulation of transcription. Much of local expression variation showed evidence of compensation by allele-specific and non-specific effects, suggesting that selection has favored close linkage between certain effets acting on the same gene. Unlinked effects, always non-specific to alleles, exhibited inheritance consistent with Wright’s physiological theory of dominance suggesting that they influence expression in interaction with other partners. Furthermore, widespread dominance/recessivity in expression variation may explain the observation of highly pleiotropic effects influencing key cellular processes and suggests that recessive expression variation may contribute to inbreeding depression. The approach developed in this thesis can potentially be applied to other conifers because of their shared reproductive biology, and can be used to address the role of expression variation in the divergence of populations and species.

Grâce aux développements techniques et technologiques des dernières décennies, le commerce international du coton passe graduellement d'un classement manuel et visuel à un classement à base de résultats de mesures instrumentales. Or adopter une technique requiert d'en étudier ses modalités et ses conditions d'utilisation. Aux USA, des études périodiques de variabilité permettent d'assortir ces résultats d'analyse de tolérances commerciales afin de limiter la fréquence des litiges. Adopter en Afrique les règles et les méthodes de mesure des USA exposerait à un risque de litige accru si les conditions de production déterminent un coton de qualité plus variable. Pour la première fois en Afrique, nous avons mené une étude de la variabilité des caractéristiques technologiques des fibres dans huit pays d'Afrique de l'Ouest et du Centre : Bénin, Burkina-Faso, Cameroun, Côte d'Ivoire, Mali, Sénégal, Tchad et Togo. Pendant deux saisons de production, nous avons réalisé une expérimentation à trois types de prélèvements de fibres : 1) huit échantillons par balle au sein de 215 balles produites dans 27 usines d'égrenage, 2) un échantillon par balle de 4286 balles constituées en séries de 200 balles consécutives en saison 1 et de 100 balles consécutives en saison 2 dans les mêmes usines, 3) deux échantillons par balle (un en haut et un en bas) sur 817 balles constituées en séries de vingt balles consécutives hebdomadairement dans cinq usines au cours de la saison 2. Ensuite, les échantillons des 5318 balles échantillonnées furent analysés sur une Chaîne de Mesures Instrumentales (CMI) dans un laboratoire respectant les recommandations internationales et les conditions d'ambiance contrôlées. L'analyse statistique des données recueillies a permis d'évaluer le niveau de variabilité de chacune des caractéristiques technologiques étudiées, au sein des balles et entre celles-ci. Une méthode d'échantillonnage et de réalisation des analyses sur CMI est proposée pour réaliser le classement des balles de coton d'Afrique de l'Ouest et du Centre à partir de résultats précis et répétables respectant les règles commerciales établies au niveau mondial.

L’objectif principal de ce travail fut d’analyser la variabilité spatiale de plusieurs composantes du bilan de C du sol en forêt tropicale humide. L’étude menée en Guyane française a été essentiellement réalisée dans la forêt naturelle du site-atelier Guyaflux et dans une plantation d’essences locales à proximité. Deux approches ont permis de répondre à cet objectif. La première visait à évaluer les effets des facteurs environnementaux (i.e. type de sol, humidité du sol ou structure forestière) sur la variabilité spatiale et interspécifique de plusieurs composantes. Parmi ces composantes les estimations de biomasse racinaire, production des racines fines (Ø < 2 mm) et respiration du sol (Rsol) ont mis en évidence une forte variabilité spatiale intra-parcelle. Au sein d’une même parcelle, une relation empirique significative a été observée entre les données de surface terrière du peuplement et les mesures de Rsol. Conjointement, une étude comparative de la phénologie de croissance et de la décomposition des racines fines a permis d’évaluer les variations entre cinq et huit espèces ligneuses, respectivement. La deuxième approche consistait à hiérarchiser les facteurs responsables de la variabilité spatiale de Rsol : une composante intégrative des processus impliqués dans le fonctionnement du sol. Rsol se décompose en une composante hétérotrophe (Rh) et autotrophe (Ra). Dans ce cadre deux modèles semi-mécanistes ont été paramétrés et testés grâce aux mesures de Rsol réalisées en continu sur le même site. Le modèle de bilan de C du sol CENTURY a simulé Rh, la respiration des micro-organismes décomposeurs de la matière organique. Le module McCree a simulé Ra, la respiration des racines vivantes et a été associé à CENTURY pour simuler Rsol totale. Une analyse de sensibilité réalisée sur ces prédictions de flux a montré que la qualité chimique (e.g. teneur en lignine) des litières ainsi que l’humidité du sol affectent la variabilité spatiale des flux de CO2 provenant du sol. L’utilisation de modèles mécanistes est ressortie très prometteuse dans ce travail de thèse, elle complète efficacement les analyses des expérimentations in situ en ajoutant une dimension particulière à chaque facteur d’influence des processus biologiques extrêmement complexes en forêt tropicale. / The aim of this study was to define the spatial variability of the C balance components of the soil in a tropical rain forest. This work was conducted in French Guiana in the Guyaflux experimental forest and in a close plantation of monospecific plots. Two approaches were used in this investigation. The first one aimed to analyze the effects of the environmental factors (i.e. soil texture, soil moisture or forest structure) on the spatial and interspecific variability in several components in situ. Among these components, the root biomass, the fine roots (Ø < 2 mm) production and the soil respiration (Rsol) measurements underlined a large spatial variability within plot. At this scale, there was a significant empirical relationship between the tree basal area and soil respiration. Interspecific variations in fine root elongation and decomposition rate have been jointly estimated for five and eight tropical tree species, respectively. The second approach classified the factors according to the magnitude of their effects on spatial variability of Rsol. Rsol is derived from both heterotrophic respiration by microorganisms (Rh) that decompose ground surface organic matter and autotrophic respiration by roots (Ra). Datasets from two years experiments of Rsol were used to evaluate the performance of semi-mechanistic model on the Guyaflux site. A soil organic matter model, CENTURY, simulating Rh component was coupled with the McCree model, which simulates the Ra of Rsol. The results of a parametric sensitivity analysis on the different predictions proved that the litter quality (e.g. lignin content) and the soil moisture were the two main factors responsible for the spatial variation of the CO2 flux on the soil. In this study, we showed that the use of simulation models linked to experimental field results is a promising approach to understand the impact of the biotic and abiotic factors on the processes deeply complex in tropical forest.

L'analyse architecturale et l'analyse statistique de la morphologie des pousses annuelles ont permis de caractériser les modes de croissance (préformation, néoformation et polycyclisme) et de ramification des Noyers au cours de leur développement. Les Noyers étudiés sont Juglans regia, Juglans nigra et de deux de leurs hybrides interspécifiques, Juglans major 209 x Juglans regia et Juglans nigra 23 x Juglans regia. Au cours du développement des Noyers, l'évolution des valeurs des paramètres de croissance et de ramification s'effectue de manière précise selon des gradients morphogénétiques connus. Les variations morphologiques interspécifiques reposent essentiellement sur la répartition des rameaux sur les pousses annuelles végétatives et sur la direction de croissance des branches sur le jeune arbre. Elles sont dues à la structure des modules et au moment d'expression de la réitération immédiate, processus déterminant l'édification de la cime, sur l'arbre adulte. Les facteurs du milieu modifient de manière quantitative les étapes de différenciation morphologiques spécifiques. La connaissance de critères morphologiques susceptibles d'être sous contrôle génétique est essentiel en amélioration et sélection des arbres. Les caractèristiques morphologiques des pousses annuelles évoluent de manière précise et ordonnée en fonction de la position architecturale et au cours de l'ontogènie des arbres. Ces résultats peuvent être la base d'une meilleur connaissance des bases physiologiques de l'architecture de l'arbre.