La diversité des organismes est essentielle pour leur capacité à évoluer et s'adapter aux variations environnementales. De ce fait, déterminer les facteurs responsables de l'origine de cette diversité ainsi que de la maintenance de la variabilité génétique observée reste un objectif fondamental en recherche. L'objectif de cette thèse était de comprendre les facteurs évolutifs maintenant le polymorphisme neutre. L'influence des processus évolutifs tels que la sélection naturelle et la dérive génétique étant complexes, nous avons combiné des approches complémentaires expérimentale et théorique. Le système expérimental utilisé, la bactérie Escherichia coli et l'amibe sociale Dictyostelium discoideum nous a permis d'étudier dans un premier temps la variabilité naturelle des interactions existant entre les deux espèces. Dans une seconde partie, nous avons étudié les traits bactériens impliqués dans cette variabilité. Nous avons montré que les bactéries portant des facteurs de virulence sont plus résistantes à la digestion des amibes, ce qui est en accord avec l'hypothèse de coïncidence évolutive des facteurs de virulence. Le deuxième volet de cette thèse concerne les aspects de génétique des populations de ce système. La troisième partie de notre expérimentation était de suivre les variations temporelles des fréquences alléliques de populations bactériennes comportant un marqueur neutre, durant 300 générations et sous quatre conditions environnementales : avec ou sans structuration spatiale et avec ou sans facteur biotique. Nous avons observé que les variations des fréquences alléliques observées étaient compatibles avec la dérive génétique. L'objectif du modèle théorique a été dans un premier temps d'étudier les effets de la stochasticité démographique sur les probabilités de fixation d'un nouvel allèle neutre arrivant dans une population résidente ainsi que sur le temps de fixation. La probabilité de fixation ainsi que le temps de fixation sont modifiés par les effets stochastiques lorsque l'on compare nos modèles à taille de population fluctuantes à un modèle à taille de population constante tel que le modèle de Moran.

Une plante peut être totalement protégée d'un agent pathogène grâce à un gène majeur de résistance, mais ce dernier peut être rapidement contourné suite à l'apparition et à la propagation de variants pathogènes adaptés. Cette thèse s'intéresse aux mécanismes évolutifs permettant le ralentissement de ce contournement chez les virus de plantes en agissant sur deux forces évolutives majeures, la dérive génétique et la sélection, depuis le niveau de l'hôte jusqu'à celui de la parcelle. D'abord, un modèle épidémiologique stochastique de type SI au niveau d'une parcelle agricole a montré que la dérive génétique pouvait être particulièrement bénéfique au rendement agricole lorsque l'adaptation du virus au gène majeur induit un coût de fitness intermédiaire dans les plantes sensibles. Ensuite, la conception et la validation d'un modèle basé sur des équations déterministes de Lotka-Volterra et des processus stochastiques Dirichlet-multinomiaux a permis de distinguer les effets de la dérive génétique et ceux de la sélection sur des données temporelles de compétition intra-plante entre variants viraux, et de mettre en évidence le contrôle génétique de ces effets par les plantes. Enfin, une analyse de la corrélation entre ces estimations des intensités de dérive génétique et de sélection et une estimation expérimentale de la durabilité d'un gène majeur a montré qu'une forte dérive génétique lors des stades précoces de l'infection augmentait la durabilité du gène majeur. Ces résultats ouvrent des perspectives pour une gestion plus durable de la résistance des plantes, par la sélection de variétés de plantes induisant une forte dérive génétique sur les populations d'agents pathogènes / Plants can be fully protected from their pathogens when they carry major resistance genes, but the efficiency of these genes is limited by the emergence and spread of adapted, resistance-breaking pathogen variants. This thesis studies how evolutionary forces imposed by the plants on pathogen populations may increase the durability of major resistance genes. Using plant viruses as a biological model, this thesis investigates the effect of genetic drift and selection, from the within-host to the host population level. Firstly, a stochastic epidemiological SI model at the field level showed that genetic drift could be particularly beneficial for crop yield when the fitness cost associated with virus adaptation to resistance was intermediate in susceptible plants. Then, the design and validation of a mechanistic-statistical model based on deterministic Lotka-Volterra equations and stochastic Dirichlet-multinomial processes allowed to disentangle the effects of genetic drift from those of selection on temporal data of within-host competition between virus variants. The intensities of genetic drift and selection acting on virus populations were shown to be controlled genetically by the hosts. Finally, a correlation analysis between these estimations of genetic drift and selection intensities and an experimental estimation of the durability of a major resistance gene showed that strong genetic drift during the early stages of plant infection led to an increase in resistance durability. These results open new perspectives for more durable management of plant resistance, by breeding plant varieties inducing strong genetic drift on pathogen populations

Genetic mapping contributes to the understanding of functional mechanisms that underlie the constitution of living organisms and their physiology. For example, genetic mapping can be used in conceiving new treatments of congenital or infectious diseases and in selecting plants and animals that have a higher and better production. The most common approaches of genetic mapping exploit the allelic segregation in a pedigree during only a few number of generations and, consequently, they do not have a sufficient resolution to allow an effective gene isolation and cloning. An alternative to these approaches is to study allelic associations along the history of a population. This requires accurate models of population demography, genetic inheritance and allelic associations. This thesis contributes to the modelling of allelic associations (linkage disequilibrium, LD) and to the assessment of the effects of selection and inbreeding. In a simulation framework, we fitted the multimarker-multiallelic LD with an exponential function characterised by two parameters: the distance (R) at which LD is independent of the genetic distance and the LD reached at this distance (residual LD, rs). As an application of this approach, the LD was estimated in five populations of pigs. We observed a long range LD (>10cM) that was explained by the random drift. Moreover, significantly increased LD was found in regions harbouring selected QTL (quantitative trait loci), suggesting an effect of selection. Fitting LD with the exponential model proposed in simulations indicated that mapping methods using LD (LDM) can achieve a resolution of ~3cM in the populations of pigs we have studied and can be powerful with a marker spacing of 5-10cM. As illustrated with these data from pigs, the model that we used to fit LD offers opportunities to characterise allelic association in populations, estimate the required marker density for genome-wide LD studies and determine the expected resolution of LDM. It is also shown that the proposed model can help overcoming the assumptions of asymptotic linkage equilibrium and independence between markers that are commonly made in LDM but are not always fulfilled.

Comprendre la sélection exercée par la plante hôte et ses conséquences sur la structure des populations pathogènes est essentiel pour gérer durablement les résistances des plantes aux maladies. Les objectifs de ce travail sont i) d'appréhender l'impact de la sélection imposée par des hôtes présentant différents niveaux de résistance, sur la structure phénotypique et génotypique d'une population locale de Phytophthora infestans, agent du mildiou de la pomme de terre ; ii) de déterminer si les pressions de sélection récurrentes exercées par les variétés dominant chaque bassin de production entraînent l'adaptation locale des populations de P. infestans et iii) de tester l'hypothèse d'un trade-off entre agressivité pendant la phase épidémique et capacité de survie hivernale dans des populations clonales de P. infestans. Nos résultats montrent que la sélection par l'hôte agit sur les composantes qualitative (virulence) et quantitative (agressivité) du pouvoir pathogène. La variation importante pour l'agressivité permet une adaptation des populations de P. infestans, pouvant aboutir à l'érosion de résistances partielles. Les populations françaises de P. infestans apparaissent adaptées à la variété dominante nationalement (Bintje), mais pas aux variétés localement dominantes. Le processus d'adaptation locale opère dans ce pathosystème, mais n'est détectable qu'à une échelle spatiale très vaste, pour des populations géographiquement déconnectées. Nos résultats montrent également que lors de la phase de survie hivernale, il n'y a pas de contre-sélection des souches les plus agressives par surmortalité des tubercules infectés. Ce travail souligne l'importance de considérer l'ensemble des forces évolutives pour décrire et comprendre la réponse adaptative des populations pathogènes. La modélisation des processus démogénétiques permettra de proposer et de valider des stratégies de gestion optimales des résistances variétales.

L’utilisation de variétés de plantes porteuses de gènes majeurs de résistance a longtemps été une solution privilégiée pour lutter contre les maladies des plantes. Cependant, la capacité des agents pathogènes à s’adapter à ces variétés après seulement quelques années de culture rend nécessaire la recherche de résistances à la fois efficaces et durables. Les objectifs de cette thèse étaient (i) d’identifier chez la plante des régions génomiques contraignant l’évolution des agents pathogènes en induisant des effets de dérive génétique et (ii) d’étudier l’impact des forces évolutives induites par la plante sur la capacité d’adaptation des pathogènes aux résistances variétales, l’ambition étant par la suite d’employer au mieux ces forces pour limiter l’évolution des pathogènes. Le pathosystème piment (Capsicum annuum) – PVY (Potato virus Y) a été principalement utilisé pour mener ces travaux de recherche. Afin de répondre au premier objectif, une cartographie de QTL (quantitative trait loci) sur une population biparentale de piment et une étude de génétique d’association sur une core-collection de piments ont été réalisées. Ces deux approches ont permis de mettre en évidence des régions génomiques sur les chromosomes 6, 7 et 12 impliquées dans le contrôle de la taille efficace des populations virales lors de l’étape d’inoculation du virus dans la plante. Certains de ces QTL ont montré une action vis-à-vis du PVY et du CMV (Cucumber mosaic virus) tandis que d’autres se sont révélés être spécifiques d’une seule espèce virale. Par ailleurs,le QTL détecté sur le chromosome 6 co-localise avec un QTL précédemment identifié comme contrôlant l’accumulation virale et interagissant avec un QTL affectant la fréquence de contournement d’un gène majeur de résistance. Pour répondre au second objectif, une analyse de la corrélation entre l’intensité des forces évolutives induites par la plante et une estimation expérimentale de la durabilité du gène majeur a été réalisée. De l’évolution expérimentale de populations de PVY sur des plantes induisant des effets de dérive génétique, de sélection et d’accumulation virale contrastés a également été effectuée. Ces deux études ont démontré qu’une plante induisant une forte dérive génétique associée à une réduction de l’accumulation virale permettait de contraindre l’évolution des populations virales, voire d’entraîner leur extinction. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour le déploiement de déterminants génétiques de la plante qui influenceraient directement le potentiel évolutif du pathogène et permettraient de préserver la durabilité des gènes majeurs de résistance. / Plants carrying major resistance genes have been widely used to fight against diseases. However, the pathogensability to overcome the resistance after a few years of usage requires the search for efficient and durable resistances.The objectives of this thesis were (i) to identify plant genomic regions limiting pathogen evolution by inducinggenetic drift effects and (ii) to study the impact of the evolutionary forces imposed by the plant on the pathogenability to adapt to resistance, the goal being to further use these forces to limit pathogen evolution. The pepper(Capsicum annuum) – PVY (Potato virus Y) pathosystem has been mainly used to conduct these researches.Regarding the first objective, quantitative trait loci (QTL) were mapped on a biparental pepper population andthrough genome-wide association on a pepper core-collection. These approaches have allowed the detection ofgenomic regions on chromosomes 6, 7 and 12 controlling viral effective population size during the inoculationstep. Some of these QTLs were common to PVY and CMV (Cucumber mosaic virus) while other were virusspecific.Moreover, the QTL detected on chromosome 6 colocalizes with a previously identified QTL controllingPVY accumulation and interacting with a QTL affecting the breakdown frequency of a major resistance gene.Regarding the second objective, a correlation analysis between the evolutionary forces imposed by the plant andan experimental estimation of the durability of a major resistance gene has been done. Experimental evolution ofPVY populations on plants contrasted for the levels of genetic drift, selection and virus accumulation they imposedhas also been performed. Both studies demonstrated that a plant inducing a strong genetic drift combined to areduction in virus accumulation limits virus evolution and could even lead to the extinction of the virus population.These results open new perspectives to deploy plant genetic factors directly controlling pathogen evolutionarypotential and could help to preserve the durability of major resistance genes.

Les systèmes reproducteurs déterminent comment le matériel génétique est transmis d’une génération à la suivante […]. Les espèces qui combinent de la reproduction sexuée et asexuée/clonale sont très répandues [… mais] l’effet de leur système reproducteur sur leur évolution reste énigmatique et discuté.L’objectif de cette thèse est de modéliser la dynamique des fréquences génotypiques d’une population avec une combinaison de reproduction sexuée et/ou clonale dans des cycles de vie principalement diploïdes [. … Un] modèle du type chaine de Markov avec temps et états discrets sert de base mathématique pour décrire [leurs] changements […] au cours du temps.Les résultats montrent que la reproduction partiellement asexuée peut en effet modifier la dynamique de la diversité génomique par rapport à une reproduction strictement sexuée ou strictement asexuée. […] L’histoire démographique a un rôle important pour les organismes partiellement clonaux et doit être prise en compte dans toute analyse […].Cette thèse fait des recommandations pour la collecte des données et une hypothèse de base pour l’interprétation des données de génétique/génomique […]. Ces résultats ont des retombées dans plusieurs domaines, allant de la recherche fondamentale […] à des applications en agriculture […], pêche […] et protection de la nature […]. / Reproductive systems determine how genetic material is passed from one generation to the next, making them an important factor for evolution. Organisms that combine sexual and asexual/clonal reproduction are very widespread [… yet] the effects of their reproductive system on their evolution are still controversial and poorly understood.The aim of this thesis was to model the dynamics of genotype frequencies under combined sexual/clonal reproduction in dominantly diploid life cycles [. … A] state and time discrete Markov chain model served as the mathematical basis to describe [their] changes […] through time.The results demonstrate that partial clonality may indeed change the dynamics of genomic diversity compared to either exclusively sexual or exclusively clonal populations. […] Time has a crucial role in partially clonal populations and needs to be taken into account in any analysis of their genomic diversity.This thesis provides recommendations for data collection and a null hypothesis for the interpretation of population genetic/genomic data […]. Moreover, it includes new methods for the analysis of genotype-based population genetic Markov chain models. These results have a high potential relevance in several areas, ranging from basic research […] to applications in agriculture […], fisheries […] and nature conservation […].

La gestion durable des variétés génétiquement résistantes aux pathogènes des cultures nécessite de tenir compte de leurs capacités évolutives. Celles-ci découlent de leur histoire évolutive et de la dynamique actuelle de leurs populations qui peut être modifiée par les activités humaines inhérentes au milieu agricole. La description et l’évaluation des capacités évolutives d’un pathogène ne sont donc possibles que sur des populations issues d’environnements non soumis à des perturbations d’origine anthropique. Les objectifs de ce travail sont donc (1) de reconstruire les histoires évolutives de deux nématodes à kystes, Heterodera schachtii et Heterodera betae et de leur hôte sauvage commun, Beta vulgaris ssp. maritima, à partir de populations sauvages distribuées sur le littoral du sud de l’Espagne à la Suède ; (2) de décrire, à une échelle plus fine, le fonctionnement et la structure génétique de populations sauvages d’H. schachtii.Nos résultats montrent que la colonisation de la côte Atlantique par les deux nématodes a probablement été influencée par les fluctuations climatiques survenues depuis le dernier Maximum Glaciaire et les courants marins. Les patrons phylogéographiques observés entre H. schachtii et la plante suggèrent des histoires évolutives disjointes contrairement à ceux observés chez H. betae. A fine échelle spatiale, les populations d’H. schachtii sont isolées entre elles, structurées à l’échelle de la plante hôte et présentent de petites tailles efficaces. Ces résultats sont discutés dans le contexte général de la protection des cultures. / The sustainable management of genetic resistances to crop pathogens needs to consider their evolutionary potential. The evolutionary potential results both from the evolutionary history and the current population dynamics of pathogens, which can be affected by human activities occurring in agro-ecosystems. Therefore, they should be described and evaluated on wild pathogen populations free of human-mediated disturbances. The aim of this work is twofold (1) assessing the evolutionary history of two cysts nematodes, Heterodera schachtii and Heterodera betae, and their common wild host, Beta vulgaris ssp. maritima, in wild populations sampled on the coast from the South of Spain to Sweden; (2) investigating at a fine spatial scale the population genetic structure of H. schachtii .Results show that the colonization of the Atlantic coastline by the two nematodes was probably influenced by climatic fluctuations occurring since the Last Glacial Maximum, along with marine currents. Phylogeographical patterns of H. schachtii and the host-plant suggest a non-shared evolutionary history, which contrasts with the coastal recolonization of Europe observed in H. betae. The fine-scale study evidenced that wild populations of H. schachtii are genetically sub-structured at the level of the host plant, strongly isolated and characterized by small effective population sizes. All these results are discussed in the framework of the sustainable management of nematodes populations in cultivated fields.