Les symbioses eucaryotes/micro-organismes constituent une importante source d'innovation évolutive et de diversité écologique. Ces associations sont très répandues chez les insectes, en particulier chez les insectes parasitoïdes (insectes parasites d'autres insectes) qui hébergent en particulier une grande diversité de virus transmis verticalement. Leurs effets directs sur les parasitoïdes ainsi que les effets indirects sur la structure des communautés sont à l'heure actuelle mal compris. Nous avons abordé ces questions au travers l'étude d'un virus héritable (LbFV) ayant la particularité de manipuler le comportement de superparasitisme de son hôte, l'hyménoptère parasitoïde de drosophiles Leptopilina boulardi. La mise au point d'un outil moléculaire diagnostic de l'infection nous a permis de montrer que ce virus, spécifique à L. boulardi, peut atteindre de fortes prévalences dans les populations d'hôtes. Nous avons également mis en évidence un effet de la présence du virus sur les interactions compétitives interspécifiques au sein de la communauté des parasitoïdes de drosophiles. L'approche intégrée de ce travail constitue une étape importante dans la connaissance du rôle des virus héritables sur l'écologie et l'évolution de leurs hôtes

Parmi les arthropodes, les tiques sont les plus importants vecteurs de pathogènes en termes de diversité et sont la première cause de transmission de maladies vectorielles en Europe et Amérique du Nord. Si ces pathogènes font l'objet de nombreux travaux, les tiques hébergent aussi d'autres symbiotes qui contribuent de manière importante à leur phénotype. Au cours des dernières années, de nombreuses bactéries symbiotiques ont ainsi été recensées chez les tiques. Parmi celles-ci des bactéries présentant une forte homologie avec Coxiella burnetii ont été découvertes. Contrairement à C. burnetii, l'agent responsable de la fièvre Q, les Coxiella-like endosymbiotiques (Coxiella-LE) ne semblent pas capables d'infecter d'autres hôtes que les tiques. Elles font partie des symbiotes à transmission maternelle les plus répandus chez les espèces de tiques et pourraient jouer un rôle important dans la biologie de ces arthropodes. Des premiers éléments suggèrent en effet, que les Coxiella-LE pourraient avoir un rôle nutritionnel en synthétisant vitamines B et cofacteurs absents de l'alimentation de leur hôte tique. Pour comprendre les relations entretenues entre les Coxiella-LE et leurs hôtes je me suis intéressé,au cours de mes travaux de thèse, a l'évolution du genre Coxiella. Pour cela des approches d'analyses phylogénétiques et de génomique comparative ont été utilisées. J'ai ainsi participe à l'établissement de la phylogénie du genre Coxiella par Multi-Locus Sequence Typing (MLST), qui a permis de mettre en évidence la diversité de ce genre bactérien. De manière intéressante C. burnetii émerge au sein d'un de ces clades de bactéries endosymbiotiques de tiques, ce qui semble témoigner d'une récente transition vers la pathogénie. Nous avons séquencé deux nouveaux génomes de Coxiella-LE afin de réaliser une étude de génomique comparative. Tous les génomes de Coxiella étudiés, y compris ceux de C. burnetii, possèdent les gènes nécessaires à la biosynthèse des vitamines B et des cofacteurs, retrouvés habituellement chez les symbiotes nutritionnels d'arthropodes hématophages. Cette découverte renforce l'idée d'un rôle important des Coxiella-LE pour leur hôte tique et, d'après la phylogénie, l'ancêtre commun de ces bactéries serait donc un endosymbiote mutualiste de tique. Pourtant des traces de gènes impliqués dans la virulence de Coxiella burnetii ont été retrouvées dans des génomes appartenant à des clades distincts de Coxiella-LE, ce qui semble plutôt indiquer des pertes récurrentes de la virulence. De plus, différents niveaux d'érosion génomique sont retrouvés dans les génomes de Coxiella-LE étudiés, ce qui indiquerait de fréquents transferts d'hôtes. De tels transferts expliqueraient l'absence de co-cladogenese entre la phylogénie des Coxiella-LE et celle de leur hôte, une caractéristique originale pour un symbiote qui semble obligatoire. Par ailleurs, plusieurs symbiotes à transmission maternelle peuvent être retrouvés chez les tiques, le deuxième axe de ma thèse s'intéresse à l'impact de ces co-infections. Pour cela une population de tiques appartenant à l'espèce Dermacentor marginatus a été étudiée. Cette espèce est, en effet, fréquemment infectée par des bactéries Coxiella-LE, Rickettsia et Spiroplasma et différents statuts d'infection peuvent être observés chez les individus. Aucune compétition n'a été démontrée entre ces bactéries, puisqu’aucune n'interfère avec la transmission et la densité des autres. Néanmoins, en cas de triple infection, la valeur adaptative des hôtes est fortement diminuée avec une réduction importante de leur taille (10%). La transmission verticale de ces symbiotes n'étant pas complète, il devient alors difficile de comprendre comment ces bactéries atteignent de si fortes prévalences au sein de la population avec des coûts associés aussi importants [etc…] / Among arthropods, ticks are the most important vectors of pathogens in terms of diversity and are the leading cause of transmission of vector-borne diseases in Europe and North America. While these pathogens are the most studied, ticks also harbor other symbionts that contribute significantly to their phenotype. Recently many symbiotic bacteria have been described in ticks. Among them, bacteria exhibiting strong homology with Coxiella burnetii have been discovered. Unlike C. burnetii, the causative agent of Q fever, Coxiella-Like Endosymbiont (Coxiella-LE) seems unable to infect other hosts than ticks. They are among the most widespread maternally-inherited symbionts in tick species and could play an important role in their biology. Coxiella-LE may indeed have a nutritional role by synthesizing B vitamins and cofactors absent from their host's diet. To understand the interaction between Coxiella-LE and their hosts, my thesis work focused on the evolution of the Coxiella genus. For this purpose, phylogenetic analyzes and comparative genomic approaches have been carried out. I have participated in the establishment of the phylogeny of the Coxiella genus by Multi-Locus Sequence Typing (MLST), which highlights the diversity of this bacterial genus. Interestingly C. burnetii emerges within one of these clads of tick endosymbiotic bacteria, which may suggest a recent transition towards pathogenicity. Two new genomes of Coxiella-LE were sequenced to perform comparative genomic analyses. All Coxiella genomes studied, including those of C. burnetii, possess the genes encoding for the biosynthesis of B vitamins and cofactors, as usually found in nutritional symbionts of blood-sucking arthropods. This result strengthens the idea of an important role of Coxiella-LE for their host ticks and, according to the phylogeny, the common ancestor of these bacteria was therefore a mutualistic tick endosymbiont. However, traces of genes involved in the virulence of C. burnetii have been found in genomes belonging to distinct clads of Coxiella-LE, which rather indicate recurrent losses of virulence. Moreover, different levels of genomic erosion are found in the genomes of Coxiella-LE studied, which could indicate different transitions towards the mutualistic way of life. Such recurrent transfers would explain the absence of cocladogenesis between Coxiella-LE and their host phylogeny, an uncommon feature for an obligatory symbiont. As several maternally-inherited symbionts can be found in ticks, the second axis of my thesis has focused on the impact of co-infections. For this purpose, a population of ticks belonging to the species Dermacentor marginatus was studied. This species is frequently infected with Coxiella-LE, Rickettsia and Spiroplasma bacteria and different infection status can be observed in individuals from a single population. No competition has been demonstrated between these bacteria, since none interferes with the transmission and density of the others. However, in case of triple infection, the fitness of the host appears greatly reduced with a significant reduction in size (10%). Since vertical transmission of these symbionts is incomplete, understanding how these symbionts and co-infections are maintained despite this significant cost remains an open question. If the symbiotic strategies of these symbionts are still unknown, it is likely that their transmission is not only maternal, but also horizontal [etc…]

Les symbioses eucaryotes/micro-organismes constituent une importante source d’innovation évolutive et de diversité écologique. Ces associations sont très répandues chez les insectes, en particulier chez les insectes parasitoïdes (insectes parasites d’autres insectes) qui hébergent en particulier une grande diversité de virus transmis verticalement. Leurs effets directs sur les parasitoïdes ainsi que les effets indirects sur la structure des communautés sont à l’heure actuelle mal compris. Nous avons abordé ces questions au travers l’étude d’un virus héritable (LbFV) ayant la particularité de manipuler le comportement de superparasitisme de son hôte, l’hyménoptère parasitoïde de drosophiles Leptopilina boulardi. La mise au point d’un outil moléculaire diagnostic de l’infection nous a permis de montrer que ce virus, spécifique à L. boulardi, peut atteindre de fortes prévalences dans les populations d’hôtes. Nous avons également mis en évidence un effet de la présence du virus sur les interactions compétitives interspécifiques au sein de la communauté des parasitoïdes de drosophiles. L’approche intégrée de ce travail constitue une étape importante dans la connaissance du rôle des virus héritables sur l’écologie et l’évolution de leurs hôtes / Eukaryots/microorganisms symbiosis is an important source of evolutionary novelty and ecological diversification. These associations are widespread in insects, particularly in parasitoids (insects that parasitize other insects) where a broad diversity of vertically transmitted viruses are found. However, their direct and indirect effects on host community are poorly understood. In this thesis, we used a system involving a Drosophila parasitoid, Leptopilina boulardi and a heritable virus LbFV that manipulates the behaviour of the parasitoid by increasing its tendency to lay eggs in a host that is already parasitized (superparasitism). Using a viral molecular marker developed in this work, we showed very high prevalences of the virus in L. boulardi populations. Additionally, we found a strong effect of the virus on interspecific competition in the Drosophila parasitoid community. The integrative approach of this work is an important step in understanding the role of heritable viruses in parasitoid ecology and evolution

La compréhension des interactions qui associent les plantes et les microorganismes du sol est une étape incontournable pour une gestion durable de nos écosystèmes notamment en agriculture. Parmi les services écosystémiques résultant de leurs interactions, on peut citer la productivité végétale répondant, en partie, aux besoins alimentaires de la population mondiale et la régulation des cycles biogéochimiques. Les services écosystémiques, qui émergent de telles interactions, reposent sur des liens trophiques pouvant être représentés par un compromis entre coûts et bénéfices pour les différents partenaires de l’interaction. Les plantes, organismes autotrophes ou producteurs primaires, sont des organismes clefs qui font entrer le carbone dans l’écosystème, via la photosynthèse. Une partie de ce carbone est libérée sous forme de molécules plus ou moins complexes, au niveau de leurs racines, par le processus de rhizodéposition. Ces composés servent de molécules signal et de nutriments pour les microorganismes du sol, essentiellement hétérotrophes, c’est l’effet rhizosphère. Ce processus est donc coûteux pour la plante mais bénéfique aux microorganismes. Les microorganismes contribuent, en retour, à la nutrition et la santé des plantes ce qui est coûteux mais leur assure une source bénéfique de nutriments. Ces échanges trophiques reposent néanmoins sur un équilibre dépendant des conditions biotiques et abiotiques qui affectent chaque partenaire. La biodiversité microbienne, de par la multitude d’interactions au sein des communautés microbiennes, est un facteur biotique important. Parmi les facteurs abiotiques, le contexte environnemental actuel, soumis aux changements globaux, est propice à une déstabilisation de ces interactions. L’objectif de ce travail est donc de comprendre comment vont varier les coûts et bénéfices, pour chaque partenaire, suite à des modifications de l’environnement affectant l’un ou l’autre. L’intérêt étant de savoir si les bénéfices pour les plantes et les microorganismes, qui permettent les services écosystémiques, seront affectés. Pour répondre à cet objectif, un cadre d’interaction plantes-microbes simplifié a été choisi et une déstabilisation, au niveau de la plante, a été effectuée au moyen d’une augmentation en CO2 atmosphérique. L’interaction entre Medicago truncatula et Pseudomonas fluorescens a ainsi été étudiée. Les interactions ont ensuite été complexifiées en utilisant une communauté microbienne dans son ensemble et, cette fois, la modification a été appliquée au compartiment microbien soumis à une dilution de sa diversité. L’effet du gradient de diversité microbienne obtenu a été mesuré sur la croissance et la reproduction de trois espèces végétales modèles (Medicago truncatula, Brachypodium distachyon et Arabidopsis thaliana). Enfin, l’analyse s’est focalisée sur la communauté microbienne en identifiant la part active, c'est-à-dire les microorganismes qui utilisent les composés libérés par la plante. Ces microorganismes, qui interagissent réellement avec la plante, ont été détectés grâce à une analyse ADN SIP utilisant l’isotope 13C. Les principaux résultats observés, que la modification affecte l’un ou l’autre des partenaires, sont une déstabilisation des coûts et bénéfices. La première étude montre une variation temporaire des interactions en faveur de la plante en condition de CO2 augmenté. Dans le cas d’une dilution de la diversité microbienne, les coûts pour la plante sont conditionnés par la dépendance naturelle des plantes vis-à-vis des microorganismes symbiotiques qui interagissent avec le reste de la communauté. Cela est confirmé par la dernière expérimentation qui met en évidence les interactions microbes-microbes qui conditionnent la structure de la communauté microbienne interagissant avec la plante. [...] / Understanding the interactions that bind plants and soil microorganisms is an essential step for the sustainable management of ecosystems, especially in agriculture. The ecosystem services resulting from such interactions include plant productivity which responds, in part, to the food requirements of the world's population and the regulation of biogeochemical cycles. These ecosystem services depend on trophic links between the two partners in the interaction and can be represented by a tradeoff between the costs and benefits for each partner. Plants, being autotrophic organisms or primary producers, are key organisms which introduce carbon into the ecosystem, through photosynthesis. Part of this carbon is released as more or less complex molecules at the roots level, thanks to the rhizodeposition process. These compounds act as signal molecules and nutrients for soil microorganisms, which are mainly heterotrophic, in the so-called rhizosphere effect. This process is costly for the plant but beneficial to the microorganisms. In return, microorganisms contribute to plant nutrition and health, which is costly but provides them with a beneficial source of nutrients. These trophic exchanges, however, are based on a balance which depends on the biotic and abiotic conditions that affect each partner. Microbial biodiversity, through the multitude of interactions occurring within microbial communities, is a significant biotic factor. Among the abiotic factors, the current environmental context, subject to global change, is tending to destabilize these interactions. The objective of this work was to understand how environmental changes affect the costs and benefits for each partner by applying changes to one or the other, the aim being to determine whether these changes would affect the benefits for plants and microorganisms that provide ecosystem services. To achieve this objective, a simplified framework for plants-microbes interaction was first chosen. Destabilization at the plant level was carried out by increasing the atmospheric CO2 and studying the interaction between Medicago truncatula and Pseudomonas fluorescens. The interactions were then made more complex by using a whole microbial community but this time the change was applied to the microbial compartment by subjecting it to diversity dilution. The effect of the resulting microbial diversity gradient was measured on the growth and reproduction of three model plant species (Medicago truncatula, Brachypodium distachyon and Arabidopsis thaliana). Finally, the microbial community was subjected to a DNA SIP analysis, with the isotope 13C, to identify the active portion, i.e., those microorganisms which really interacted with the plant and used compounds released by it. The main result, when the change affected one or other partner, was a destabilization of the costs and benefits. The first study showed a transient variation in the interactions in favour of the plant under increased CO2 conditions. In the case of a dilution of microbial diversity, the costs for the plant are conditioned by the natural dependency of plants on symbiotic microorganisms that interact with the rest of the community. This was confirmed by the last experiment that highlighted the between-microbes interactions which determined the composition of the microbial community that interacted with the plant. This work has helped to clarify the functioning of relationships between plants and soil microbes and the factors that contribute to their maintenance which is essential to the functioning of ecosystems. These studies also provide ways for predicting the impacts of global change on ecosystems. The conservation or restoration of ecosystem services is essential for human well-being

Lors de cette thèse, je me suis intéressée aux modèles et aux algorithmes pour étudier l'histoire évolutive commune des hôtes et des symbiotes. Le premier objectif était d'analyser la robustesse des méthodes de réconciliation des arbres phylogénétiques, qui sont très utilisées dans ce type d'étude. Celles-ci associent (ou lient) un arbre, d'habitude celui des symbiotes, à l'autre, en utilisant un modèle dit basé sur des évènements. Les évènements les plus utilisés sont la cospéciation, la duplication, le saut et la perte. Les phylogénies des hôtes et des symbiotes sont généralement considérés comme donnés, et sans aucune erreur. L'objectif était de comprendre les forces et les faiblesses du modèle parcimonieux utilisé et comprendre comment les résultats finaux peuvent être influencés en présence de petites perturbations ou d'erreurs dans les données en entrée. Ici deux cas sont considérés, le premier est le choix erroné d'une association entre les feuilles des hôtes et des symbiotes dans le cas où plusieurs existent, le deuxième est lié au mauvais choix de l'enracinement de l'arbre des symbiotes. Nos résultats montrent que le choix des associations entre feuilles et le choix de l'enracinement peuvent avoir un fort impact sur la variabilité de la réconciliation obtenue. Nous avons également remarqué que l'evènement appelé “saut” joue un rôle important dans l'étude de la robustesse, surtout pour le problème de l'enracinement. Le deuxième objectif de cette thèse était d'introduire certains evènements peu ou pas formellement considérés dans la littérature. L'un d'entre eux est la “propagation”, qui correspond à l'invasion de différents hôtes par un même symbiote. Dans ce cas, lorsque les propagations ne sont pas considérés, les réconciliations optimales sont obtenues en tenant compte seulement des coûts des évènements classiques (cospeciation, duplication, saut, perte). La nécessité de développer des méthodes statistiques pour assigner les coûts les plus appropriés est toujours d'actualité. Deux types de propagations sont introduites : verticaux et horizontaux. Le premier type correspond à ce qu'on pourrait appeler aussi un gel, à savoir que l'évolution du symbiote s'arrête et “gèle” alors que le symbiote continue d'être associé à un hôte et aux nouvelles espèces qui descendent de cet hôte. Le second comprend à la fois une invasion, du symbiote qui reste associé à l'hôte initial, mais qui en même temps s'associe (“envahit”) un autre hôte incomparable avec le premier, et un gel par rapport à l'évolution des deux l'hôtes, celui auquel il était associé au début et celui qu'il a envahi. Nos résultats montrent que l'introduction de ces evènements rend le modèle plus réaliste, mais aussi que désormais il est possible d'utiliser directement des jeux de données avec un symbiote qui est associé plusieurs hôtes au même temps, ce qui n'était pas faisable auparavant / In this Ph.D. work, we proposed models and algorithms to study the common evolutionary history of hosts and symbionts. The first goal was to analyse the robustness of the methods of phylogenetic tree reconciliations, which are a common way of performing such study. This involves mapping one tree, most often the symbiont’s, to the other using a so-called event-based model. The events considered in general are cospeciation, duplication, host switch, and loss. The host and the symbiont phylogenies are usually considered as given and without any errors. The objective here was to understand the strengths and weaknesses of the parsimonious model used in such mappings of one tree to another, and how the final results may be influenced when small errors are present, or are introduced in the input datasets. This may correspond either to a wrong choice of present-day symbiont-host associations in the case where multiple ones exist, or to small errors related to a wrong rooting of the symbiont tree. Our results show that the choice of leaf associations and of root placement may have a strong impact on the variability of the reconciliation output. We also noticed that the host switch event has an important role in particular for the rooting problem. The second goal of this Ph.D. was to introduce some events that are little or not formally considered in the literature. One of them is the spread, which corresponds to the invasion of different hosts by a same symbiont. In this case, as when spreads are not considered, the optimal reconciliations obtained will depend on the choice made for the costs of the events. The need to develop statistical methods to assign the most appropriate ones therefore remains of actuality. Two types of spread are introduced: vertical and horizontal. The first case corresponds to what could be called also a freeze in the sense that the evolution of the symbiont “freezes” while the symbiont continues to be associated with a host and with the new species that descend from this host. The second includes both an invasion, of the symbiont which remains with the initial host but at the same time gets associated with (“invades”) another one incomparable with the first, and a freeze, actually a double freeze as the evolution of the symbiont “freezes” in relation to the evolution of the host to which it was initially associated and in relation to the evolution of the second one it “invaded”. Our results show that the introduction of these events makes the model more realistic, but also that it is now possible to directly use datasets with a symbiont that is associated with more than one host at the same time, which was not feasible before