Un grand nombre d’espèces ont déjà subi des changements phénologiques ou des déplacements de leurs distributions en réponse aux changements anthropogéniques du climat. Comprendre comment les espèces vont réagir aux changements climatiques représente toutefois une tâche complexe puisqu’il existe une grande variabilité dans ces réponses. Cette variabilité peut être attribuée au fait que plusieurs facteurs influencent les réponses des espèces aux changements climatiques et que ces facteurs varient eux-mêmes spatialement. Dans ce mémoire, l’intensité d’interactions biotiques, soit la pollinisation et l’herbivorie, ainsi que la phénologie de la floraison sont comparées le long d’un gradient altitudinal menant à la limite de distribution altitudinale pour deux plantes de sous-étage, Erythronium americanum et Trillium erectum. Je teste en premier lieu si l’intensité de l’herbivorie et de la limitation pollinique augmentent à la limite de distribution altitudinale des espèces. Si cela est le cas, ces interactions peuvent limiter ces distributions et ainsi, le potentiel des espèces à déplacer leurs distributions face aux changements climatiques. Les résultats démontrent une augmentation de l’herbivorie et de la limitation pollinique à la limite de distribution altitudinale de T. erectum. Toutefois, la limitation pollinique devrait avoir un effet minime sur la limite de distribution altitudinale de cette espèce puisque le succès reproducteur des plantes est très peu diminué à cette limite. En se basant sur des études antérieures, la proportion d’herbivorie subie à proximité de la limite de distribution altitudinale devrait avoir des effets démographiques considérables et devrait ainsi affecter cette limite. Concernant E. americanum, l’herbivorie et la limitation pollinique sont restés constants et de faible intensité le long du gradient altitudinal. Ensuite, en disposant de quatre années de données de la phénologie de la floraison le long du gradient altitudinal étudié, je vérifie de façon préliminaire si le potentiel de flux génique est affecté par la date d’initiation du printemps, ce dernier se produisant plus hâtivement en réponse aux changements climatiques. Les résultats démontrent une diminution de l’écart temporel entre les pics de floraison des populations d’altitudes différentes lors d’années aux printemps plus hâtifs, ce qui indique une différence interpopulationnelle dans la réactivité phénologique. Toutefois, cette différence temporelle n’a pas entraîné une diminution du potentiel de flux génique. Je présente également une nouvelle méthode de mesure du potentiel de flux génique qui permet d’estimer plus efficacement ce dernier à partir de la phénologie comparativement aux méthodes actuellement utilisées.

Les réseaux hydrographiques sont caractérisés par leur structure hiérarchique de type dendritique (ramifié) et l'hétérogénéité spatio-temporelle du milieu. En effet, l'hétérogénéité de l'habitat sur les cours d'eau varie selon le temps (variations saisonnières), la dimension longitudinale (caractéristiques physico-chimiques et courant) et la dimension latérale (connectivité entre le cours principal et les annexes hydrauliques). Ces variations des paramètres environnementaux sont soit graduelles le long des branches du réseau hydrographique (gradient physico-chimique, courant), soit discrètes entre les branches du réseau (diversité de l'habitat). La structure du réseau hydrographique va, par conséquent, influencer la distribution, les déplacements et le flux génique des organismes inféodés aux cours d'eau. Les objectifs de cette thèse étaient de tester (i) l'effet de la topologie du réseau hydrographique sur la dispersion et le flux de gènes, et (ii) l'effet des variations environnementales sur la distribution et les traits phénotypiques des individus liés à la dispersion. Pour répondre à ces objectifs nous avons utilisé une approche empirique, en menant notre étude sur le bassin moyen de la Loire chez une espèce de demoiselle, le Calopteryx splendens (Odonates : Zygoptères). Parallèlement nous avons développé un modèle théorique permettant de simuler la dispersion et le flux de gènes sur des réseaux hydrographiques artificiels. Ainsi nous avons mis en évidence une distribution discontinue des individus sur le cours d'eau et un cline morphologique sur le bassin de la Loire entre l'amont et l'aval. Ce cline est lié aux caractéristiques physico-chimiques de l'eau. Ces variations morphologiques n'influencent pas les capacités de dispersion, mais affectent la survie des individus. La survie et la densité sont les facteurs déterminants de la dispersion chez C. splendens. Les analyses génétiques ont montré un isolement par la distance et une forte structuration génétique sur le bassin versant, mais l'absence d'entités génétiques clairement définies. Ceci peut être expliqué par la présence de flux de gènes entre les sous-bassins et une structure en métapopulation à l'échelle du réseau hydrographique. Ces résultats sont les premiers obtenus à l'échelle d'un bassin versant tel que la Loire sur des populations naturelles. L'étude a également permis de réaliser le logiciel Gene-Net testant l'effet de la géométrie des réseaux hydrographiques sur la structure génétique des populations d'organismes d'eau douce.

Les génomes sont affectés par des régimes de sélection conflictuels. Ceci est particulièrement bien illustré par le concept de barrière semi-perméable au flux génique, issu de la littérature des zones hybrides. Certains gènes contribuent à empêcher le mélange entre lignées génétiques différenciées, soit parce qu'ils participent à l'adaptation aux conditions environnementales locales, soit parce qu'ils sont incompatibles avec les gènes d'autres lignées. D'autres parties du génome sont soit neutres, soit soumises à une sélection qui tend à homogénéiser les différentes lignées entre elles. Dans la première partie de cette thèse, des modèles d'évolution de l'isolement reproductif sont présentés pour expliquer les patrons d'isolements observés dans les expériences d'hybridation au laboratoire. Par modélisation classique d'incompatibilités génétiques de type Dobzhansky-Muller, il est montré que l'asymétrie et la complexité des incompatibilités sont imparfaitement expliquées par un filtre évolutif, c.a.d. une vitesse d'accumulation différente entre types d'incompatibilité. Une approche complémentaire de modélisation quantitative à l'aide d'une extension du modèle géométrique de Fisher a permis de préciser quelles conditions de divergence entre lignées isolées conduisaient à un effet fortement délétère des mutations dans les génotypes hybrides. L'importance relative du niveau d'épistasie moyen, de la distribution des effets des mutations et des modalités de l'adaptation de chaque lignée est discutée. La seconde partie de cette thèse profite des avancées techniques de la génomique pour étudier l'histoire de la spéciation et de l'adaptation dans un complexe d'espèces non-modèles, les moules du genre Mytilus. Une méthode statistique d'inférence de scénarios de spéciation est présentée. Les résultats montrent que les moules Européennes ont connu une histoire complexe de divergence stricte suivie d'une période de connectivité périodique. En accord avec le concept de barrière semi-perméable au flux génique, il est montré que les taux d'introgression sont hétérogènes le long du génome. Ensuite, des scans génomiques de la différenciation ont été menés entre paires de populations du complexe d'espèces. L'analyse de la variation génétique et des généalogies d'allèles sur une échelle chromosomique localisée a permis de reconstituer l'histoire évolutive de plus de 1000 régions du génome des moules. Cette analyse a révélé qu'une cause majeure, mais insoupçonnée, de la différenciation génétique intraspécifique est l'introgression différentielle d'allèles étrangers. Globalement, cette thèse montre non seulement le rôle majeur de la biogéographie de la spéciation, c.a.d. des patrons temporels et spatiaux du flux de gènes, dans notre compréhension de la biodiversité actuelle, mais aussi sa surprenante complexité et l'étendue de ses conséquences sur l'évolution des génomes. / Genomes are affected by conflicting selective regimes. This is particularly well illustrated by the concept of semi-permeable barriers to gene flow, as found in the hybrid zones literature. Some genes contribute to the prevention of mixing between differentiated genetic lineages, either because they are involved in adaptation to local environmental conditions, or because they are incompatible with alleles from other genetic lineages. Other parts of the genome are either neutral, or subjected to selection which tends to homogenize the genetic lineages. In the first part of this thesis, models of the evolution of reproductive isolation are presented to explain the isolation patterns observed in experimental hybridizing crosses between incipient species. Using standard models of Dobzhansky-Muller genetic incompatibilities, it is shown that the asymmetry and complexity of incompatibilities are not well explained by there being an “evolutionary sieve”, i.e. a different rate of accumulation between incompatibilities. A complementary approach to quantitative modeling (an extension of Fisher's Geometric Model) then clarifies which conditions of divergence between allopatric lines led to highly deleterious effects in hybrid genotypes. The relative importance of mean levels of fitness epistasis, the distribution of mutation sizes, and the way lineages adapt to new environmental conditions is discussed. The second part of this thesis takes advantage of technical advances in genomics to study the history of speciation and adaptation in a non-model species complex, Mytilus mussels. A statistical method of inferring speciation scenarios is presented. Results show that European mussels experienced a complex history of strict divergence followed by a period of periodic connectivity. In agreement with the concept of semi-permeable barriers to gene flow, it is shown that introgression rates are heterogeneous along the genome. Next, genome scans of differentiation were conducted between pairs of populations of the species complex. The analysis of genetic variation and allele genealogies on a small chromosomal scale allowed to reconstruct the evolutionary history of more than 1000 genomic regions. This analysis reveals that a major cause of intraspecific differentiation is the differential introgression of foreign alleles. Overall, this thesis shows not only that biogeography of speciation, i.e. the temporal and spatial patterns of gene flow, play a major role in our understanding of existing biodiversity, but also its amazing complexity and extent of its impact on genome evolution.

La dispersion est un trait d'histoire de vie qui joue un rôle majeur dans le fonctionnement des populations naturelles. Comprendre ce phénomène et son évolution est aujourd'hui déterminant pour la gestion des populations dans des écosystèmes de plus en plus anthropisés. Cette étude s'est attachée à caractériser la dispersion et ses déterminants chez le campagnol des champs, Microtus avalis, dans un paysage agricole de l'Ouest de la France. L'instabilité spatio-temporelle des agroécosystèmes et la démographie cyclique de ce petit rongeur colonial en font un modèle exceptionnel pour aborder cette problématique. La constitution d'une banque de marqueurs microsatellites nous a permis d'utiliser des approches de génétique des populations et de génétique paysagère. Une seule entité génétiquement homogène couvre les 500 km² du site d'étude et le patron d'isolement par la distance qui caractérise cette « population » indique que seule la distance limite le flux génique dans ce paysage. Les variations des patrons génétiques au cours des cycles reflètent l'instabilité de la balance entre dérive génétique et dispersion et montrent que le flux génique est positivement lié à la densité. Les patrons de dispersion, différents entre mâles et femelles (dispersion biaisée vers les mâles), suggèrent que la dispersion n'est pas déterminée par les mêmes causes évolutives selon le sexe. La colonisation par les femelles des habitats temporaire (les cultures annuelles), particulièrement massive lors des pullulations, permet la cohésion spatiale de la population. Sa cohésion génétique est assurée par les migrations répétées des mâles entre colonies pour la reproduction. Ce fonctionnement est rendu possible par l'extrême rapidité cycle de vie du campagnol des champs qui compense l'instabilité du paysage. L'intégration des différents résultats de cette étude dans un modèle de dispersion couplé à un modèle dynamique de paysage devrait permettre d'évaluer l'impact de l'évolution de l'agriculture sur cette espèce emblématique de la biodiversité de ces paysages.

La dispersion est un trait d'histoire de vie qui joue un rôle majeur dans le fonctionnement des populations naturelles. Comprendre ce phénomène et son évolution est aujourd'hui déterminant pour la gestion des populations dans des écosystèmes de plus en plus anthropisés. Cette étude s'est attachée à caractériser la dispersion et ses déterminants chez le campagnol des champs, Microtus avalis, dans un paysage agricole de l'Ouest de la France. L'instabilité spatio-temporelle des agroécosystèmes et la démographie cyclique de ce petit rongeur colonial en font un modèle exceptionnel pour aborder cette problématique. La constitution d'une banque de marqueurs microsatellites nous a permis d'utiliser des approches de génétique des populations et de génétique paysagère. Une seule entité génétiquement homogène couvre les 500 km² du site d'étude et le patron d'isolement par la distance qui caractérise cette « population » indique que seule la distance limite le flux génique dans ce paysage. Les variations des patrons génétiques au cours des cycles reflètent l'instabilité de la balance entre dérive génétique et dispersion et montrent que le flux génique est positivement lié à la densité. Les patrons de dispersion, différents entre mâles et femelles (dispersion biaisée vers les mâles), suggèrent que la dispersion n'est pas déterminée par les mêmes causes évolutives selon le sexe. La colonisation par les femelles des habitats temporaire (les cultures annuelles), particulièrement massive lors des pullulations, permet la cohésion spatiale de la population. Sa cohésion génétique est assurée par les migrations répétées des mâles entre colonies pour la reproduction. Ce fonctionnement est rendu possible par l'extrême rapidité cycle de vie du campagnol des champs qui compense l'instabilité du paysage. L'intégration des différents résultats de cette étude dans un modèle de dispersion couplé à un modèle dynamique de paysage devrait permettre d'évaluer l'impact de l'évolution de l'agriculture sur cette espèce emblématique de la biodiversité de ces paysages.

La génétique des populations a révélé que la diversité génétique des espèces marines était très souvent distribuée de façon discrète dans l’espace, en mosaïque de patchs populationnels génétiquement homogènes délimités par des discontinuités appelées barrière au flux génique. L’objectif de cette thèse était de contribuer à mieux comprendre les processus expliquant l’origine, le maintien et la position des barrières génétiques au niveau de la zone de transition entre l’Atlantique et la Méditerranée. Dans un premier temps a été étudiée la structure génétique de la moule Mytilus galloprovincialis. Contrairement au cline abrupt et étroit reporté en Espagne, nous avons découvert en Algérie une vaste zone hybride mosaïque sur 600 km de côtes à l'Est du front océanique Almeria-Oran. Dans un deuxième temps a été menée une étude de la structure génétique du gastéropode marin Stramonita haemastoma. Nous avons découvert deux lignées cryptiques différentiellement fixées pour des haplogroupes mitochondriaux, et différenciées sur 3 marqueurs microsatellites développés dans cette thèse. La distribution spatiale en mosaïque est étonnante avec un patch de la lignée atlantique enclavé au nord de la Méditerranée occidentale et bordé par une zone hybride au sud dans la région de Valence. Ces deux études mettent en avant l’importance de l’isolement reproductif intrinsèque dans l’explication de la distribution mosaïque de la diversité génétique marine. Bien que les frontières entre patchs correspondent à des barrières physiques à la dispersion ou à des écotones, l’hydrographie et l’environnement n’expliquent sans doute que la position des discontinuités génétiques mais ni leur origine ni leur maintien. / Population genetics has revealed the genetic diversity of marine species is often subdivided into a mosaic of discrete patches, within which populations are genetically homogeneous, delineated by discontinuities called barriers to gene flow. The aim of this thesis was to contribute to better understand the processes explaining the origin, maintenance and location of genetic barriers at the Atlantic/Mediterranean transition zone. First, we studied the genetic structure of the mussel Mytilus galloprovincialis. In contrast to the abrupt narrow cline reported in Spain, we discovered along the Algerian coastline a 600 km wide mosaic hybrid zone eastward of the Almeria-Oran oceanic front. Second, we studied the genetic structure of a marine gastropod Stramonita haemastoma. We discovered two cryptic lineages differentially fixed for alternative mitochondrial haplogroups, and differentiated at three microsatellite markers developed in this PhD work. Surprisingly, the spatial distribution proved to be an unusual mosaic with a patch of the Atlantic lineage enclaved in the north of the Western Mediterranean Sea, bordered in the South by a hybrid zone in eastern Spain around Valencia. These two studies highlight the importance of intrinsic reproductive isolation in explaining the mosaic distribution of the marine genetic diversity. Although boundaries between patches coincide with physical barriers to dispersal or ecotones, hydrography and environment mainly explain the position of the genetic discontinuities but neither their origin nor their maintenance.

La biologie de la conservation est un domaine de recherche en pleine expansion en raison de la perte accélérée de la biodiversité à l’échelle mondiale. Pour mieux comprendre les processus et les menaces au maintien des populations de petite taille et les effets des facteurs anthropiques sur la biodiversité, la génétique est fréquemment utilisée en conservation. Des analyses génétiques peuvent, par exemple, nous informer sur les tendances à long terme, la diversité des populations et les stratégies de reproduction d’une espèce. La tortue des bois (Glyptemys insculpta) est une espèce endémique à l’Amérique du Nord qui est en danger d’extinction selon l’Union internationale pour la conservation de la nature. Dans le cadre de ma thèse, j’avais comme objectif de caractériser la diversité génétique de cette espèce menacée au Canada. À cet effet, j’ai analysé la génétique des populations de tortues des bois à plusieurs échelles spatiales et temporelles, afin de mieux cerner les processus ayant un impact sur la diversité des populations. Dans un premier temps, les relations de parentalité ont été reconstruites au sein d’une population de tortues des bois pour estimer la fréquence de paternité multiple et de paternité répétée. Les résultats de mes travaux suggèrent que l’emmagasinement de sperme chez la femelle et la reproduction multiple avec les mêmes partenaires pour plus d’une saison de reproduction pourraient expliquer ces phénomènes. Ces stratégies de reproduction pourraient dans ce cas être induites par la faible densité de la population à l’étude, ou encore par la fidélité au site d’hibernation où la majorité des évènements de copulation ont lieu. Par la suite, je me suis intéressée à la diversité génétique des populations de tortues de bois. J’ai voulu comprendre les effets de la configuration spatiale des éléments du paysage et les évènements de dispersion géographique sur la diversité des populations. À l’aide d’une approche de génétique du paysage, mes analyses montrent que la division des populations par bassins versants explique une large fraction de la diversité génétique interpopulations. Ces résultats confirment également que les bassins versants représentent des unités de gestion propices à la protection des populations de tortues des bois. Finalement, des analyses de réseaux ont été utilisées pour mieux cerner la dynamique de flux génique entre les populations de la rive nord et de la rive sud du fleuve Saint-Laurent. Plus spécifiquement, la rive nord se caractérise par un réseau robuste de populations isolées, alors que les populations de la rive sud présentent plutôt une structure de métapopulation. En utilisant les réseaux construits à partir de données génétiques, des scénarios hypothétiques furent comparés pour explorer la sélection de populations à l’aide du logiciel BRIDES. Les résultats de ces analyses ont permis de cibler l’importance de certaines populations de tortues des bois pour la connectivité du réseau. L’importance de ces populations n’aurait pu être prédite par les résultats de la diversité et de la différenciation génétique, les indices de centralité et les analyses d’élimination de nœuds. Grâce à la génétique, cette thèse apporte de nouvelles connaissances sur la tortue des bois, les stratégies de reproduction des différents sexes, le flux génique, la connectivité et l’influence du réseau hydrographique sur la diversité des populations. Ces résultats nous permettent d’avoir une meilleure compréhension des processus affectant la diversité génétique de cette espèce afin de mieux la protéger. Toutes les analyses réalisées pour cette thèse sont directement applicables à l’ensemble des autres espèces longévives avec des générations chevauchantes. / Conservation biology is a rapidly expanding field of research due to the accelerating loss of global biodiversity. To better understand the processes and threats to the persistence of small populations and the effects of anthropogenic factors on biodiversity, genetic approaches are frequently used in conservation. Genetic analyzes can, for example, inform us about long-term trends, population diversity and reproductive strategies of a species. The wood turtle (Glyptemys insculpta) is a species endemic to North America that is endangered according to the International Union for the Conservation of Nature. As part of my thesis, my objective was to characterize the genetic diversity of this threatened species in Canada. In order to better understand the impact of reproductive strategy and landscape structure on population diversity, I analyzed the genetics of wood turtle populations at several spatial and temporal scales. First, parentage relationships were reconstructed in a population of wood turtles to estimate the frequency of multiple and repeated paternity. The results of my work suggest that sperm storage in females and multiple reproduction with the same partners for more than one breeding season could explain these phenomena. These reproduction strategies could in this case be induced by the low density of the study population, or by fidelity to the overwintering site where the majority of copulation events take place. Subsequently, I assessed the genetic diversity of wood turtle populations. I wanted to understand the effects of the landscape configuration and geographic dispersion events on the diversity of populations. Using a landscape genetics approach, my analyzes show that the division of populations by watershed explains a large fraction of the genetic diversity between populations. These results also confirm that watersheds represent management units conducive to the protection of wood turtle populations. Finally, network analysis was used to better understand the gene flow dynamics among populations located on the north and south shores of the St. Lawrence River. More specifically, the north shore is characterized by a robust network of isolated populations, whereas the populations on the south shore present more of a metapopulation structure. Using population graphs, hypothetical scenarios were compared to explore the node selection process using the BRIDES algorithm. The results of these analyzes made it possible to point out specific populations of wood turtles, considering their importance for network connectivity. This could have not been predicted by using genetic diversity and distinctiveness estimates, node-based metrics, and node removal analysis for these populations. Thanks to genetics, this thesis brings new knowledge on the wood turtle, the reproductive strategies of both sexes, the gene flow, the connectivity and the influence of the hydrographic network on population diversity. These results allow us to have a better understanding of the processes affecting the genetic diversity of this species in order to better protect it. All analyses performed for this thesis are directly applicable to other long-lived species with overlapping generations.