La variation génétique des poissons d’eau douce de l’Amérique du Nord a été analysée aux niveaux intraspécifique et interspécifique afin d’approfondir les connaissances actuelles sur l’évolution de la biodiversité et de faciliter la conservation de cette richesse. Premièrement, une banque de données de séquence d’ADN mitochondrial (codes-barres génétiques) a été générée pour 5674 individus représentant 752 espèces dans le but d’établir un outil d’identification moléculaire et de fournir une calibration de l’incertitude taxonomique. Cette analyse démontre que 90 % des espèces peuvent être délimitées à l’aide de codes-barres génétiques. De plus, il apparait que la taxonomie actuelle pourrait largement sous-estimer la diversité des poissons d’eau douce dans son ensemble tout en surestimant la diversité spécifique de certains groupes particuliers. Deuxièmement, les niveaux de divergences génétiques intraspécifique et interspécifique ont été étudiés afin d’identifier les mécanismes évolutifs responsables des patrons généraux de répartition de la biodiversité. L’hypothèse suggérant un rôle combiné des cycles glaciaires du Pléistocène et de l’activité métabolique influençant les taux de mutation est appuyée par les données représentant la presque totalité des poissons d’eau douce de l’Amérique du Nord. Troisièmement, les patrons de variation aux niveaux de l’ADN mitochondrial et de l’ADN nucléaire (AFLP) ont été analysés parmi plusieurs paires de lignées évolutives codistribuées dans le nord-est de l’Amérique afin de vérifier l’importance du processus de spéciation allopatrique. Les résultats indiquent que l’est du bassin des Grands Lacs représente une zone de suture impliquant plusieurs taxons et que les niveaux de divergence sont variables d’une paire de lignées à l’autre. Parmi ces paires de races glaciaires, celles divergeant par plus de 2 % au niveau de l’ADN mitochondrial présentent d’importants signes d’isolement reproducteur. En décrivant les diverses étapes du processus de spéciation allopatrique au sein de différentes espèces d’une même région, cette étude démontre que le processus de spéciation allopatrique a joué un rôle important parmi les poissons d’eau douce de l’Amérique du Nord. L’ensemble de ces travaux aura donc permis de fournir un nouvel outil d’identification et d’appuyer l’hypothèse stipulant que la spéciation allopatrique est le principal moteur de diversification pour les poissons d’eau douce. / Intraspecific and interspecific genetic variation has been studied among North America’s freshwater fishes in order to improve our current knowledge on the evolution of biodiversity and to facilitate the conservation of this richness. Firstly, we generated a standard reference library of mitochondrial DNA sequences (DNA barcodes) for 752 North American freshwater fish species to provide an independent calibration of taxonomic uncertainty and to establish a more accessible molecular identification key for its application. This study demonstrates that 90% of known species can be delineated using barcodes. Results further suggest that current North American freshwater fish taxonomy at the species level significantly conceals diversity in some groups, while artificially creating diversity in others. Secondly, we studied intraspecific and interspecific genetic divergence in order to describe and identify the underlying evolutionary causes of general patterns of biodiversity distribution. This study supports a dual role involving both the late Pliocene-Pleistocene climatic fluctuations and metabolic rate in determining latitudinal gradients of genetic divergence. Thirdly, patterns of mitochondrial DNA and nuclear DNA (AFLP) have been studied among different codistributed pairs of glacial lineages in order to verify the generality of allopatric speciation. This study shows that the Eastern Great-Lakes drainage represents a multi-species suture zone for glacial lineages of freshwater fishes with variable levels of genetic divergence. AFLP analyses among four pairs of lineages indicate that lineages with relatively deep levels of mitochondrial DNA sequence divergence (> 2 %) developed strong reproductive barriers. By describing different levels of divergence and reproductive isolation in different co-occurring fishes, we offer strong evidence that allopatric speciation has contributed significantly to the diversification of North Eastern American freshwater fishes. This thesis therefore offers a new molecular identification tool for freshwater fish of North America and brings strong evidences that allopatric speciation has played a predominant role in generating biodiversity.

Les bactéries du genre Flavobacterium sont retrouvées dans des types d’habitats très divers. Ce genre contient trois espèces ichtyopathogènes : columnare, branchiophilum et psychrophilum qui est responsable de pertes économiques importantes pour l’élevage des salmonidés. Un projet de séquençage et de comparaison des génomes de plusieurs flavobactéries pathogènes de poissons ainsi qu’isolées de différents environnements a été mis en place pour améliorer les connaissances sur ce genre. Les objectifs étaient l’identification des déterminants de virulence et la caractérisation de différents marqueurs moléculaires des traits phénotypiques associés à leur mode de vie. L’analyse des génomes de F. psychrophilum a permis de mettre en évidence une diversité des structures chromosomiques au sein de l’espèce et d’identifier des cibles moléculaires prometteuses pour le développement de tests de diagnostic ainsi que des cibles vaccinales potentielles. Le génome de F. branchiophilum a permis d’identifier des mécanismes moléculaires de virulence originaux. Les caractéristiques du génome de F. indicum révèlent un mode de vie environnemental : sa petite taille et ses faibles capacités de dégradation des bio-polymères suggèrent que F. indicum est adapté à une niche écologique restreinte. Ces nouvelles données ont permis de caractériser in silico des marqueurs moléculaires de caractères phénotypiques. En particulier, un groupe de gènes (dnd) rare et responsable d’une modification étonnante de la molécule d’ADN a été décrit pour la première fois chez les Flavobacteriaceae. Ce projet a permis d’enrichir les connaissances sur les bactéries du genre Flavobacterium et a contribué au développement d’outils pour la santé animale. / Flavobacterium species occur in a wide range of habitats. This genus includes three fish-pathogenic species, namely F. columnare, F. branchiophilum and F. psychrophilum. The latter is responsible for serious economic losses for salmonids farming in France and worlwide. A comparative genomics project including several fish-pathogenic flavobacteria as well as various environmental species has been set up in order to improve the knowledge on this poorly studied genus. Our aims were the identification of virulence determinants associated with pathogenicity and the characterization of various molecular elements reflecting phenotypes associated with their life-style. Analysis of the genomes of several F. psychrophilum isolates revealed the diversity of chromosomal structures within the species and identified in silico promising molecular targets for the development of diagnostic tests as well as potential vaccines targets. Analysis of the F. branchiophilum genome enabled to identify particular molecular virulence mechanisms. The features of the F. indicum genome reflected its environmental lifestyle : its small size and its limited bio-polymers degrading abilities suggested that F. indicum is adapted to a quite narrow ecological niche. These new data have allowed the in silico identification of many molecular elements reflecting phenotypic traits. In particular, a rare gene cluster (dnd) responsible for an unusual DNA structure modification was described for the first time within members of the family Flavobacteriaceae. This project enriched the knowledge on Flavobacterium species and contributed to the development of tools for animal health.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Agrosystèmes, écosystèmes et environnement : Toulouse, INPT : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 293 réf.

Proefschrift--Leyden. / "Stellingen" [1] page inserted. Summary in German. Vita. Bibliography: p. 186-193.

Les barrages sur les rivières sont des obstacles à la migration piscicole. Les passes à poissons sont des ouvrages permettant aux espèces piscicoles de migrer, autorisant le rétablissement de la continuité écologique des cours d'eau. Le but de ce travail est de mieux comprendre les phénomènes physiques présents dans les passes à poissons naturelles. Ces passes sont des canaux à forte pente, équipé de rangées de plots en quinconce. Pour valider la pertinence de l'utilisation d'un modèle numérique, l'étude s'est limitée à l'écoulement autour d'un cylindre émergent placé au centre d'un canal. Le travail est décomposé en deux parties, une expérimentale et une numérique. La partie expérimentale est conduite dans un canal transparent de 4m de long, 0,4m de large et 0,4m de hauteur. Le diamètre du cylindre est 4cm et sa hauteur 20cm (toujours émergent). Les cas étudiés sont des débits de 5, 10, 15 et 20 l/s pour une pente nulle. Les nombres de Froude sont supérieurs à 0,5 et les nombres de Reynolds, basés sur le diamètre, sont compris entre 15000 et 50000. Les écoulements ont été filmés et un algorithme de suivi de particules (PTV) a été développé. Des zones de faibles vitesses existent, même pour Fr=1, pouvant assurer des zones de refuge pour le poisson. Les forces de trainée ont été mesurées sur le plot. Les évolutions des coefficients de trainée avec le nombre de Froude et des rapports de forme de l'écoulement autour du plot ont ainsi été évaluées. La partie numérique est réalisée avec OpenFOAM pour 4 cas d'étude (Q=10 et 20 l/s, S=0 et 2%) et 2 modèles de turbulence URANS, le RNG k-epsilon et le k-omega SST. Des modélisations en 2D ont également été faites avec Telemac 2D. Les résultats obtenus ont été comparés aux résultats expérimentaux. La modélisation 2D (shallow water) est exploitable seulement pour des nombres de Froude faibles, d'où la nécessité des modélisations en 3D. Le modèle komega SST semble le mieux adapté pour reproduire les écoulements étudiés. Les vitesses locales et les structures en 3D, non quantifiables expérimentalement, ont ensuite été décrites. Les influences du fond et de la surface libre sur le sillage apparaissent clairement en provoquant des vitesses verticales et des tourbillons à grandes échelles. Enfin, une simulation en LES a été conduite. Les structures tourbillonnaires sont mieux représentées que pour les modèles URANS, mais les temps de calcul sont grands.

Le développement de l'obésité et des complications associées sont intimement liés à la composition du microbiote intestinal. En plus des études chez l'humain, plusieurs modèles animaux sont utilisés pour comprendre la dynamique et l'impact des organismes qui habitent notre intestin, dont le plus utilisé est le rongeur. Récemment, d'autres modèles animaux plus simples s'imposent dans l'étude du microbiote intestinal, comme le poisson-zèbre. L'étude proposée dans ce mémoire avait pour but de reproduire et d'optimiser une diète induisant l'obésité chez la larve de poisson-zèbre, ainsi que d'observer l'effet d'une diète riche en sucre et en gras sur la monocolonisation de l'intestin de la larve par la bactérie Escherichia coli isolé d'un enfant danois dans laquelle a été inséré un plasmide portant un gène codant pour la protéine fluorescente mCherry2. Les résultats démontrent qu'il est possible d'induire un développement similaire à de l'obésité chez la larve. Les critères utilisés (longueur, largeur, ratio largeur/longueur et aire) sont augmentés chez les larves ayant reçu la diète riche en sucre et en gras. De plus, les larves ayant reçu cette même diète présentent une colonisation bactérienne plus importante de leur intestin lors de l'observation en microscopie, mais ce résultat reste toutefois à confirmer par dénombrement bactérien.

La ciguatera est une intoxication consécutive à l’ingestion de poissons d’ambiance corallienne contaminés par une micro-algue. Malgré une connaissance séculaire, l’apparente recrudescence de cette maladie, sa répartition géographique, sa variabilité symptomatique sont autant de points qui restent à éclaircir. Ce projet avait pour objectif de dresser le portrait épidémiologique actuel de cet ichtyosarcotoxisme en Polynésie Française afin d’en améliorer la prise en charge. Nos résultats démontrent que l’incidence de la ciguatera dans cette région est relativement stable. Parmi les facteurs écologiques associés aux variations d’incidence, la modélisation de la floraison de l’algue apparaît par nos analyses comme une avenue prometteuse d’une mise en place d’outils de prévention pour réduire l’incidence. Du point de vue clinique, nos résultats confirment la prédominance des symptômes neurologiques qui évoque une polyneuropathie sensitive se résorbant progressivement dont la gravité paraît reliée à la quantité de toxines ingérées. / Ciguatera poisoning is an ichtyosarcotoxism found throughout many tropical areas of the world. Even though this intoxication has been known since the 18th century, many epidemiological aspects remain unclear. The main goal of this thesis was to establish the epidemiological portrait of this seafood poisoning in order to improve its management. The first part of this project describes this ichtyosarcotoxism according to its environmental and temporal aspects. The second part addresses clinical aspects of the disease. A global increase of ciguatera incidence has been suggested in the literature. However, results from our retrospective study indicate a relatively constant annual incidence in French Polynesia over the ten years of the study. An analysis of cases grouped by archipelago also revealed differences in incidence rates with the most remote archipelagos having the highest incidence. These high rates observed highlight the need to develop prevention tools in order to reduce the incidence. Results from our model of changes in the incidence of ciguatera disease following algae blooms might be useful for assisting ciguatera risk management initiatives. Indeed, results from the study highlight a clear temporal relation between ciguatera disease and its etiologic agent: Gambierdiscus spp. From a clinical point of view, our results confirm the neurological feature of this intoxication as previously proposed and suggest that several symptoms observed in 183 patients at the acute phase of the disease are still persistent 2 months after the onset. In order to characterize these symptoms, we compared the neurological evaluation of 47 patients with ciguatera disease to 125 ciguatera-free controls. Results showed that ciguatera disease predominantly alters the peripheral sensory system represented mainly by sensory disturbances (light-touch and thermal) and poorer sway performances compared to controls. Over three testing periods, we observed an improvement of sway performances but, light touch threshold remained altered for more than 50% of patient 60 days after of the onset. In summary, results obtained in this thesis confirm the evolution ciguatera disease to chronic stage in the study population and suggest that ciguatera symptoms in acute phase are similar to a sensory polyneuropathy with a progressive recovery.

Le système de la baie d'Hudson comprend la baie d'Hudson, la baie James et le détroit d'Hudson. La baie d'Hudson est une grande mer intérieure peu profonde avec un apport d'eau douce très élevé issu de vastes bassins de drainage s'étendant sur une grande surface du Canada. La couverture de glace de mer y est saisonnière, et cet écosystème subarctique représente la limite sud de la répartition de plusieurs espèces endémiques à l'Arctique. Une absence de glace pluriannuelle et des apports d'eau douce accrus devraient également être des conditions rencontrées dans le Haut Arctique dans un future proche, ce qui permet d'envisager le système de la baie d'Hudson comme une fenêtre ouverte sur ce qui pourrait être observé à des latitudes plus élevées dans un avenir proche. Cependant, les données sur le zooplancton et les poissons du système de la baie d'Hudson demeurent relativement rares. Avec les recherches présentées dans cette thèse, nous visons à établir des informations de référence sur le zooplancton et les larves de poissons du système de la baie d'Hudson. De plus, nous visons à mieux comprendre les mécanismes par lesquels les espèces adaptées à l'Arctique persistent dans cet environnement subarctique dynamique, afin de comprendre comment elles pourraient également y parvenir à des latitudes plus élevées. Les résultats du chapitre 1 montrent que les larves de morue arctique (Boreogadus saida) ont tendance à éclore plus tôt dans les zones affectées par les plumes d'eau douce provenant des rivières. Ces éclosions hâtives permettent à certaines jeunes morues arctiques d'atteindre de plus grandes tailles à la fin de l'été, les rendant plus susceptibles de survivre à leur premier hiver comparativement aux larves qui ont éclos plus tardivement. Puisque la croissance de ces larves hâtives doit être soutenue par la présence de proies adéquates, dans le chapitre 2, nous caractérisons la variabilité des assemblages de mésozooplancton du moment de la débâcle en juin jusqu'à la fin de l'été en octobre. Nous montrons que la variation de composition entre les communautés de mésozooplancton pourrait s'expliquer par l'impact important du retrait des glaces sur la production primaire et par la profondeur. Parmi les organismes zooplanctoniques, les copépodes du genre Calanus sont adaptés aux conditions arctiques et très riches en lipides, ce qui en fait des proies de choix pour le reste du réseau trophique. Ces copépodes sont plus nombreux au début de la saison alors qu'il y a encore de la glace dans la baie, et dans les zones profondes centrales du système de la baie d'Hudson. À la fin de l'été, l'abondance plus faible de Calanus coïncide avec l'abondance plus élevée des petits copépodes du genre Pseudocalanus pour entraîner une biomasse globale plus faible de mésozooplancton dans le système. Au niveau trophique supérieur, les assemblages d'ichtyoplancton variaient également beaucoup entre le début et la fin de l'été, comme le montre le chapitre 3. Les larves de capelan, un poisson boréal, étaient de loin les plus abondantes dans l'ensemble, même si elles étaient géographiquement limitées à la partie sud ouest de la baie et particulièrement abondantes seulement à la fin de l'été. En revanche, les assemblages dominés par les larves de morues arctiques étaient répandus plus équitablement à travers la baie d'Hudson et le détroit d'Hudson, si bien que les jeunes stades de morue arctique et de capelan se chevauchaient peu géographiquement et temporellement. Cependant, les larves de morue arctique se retrouvaient souvent en compagnie de celles des lançons et d'autres espèces des familles Cottidae, Liparidae et Stichaeidae. Dans ces cas là, les tailles des larves étaient de plus comparables et une compétition pour la nourriture est alors possible. Dans l'ensemble, les résultats de cette thèse soutiennent l'hypothèse selon laquelle la persistance des espèces de zooplancton et d'ichtyoplancton adaptées à l'Arctique dans un environnement subarctique nécessite des stratégies d'hivernage et de reproduction leur permettant de tirer pleinement parti de la courte période de production essentiellement limitée à la période de débâcle des glaces. Plus tard dans l'été, les conditions nettement plus chaudes donnent probablement un avantage concurrentiel aux espèces boréales. / The Hudson Bay system consists of the Hudson Bay, James Bay and Hudson Strait. The Hudson Bay is a large shallow inland sea with a very high freshwater input. It is seasonally ice-covered and is considered a sub-Arctic ecosystem representing the southern limit of the distribution of several Arctic-adapted species. Since a seasonal ice regime precluding multi-year ice and a significant increase in freshwater runoff are predicted to prevail soon in the High Arctic, current conditions in this system might represent an open window on what could be observed at higher latitudes in the near future. Data on the zooplankton and fish in the Hudson Bay system are still relatively scarce. With the research presented in this thesis, we aim to lay baseline information on the zooplankton and fish larvae of the Hudson Bay system. Furthermore, we aim to understand the mechanisms by which Arctic-adapted species are persisting in this sub-Arctic environment and thus understand how they might also do so at higher latitudes. The findings of Chapter 1 show that Arctic cod (Boreogadus saida) larvae tend to hatch earlier in areas affected by riverine freshwater under the ice. These early hatchers are larger by the end of summer and thus more likely to survive their first winter compared to later hatchers. In Chapter 2 we show that mesozooplankton assemblages are different from the time of ice breakup in June to autumn in October and that the variation between mesozooplankton communities could be explained by the ice retreat and by depth. The lipid-rich, Arctic-adapted Calanus spp. copepods are more numerous early in the season while there is still ice in the bay and in the central deeper areas of the Hudson Bay system. The lower abundance of Calanus spp. copepods at the end of summer and the higher abundance of the small copepod Pseudocalanus spp., result in an overall lower biomass of mesozooplankton in the Hudson Bay system in late summer. The ichthyoplankton assemblages were also quite different from early to late summer as shown in Chapter 3. Larvae of the boreal capelin were by far the most abundant overall, even though they were geographically restricted to the southwestern part of the bay and only highly abundant in late summer. In contrast, assemblages featuring Arctic cod were widespread over the Hudson Bay and Hudson Strait, and geographical overlap between capelin and Arctic cod was minimal. Arctic cod larvae, however, overlapped temporally and geographically with sand lance and with other fish larvae, such as species from the Cottidae, Liparidae and Stichaeidae families. In these cases, the sizes of the larvae were comparable, and competition for food may be possible. Overall, the results from this thesis support the hypothesis that for Arctic-adapted zooplankton and ichthyoplankton species to persist in a sub-Arctic environment, it is important to have overwintering and reproductive strategies that allow them to make full use of the short productive period during ice break-up. Later in the summer, the warmer conditions probably give boreal species a competitive advantage.

L'ADN environnemental (ADNe) est une approche très prometteuse pouvant faciliter le suivi des espèces aquatiques, ce qui est crucial pour la gestion des ressources aquatiques. À ce jour, relativement peu d'études se sont intéressées à l'écologie de l'ADNe, en particulier en ce qui concerne les processus influençant la détection de l'ADNe. Le manque de connaissances à propos de l'écologie de l'ADNe empêche l'utilisation de cet outil à son plein potentiel. Dans cette étude, nous avons évalué expérimentalement l'impact de plusieurs facteurs biotiques et abiotiques sur le taux de production et de dégradation de l'ADNe. Trois espèces de poissons d'eau douce ayant des caractéristiques très différentes ont été placées dans deux types d'eau ayant des caractéristiques physicochimiques distinctes et à trois différentes températures. Des échantillons d'eau ont été filtrés à des intervalles de temps prédéterminés et la PCR quantitative a été utilisée pour quantifier l'ADNe dans chaque échantillon. Nous avons trouvé que la température, l'espèce, les différentes masses d'eau, ainsi que certaines interactions entre les facteurs avaient un effet marqué sur la production et la dégradation de l'ADNe. Les résultats de cette étude vont approfondir nos connaissances sur l'écologie de l'ADNe, et donc amélioreront l'interprétation des données d'ADNe pour la gestion et la conservation des poissons d'eau douce. / Environmental DNA (eDNA) is a very promising approach to facilitate and improve the aquatic species monitoring, which is crucial for their management and conservation. In comparison with the plethora of monitoring studies in the fields, relatively few studies have focused on experimentally investigating the "ecology" of eDNA, in particular pertaining to processes influencing the detection of eDNA. The paucity of knowledge about its ecology hampers the use of eDNA analysis to its full potential. In this study, we experimentally evaluated the impact of several biotic and abiotic factors on the rate of production and degradation of eDNA. Individuals of three freshwater fish species (Brown Bullhead, Tench and Yellow Perch) with distinct ecology were placed in two types of water from the St. Lawrence River (Québec, Canada) with very distinct physicochemical characteristics and at three different temperatures. Water samples were then filtered at predetermined time intervals and quantitative PCR was used to quantify the eDNA in each sample. We found that temperature, species, water types, and some interactions between these factors hada strong effect on the production and degradation of eDNA. The results of this study enhance our knowledge about the ecology of eDNA, thus improving eDNA data interpretation.

L’aquaculture est à la base de l’alimentation de nombreux pays orientaux où la demande croît constamment. Afin de répondre aux besoins alimentaires de la population, les aquaculteurs doivent souvent élever le poisson dans des conditions extrêmes et stressantes pour l’animal. Conséquemment, le système immunitaire des poissons est diminué et les infections bactériennes deviennent fréquentes. Plusieurs traitements antibactériens sont à la disposition des aquaculteurs, mais ceux-ci sont rarement souhaitables comme ils ont souvent une faible efficacité ou peuvent stresser davantage les individus élevés. Ainsi, l’investigation de nouveaux agents antibactériens potentiels est cruciale. La communauté scientifique s’est éveillée dans les dernières années aux propriétés antibactériennes, antifongiques et antivirales des huiles essentielles et de leurs composantes. Dans la présente étude, neuf composantes retrouvées dans différentes huiles essentielles ont été évaluées face à quatre des agents pathogènes les plus répandus en aquaculture, soit Aeromonas salmonicida, Flavobacterium columnare, Streptococcus iniae et Vibrio parahaemolyticus. La concentration minimale inhibitrice des neuf molécules a été déterminée, démontrant la cinnamaldéhyde comme étant le meilleur agent antibactérien parmi celles-ci. Des combinaisons de molécules ayant inhibé la croissance bactérienne n’ont pas démontré d’effet synergique lorsque combinées ensemble. La microscopie électronique à transmission a été utilisée pour observer les altérations visibles de la membrane bactérienne et des structures extracellulaires chez S. iniae après exposition à la cinnamaldéhyde. Aucune différence visible n’était observable entre les bactéries exposées et non exposées à la cinnamaldéhyde. La capacité de la cinnamaldéhyde à inhiber la formation de biofilm a été évaluée par coloration au cristal violet. Les résultats observés suggèrent que cette molécule peut affecter négativement la formation de biofilm de certaines bactéries à l’étude. À la lumière des résultats de cette étude, la cinnamaldéhyde semble être un agent antibactérien d’intérêt dans le traitement ou la prévention d’infections bactériennes en aquaculture.