Tesis sobre el tema "Trait génomique"

Les nombreuses différences qui existent entre les organismes illustrent que le processus de variation est un phénomène universel en biologie. Ces variations sont particulièrement observables chez les espèces sexuées, entre mâles et femelles. Comprendre les différents facteurs biologiques, environnementaux et génétiques, à l'origine de ce dimorphisme sexuel est le cœur de mon sujet de thèse. Pour cela, j’ai établi un nouveau modèle d'étude, l’insecte semi-aquatique Microvelia longipes. Ces insectes ont évolué un dimorphisme sexuel spectaculaire où les mâles présentent une croissance extrême et hypervariable spécifiquement au niveau de la troisième paire de pattes. Pour étudier ce phénomène, nous avons, en premier lieu, émis l’hypothèse que cette croissance exagérée était associée à des pressions de sélection sexuelle. Nous avons mis en évidence la présence de compétition intense entre males, qui utilisent leurs pattes arrière comme arme, pour s’accoupler avec les femelles. Les males à pattes plus longues gagnent souvent dans ces combats, expliquant l’importance adaptative de ces pattes exagérées chez les mâles. De plus, nous montrons que l’intensité que mettent les mâles à se battre est associée aux variations de taille de pattes chez les mâles, de la même espèce ou d’espèces différentes. Nous avons également développé un génome et une approche transcriptomique comparant les sexes et les pattes afin d’identifier les gènes responsables de cette croissance exagérée. Ceci a permis de dresser une liste de gènes dont l’expression corrèle avec l’exagération de la croissance des pattes chez les mâles et d’identifier des régions génomiques associées à la sélection sexuelle
From the DNA molecule to the more complex phenotypes, variation is a universal process in life and living organisms. The innumerable differences that exist between species are probably one of the most manifest examples. Yet, all this diversity would never have occurred in nature without some pre-existing divergence within species. One of the most striking examples of intraspecies variation appears in sexual organisms, between males and females. Understanding the environmental and genetic factors influencing sexual divergence is a longstanding question in evolutionary biology. To this end, I focus here on a new insect model system, Microvelia longipes, which has the particularity to have evolved an extreme case of sexual dimorphism in the rear legs. Males display exaggerated long rear legs compared to females but also an extreme variability in these leg lengths from one male to another. We identified that M. longipes males use their exaggerated legs as weapons during male-male competition. Males with longer legs have more chance to access females on egg-laying sites and therefore increase their reproductive success. Moreover, fitness assays and comparative studies between Microvelia species revealed that the intensity of male competition was associated with the exaggeration and hypervariability of the rear legs in M. longipes males. In a second approach, we studied the developmental and genomic basis of this sexual dimorphism through a comparative transcriptomic analysis and identified genes and genomic regions associated with male exaggerated legs and ultimately with sexual selection. Overall, the integrative approach used in this work allows to establish Microvelia longipes as a promising new model system to study the influence of sexual selection in adaptive evolution

Les microbes sont affectés par les perturbations environnementales qui affectent la stabilité fonctionnelle des communautés microbiennes. Cependant, leurs réponses sont complexes, difficiles à élucider et les mécanismes de la stabilité fonctionnelle sont encore mal compris. Dans cette thèse, j'ai étudié les réponses microbiennes aux perturbations environnementales, des populations uniques aux communautés complexes. Dans le cas d'une population unique, nous avons étudié la réponse transcriptionnelle de populations bactériennes uniques dont la niche varie le long d'un gradient environnemental. Pour aborder les conséquences des perturbations au niveau de la communauté, nous avons établi et testé un protocole de cryoconservation de communautés microbiennes complexes afin d'améliorer la reproductibilité des études expérimentales avec des assemblages de communautés microbiennes aquatiques naturelles comme sources d'inoculum. En outre, nous avons exposé expérimentalement des communautés microbiennes aquatiques complexes à des perturbations pulsées afin d'étudier les conséquences de ces perturbations sur les changements structurels de la communauté et les paramètres fonctionnels généraux, tels que l'efficacité de la croissance bactérienne. Enfin, nous avons inspecté plus en détail les conséquences des perturbations pulsées sur les processus impliqués dans le cycle de l'azote. Au cours de cette thèse, je me suis particulièrement intéressé aux isolats et aux communautés provenant d'habitats aquatiques côtiers qui fournissent d'importants services écosystémiques
Microbes are impacted by environmental disturbances affecting the functional stability of microbial communities. However, their responses are complex, difficult to elucidate and the mechanics of functional stability are still poorly understood. In this thesis, I investigated microbial responses to environmental disturbances from single populations to complex communities. For the single population approach, we addressed the transcriptional response of single bacterial populations with varying niche breadths along an environmental gradient. To address the consequences of disturbances at the community level, we have established and tested a protocol for cryopreserving complex microbial communities to improve the replicability of experimental studies with natural microbial aquatic community assemblies as inoculum sources. Furthermore, we have experimentally exposed complex aquatic microbial communities to pulsed disturbances to study the consequences of such disturbances on community structural changes and broad functional parameters, such as bacterial growth efficiency. Finally, we have inspected in more detail the consequences of pulsed disturbances on processes involved in nitrogen cycling. During this thesis, I particularly focused on isolates and communities that originated from coastal aquatic habitats that provide important ecosystem services

La spéciation est le processus évolutif au cours duquel une espèce se scinde en deux lignées qui divergent en accumulant des barrières reproductives, jusqu'à l’acquisition d’un isolement reproductif total. Durant ce processus, les lignées divergentes peuvent toujours s’échanger des gènes par hybridation, mais le flux génique est progressivement limité par l’accumulation des barrières. Il en résulte une semi-perméabilité des génomes, où certains locus s’échangent librement entre lignées et restent indifférenciés tandis que d’autres n’introgressent pas, contribuant ainsi à l’établissement de régions génomiques divergentes, appelées îlots génomiques de spéciation. L'étude de l’établissement, l’accumulation, l’érosion et la maintenance de ces barrières et de leurs effets sur la semiperméabilité des génomes de lignées en cours de spéciation permet de comprendre comment de nouvelles espèces se forment. L'avènement des techniques de séquençage à haut débit a permis de caractériser le paysage génomique de divergence chez de multiples lignées en cours de spéciation à travers l’arbre du vivant. Ces études ont permis de mesurer l’influence de l’histoire démographique et de l’architecture génomique comme déterminants majeurs du paysage génomique de divergence. Toutefois, d'autres facteurs pourraient intervenir et expliquer la diversité des trajectoires évolutives pouvant conduire ou non à la spéciation. Le principal objectif de cette thèse est d'évaluer l'impact des traits d'histoire de vie des espèces sur la spéciation. Nous avons choisi d’étudier 20 espèces de poissons marins subdivisées en deux lignées (Atlantique et Méditerranéenne), et présentant une large diversité de niveaux de divergence et de traits d’histoire de vie. Dans le premier chapitre, nous avons étudié les déterminants de la diversité génétique, substrat sur lequel s’établit la divergence lors de la séparation initiale des lignées. Nous avons observé que la longévité adulte des po issons marins est corrélée négativement à la diversité génétique, et nous avons démontré que cette relation pouvait s’expliquer par une plus grande variance du succès reproducteur chez les espèces longévives à cause de stratégies reproductives particulières aux poissons marins (forte mortalité juvénile, faible mortalité adulte et augmentation de la fécondité avec l’âge). Puis, dans un second chapitre, nous avons détecté une grande diversité d’histoires évolutives entre espèces, caractérisée par un fort gradient de divergence génétique entre lignées atlantiques et méditerranéennes. Ce gradient reflète en partie le niveau de semi-perméabilité des génomes. Les espèces à faible différentiation présentent un isolement reproductif faible, alors que les espèces les plus fortement différenciées montrent un isolement reproductif quasi-complet. Les traits d’histoire de vie des espèces expliquent en partie cette diversité de niveaux d’isolement via différents mécanismes. La durée de vie larvai re influence négativement la différenciation génétique en modulant les capacités de dispersion, l’effet de la taille du corps indique un effet négatif de l’abondance long-terme sur la divergence, et la longévité semble impacter le nombre de générations écoulées depuis la séparation ancestrale. En conclusion, les 20 espèces étudiées présentent une variabilité surprenante d’histoires évolutives au regard des similitudes de leur histoire biogéographique et leur architecture génomique. Les relations entre traits d’histoire de vie et histoire évolutive des espèces sont complexes, mais nous avons pu éclairer certaines d’entre elles en décomposant l’implication des traits dans les différentes étapes de la spéciation. L’application de l’approche de génomique comparative développée au cours de cette thèse dans d’autres zones de suture permettra d’étendre nos connaissances des déterminants du tempo et du mode de la spéciation
Speciation is the evolutionary process through which a species splits into two lineages that diverge and accumulate reproductive barriers, until complete reproductive isolation is achieved. During this process, the diverging lineages can still exchange genes by hybridisation, but gene flow is progressively restricted by the accumulation of barriers. This results in semi-permeable genomes, whereby some loci exchange freely between lineages and remain undifferentiated while others do not introgress, thus contributing to the establishment of divergent genomic regions, called genomic islands of speciation. The study of the establishment, accumulation, erosion and maintenance of these barriers and their effects on the semipermeability of the genomes of lineages undergoing speciation helps to understand how new species are formed. The advent of high-throughput sequencing techniques has made it possible to characterise the genomic landscape of divergence in multiple lineages undergoing speciation across the tree of life. These studies have shown the influence of the demographic history and genomic architecture as major determinants of the genomic landscape of divergence. However, other factors could intervene and explain the diversity of evolutionary trajectories that may or may not lead to speciation. The main objective of this thesis is to assess the impact of species' life history traits on speciation. We have chosen to study 20 marine fish species subdivided into two lineages (Atlantic and Mediterranean), and presenting a wide diversity of degrees of divergence and life history traits. These traits are thought to impact on the intensity of genetic drift, dispersal abilities and generation time of the species. In the first chapter, we studied the determinants of genetic diversity, the substrate on which divergence is built during the initial separation of lineages. We observed that adult longevity of marine fishes is negatively correlated w ith genetic diversity, and we demonstrated that this relationship could be explained by a greater variance in reproductive success in long-lived species due to reproductive strategies specific to marine fishes (high juvenile mortality, low adult mortality and increased fecundity with age). Then, in a second chapter, we discovered a great diversity of evolutionary histories between species, characterised by a strong gradient of genetic divergence between Atlantic and Mediterranean lineages. This gradient partly reflects the level of semi-permeability of the genomes. Species with low differentiation show low reproductive isolation, whereas the most highly differentiated species show almost complete reproductive isolation. Species' life history traits partly explain this diversity in isolation levels via different mechanisms. Larval duration negatively influences genetic differentiation by modulating dispersal capacities, the effect of body size indicates a negative effect of long-term abundance on divergence, while longevity seems to impact the number of generations elapsed since ancestral separation. In conclusion, the 20 species studied show a surprising variability of evolutionary histories considering the similarities of their biogeographic history and genomic architecture. The relationships between life-history traits and the evolutionary history of the species proved to be complex, but we were nevertheless able to shed light on some of them by decomposing the involvement of traits in the different stages of speciation. The application of the comparative genomics approach developed in this thesis to other suture zones will further extend our knowledge of the determinants of the tempo and mode of speciation

La mise en place de la sélection génomique rend possible l’inclusion de nouveaux caractères dans les objectifs de sélection, en profitant des marges offertes par l’augmentation du progrès génétique sur les caractères historiques. En parallèle, les attentes des éleveurs, de la société et des filières orientent la sélection génétique vers des objectifs plus larges et complexes. Deux groupes de nouveaux caractères ont été analysés dans le cadre de l’amélioration génétique des bovins laitiers : les caractères de carcasse des jeunes bovins de races mixtes et les caractères de résistance aux lésions podales en race Holstein, afin de préparer la mise en place d’une sélection génétique et génomique de ces caractères. Pour ces deux caractères, les modèles d’évaluation polygénique les plus pertinents ont été développés et les paramètres génétiques correspondant ont été estimés. Ces derniers révèlent que la sélection génétique des caractères de carcasse des jeunes bovins sera relativement aisée, alors que celle de la résistance aux lésions podales sera plus difficile, mais possible, du fait de l’existence d’une variabilité génétique. Ils mettent également en évidence qu’un progrès génétique sur les caractères de carcasse des jeunes bovins n’est pas génétiquement opposé à un progrès génétique sur la production laitière. Ils mettent enfin en évidence deux groupes de lésions podales génétiquement distinctes. Par ailleurs, plusieurs stratégies pour prendre en compte la nonexhaustivité des données de lésions podales ont été testées. Plusieurs approches d’évaluation ont été comparées. Pour les deux groupes de caractères, l’approche dite « Single-Step Genomic BLUP » s’est révélée la plus prometteuse, même si les autres approches génomiques « en deux étapes », donnaient des résultats aux caractéristiques relativement proches. Ces études ont mené à la mise en place d’évaluations génétiques et génomiques en routine pour les deux groupes de caractères, pour lesquelles les méthodes d’évaluation classiques ont été retenues par souci de cohérence avec les évaluations actuelles, tout en démontrant l’intérêt d’une évolution vers l’approche en une étape à moyen terme. Les principales questions soulevées et les grandes étapes identifiées lors des études de ces deux caractères ont été rassemblées au sein d’une ébauche de méthodologie pour le développement d’évaluations génétiques pour de nouveaux caractères
The implementation of genomic selection makes possible the inclusion of new traits in breeding goals, by taking advantage of the opportunities coming from the increased genetic trend on traits currently under selection. Breeders, breeding companies and society all have changing expectations regarding genetic selection. Two groups of new traits were analyzed in the context of genetic improvement of dairy cattle: carcass traits of young bulls in dual-purpose breeds and claw health traits in Holstein, in order to prepare the implementation of genetic and genomic selection on these traits. For both sets of traits, suitable genetic evaluation models were developed and genetic parameters were estimated. Genetic parameters reveal that genetic selection of carcass traits of young bulls appears to be fairly easy and that selection of claw health traits is going to be more difficult, but possible, given the existing genetic variation. They also highlight that there is no strong negative genetic correlation between carcass traits of young bulls and dairy production traits. Finally, they reveal that there are two genetically distinct groups of claw health traits. Several strategies to account for non-exhaustive recording of cows for trimming were tested. Several evaluation approaches were compared. For both sets of traits, Single-Step Genomic BLUP was the most promising approach, although other (two-step) genomic approaches allowed for relatively similar accuracies and control of bias. These studies led to the implementation of routine genetic and genomic evaluations for both sets of traits, for which a usual two-step genomic approach was preferred over Single-Step Genomic BLUP for consistency with the current evaluation of other traits. However these two examples illustrate the benefit of implementing routine Single-Step Genomic BLUP evaluations. The main questions and principal steps identified in these studies were gathered into tentative guidelines for the development of genetic evaluations for new traits

Des changements de méthylation de l'ADN peuvent affecter l'expression des gènes et pour certains être transmis au travers des générations. De telles " épimutations " qui concernent des groupes de cytosines à proximité ou dans les gènes sont donc une source potentielle de variation phénotypique héritable en absence de changements de la séquence de l'ADN. Chez les plantes la méthylation de l'ADN est cependant principalement observée au niveau des séquences répétées. Il reste à déterminer dans quelle mesure les changements de méthylation au niveau de ce type de séquences peuvent être héritées et affecter les phénotypes. Afin de répondre à ces questions, plus de 500 épiRIL (epigenetic Recombinant Inbred Lines) quasi-isogéniques a été générée chez Arabidopsis thaliana. Cette population a été obtenue par le croisement d'un parent sauvage et d'un parent mutant pour le gène DDM1 présentant une très forte réduction du taux de méthylation de l'ADN. Après un rétrocroisement de la F1 avec une plante sauvage, les individus sauvages pour le gène DDM1 ont été sélectionnés et propagées sur 6 générations par autofécondation. Nous avons montré par l'analyse du méthylome de plus de 100 épiRIL que l'hypométhylation induite par ddm1 présente selon les séquences affectées différents degrés de transmission au travers des générations. La réversion de l'hypométhylation concerne des régions associées à une abondance élevée en sRNA de 24 nt. Nous avons utilisé l'hypométhylation stablement transmise dans les épiRIL induite par ddm1 afin de détecter des QTL (Quantitative Trait Loci) affectant le temps de floraison et la longueur de la racine primaire, deux caractères pour lesquels les variations observées dans les épiRIL présentent une héritabilité importante. En dernier lieu, nous avons recherché par différentes approches les variations causales de ces QTL.

L'élucidation des liens réciproques unissant le génotype et le phénotype constitue un objectif central de la biologie moderne. De nombreux aspects de l'évolution à l'échelle moléculaire sont ainsi connus pour répondre aux caractéristiques démographiques ou d'histoire de vie des espèces. En particulier, la théorie quasi-neutre postule que les petites populations accumulent davantage de substitutions faiblement délétères dans leur génome, en raison d'une dérive génétique accrue. La composition en bases, à travers le mécanisme de la conversion génique biaisée, s'est également révélée obéir à l'influence de paramètres macroscopiques. Cependant, l'élaboration et la vérification empirique de ces théories se sont bien souvent fondées sur une gamme limitée de groupes d'organismes, incluant principalement les mammifères. Dans cette thèse, sur la base de l'étude comparative de plusieurs dizaines de transcriptomes, nous avons étendu à l'échelle des amniotes la compréhension des déterminants des patrons moléculaires observés. Grâce à l'analyse simultanée des principaux clades de reptiles, oiseaux et mammifères, nous avons pu confirmer et généraliser le rôle majeur de la taille efficace des populations sur la capacité des espèces à purger les changements d'amino-acide désavantageux, tout en exhibant un comportement inattendu du ratio dN/dS chez les oiseaux – soulevant au passage une énigme stimulante. La conversion génique biaisée est apparue comme le principal moteur de l'évolution du taux de GC des séquences codantes chez les vertébrés, y compris chez les reptiles et les poissons, dont la composition génomique homogène en avait masqué l'action. En parallèle, l'exploitation des relations entre traits d'histoire de vie et paramètres moléculaires nous a permis de réaliser de nouvelles avancées concernant l'objectif de reconstruction des masses ancestrales, pour lequel nous nous sommes focalisés sur l'ordre des cétartiodactyles, qui se caractérise aujourd'hui par une majorité de grosses espèces (comme le chameau, la girafe ou les cétacés). L'analyse combinée du marqueur mitochondrial, encore jamais testé, et des marqueurs nucléaires, incluant une vingtaine de transcriptomes nouvellement séquencés, a témoigné en faveur du résultat singulier d'un ancêtre cétartiodactyle de petite taille, comme suggéré par la paléontologie, démontrant ainsi le potentiel prometteur des données de séquence à dévoiler le passé des organismes
Understanding the reciprocal influence between genotype and phenotype has been a long-standing goal of modern biology. Many aspects of evolution at the molecular level are well known to respond to demographic or life history characteristics of species. In particular, the nearly-neutral theory postulates that small populations accumulate a heavier load of slightly deleterious substitutions in their genome as a result of increased genetic drift. Base composition has also been shown to reflect the influence of macroscopic parameters through the mechanism of GC-biased gene conversion. However, the development and empirical validation of these theories are mostly based on a restricted diversity of organisms, in which mammals stand as a major contributor. In this thesis, using a comparative approach and tens of transcriptomes, we aimed at extending to Amniota our understanding of the determinants of molecular evolutionary patterns. With the incorporation of all clades of reptiles, we confirmed the major role of the effective population size on species ability to purge deleterious amino-acid changes, while revealing a paradoxical response of the dN/dS ratio in birds, raising a stimulating enigma. The biased gene conversion also emerged as the main driver of coding sequence GC content in vertebrates, including reptiles and fishes, whose genomic homogeneity had kept its signal hidden for long. In parallel, the relations between life-history traits and molecular parameters have enabled us to investigate and make progress in the field of ancestral body mass reconstruction. We focused on the Cetartiodactyla order, a group which is mainly characterized by large extant species (such as camel, giraffe or whales). The combined analysis of the yet untested mitochondrial marker and nuclear genes, including 21 newly sequenced transcriptomes, testified in favor of the singular result of a small cetartiodactyl ancestor, in agreement with the palaeontological record, demonstrating the strong potential of DNA sequences to reveal the past of organisms

Les protocoles de détection de QTL varient selon le modèle étudié, car ils dépendent de nombreux paramètres. Cette thèse s’est intéressée à la façon d’adapter ces protocoles à travers deux exemples de recherches de QTL chez la Poule, en utilisant deux méthodes statistiques différentes : maximum de vraisemblance (MV) et régression linéaire (RL), qui ont été comparées. Dans un premier temps, des QTLs de résistance au portage de salmonelles ont été identifiés, d’effets faibles et dont les positions varient selon la méthode utilisée. Dans un deuxième temps, des QTLs de caractères de digestibilité et d’anatomie du tube digestif ont été identifiés, avec des résultats semblables avec les deux méthodes. De nombreux QTLs d’effets faibles à modérés ont été identifiés. Les résultats de cette thèse montrent que la comparaison des deux méthodes est toujours utile et car dans certaines conditions les résultats obtenus diffèrent entre les deux méthodes
The QTL detection protocols vary depending on the model studied, because they depend on many parameters. This thesis has focused on how to adapt these protocols through two examples of QTL detection in Chicken, using two different statistical methods: maximum likelihood (ML) and linear regression (LR), which results were compared on two examples. Initially, QTLs controlling resistance to Salmonella carrier-state have been identified, of small effects and whose positions vary according to the method. In a second step, QTLs controlling digestibility and anatomy of the gastro-intestinal tract were identified with similar results for both methods. Many QTLs of small to moderate effects were identified. The results of this thesis show that the comparison of the two methods is always helpful as under certain conditions the results may vary with the method

L’étude de la l’adaptation de traits complexes passe par deux approches complémentaires. La première approche vise à décrire les architectures et les bases génétiques de variation naturelle adaptative. La seconde approche, vise à décrire les échelles géographiques de la variation phénotypique et les facteurs écologiques agissant comme pressions de sélection sur le trait étudié. Ces deux approches sont utilisées pour étudier la variation naturelle de traits phénologiques chez Arabidopsis thaliana.Les architectures et les bases génétiques de la variation naturelle de traits phénologiques, phénotypés dans deux environnements, ont été étudiées en tirant avantage de la combinaison ‘genome-wide association (GWA) mapping’ et cartographie de QTL. Cette combinaison a permis de mettre en évidence que les effets alléliques et l’identité des gènes liés à la variation naturelle étaient fortement dépendants de l’environnement et que les populations naturelles pourraient avoir suivi des marches adaptatives différentes. La caractérisation phénologique, écologique et génétique d’un échantillonnage hiérarchique de populations d’A. thaliana a mis en évidence que la variation des traits phénologiques était adaptative à une échelle très locale en réponse à de nombreux facteurs climatiques et édaphiques. Cette double approche génomique - écologie suggère que l’étude des marches adaptatives des populations naturelles d’A. thaliana vers des optimums phénotypiques doit passer par l’étude des architectures et des bases génétiques à différentes échelles géographiques, suivant un dispositif hiérarchisé et que l’estimation de la variation naturelle doit s’effectuer dans des conditions réalistes
Two complementary approaches need to be considered in the study of adaptation. The first approach aims at describing the genetic architectures and the genetic bases of phenotypic variation in order to better understand the adaptive walk followed by natural populations toward a phenotypic optimum. The second approach aims to identify the environmental grain of the ecological factors acting as selective pressures in natural populations. In this work we studied the natural variation of phenological traits in Arabidopsis thaliana. We used a powerful combination of genome wide association (GWA) mapping and traditional QTL mapping to fine map the genetics of phenological traits measured under two environments. This dual mapping strategy revealed a strong environmental dependency of both allelic effect and identity of the genes underlying natural variation, but also that natural A. thaliana populations may have followed different adaptive walks. A. thaliana populations were sampled according a hierarchical geographic pattern and characterized ecologically, phenologically and genetically. This strategy revealed that phenological traits were adaptive to fine-grained environmental conditions defined by both climate and soil conditions. In the study of the adaptive walks followed by A. thaliana natural populations, this two sided approach, combining both genomics and ecology, suggests that the description of the genetic architectures and the identification of causal genes should be performed at different spatial scales, following a hierarchical geographic design, and that phenotypes must be measured in ecologically realistic conditions

La variabilité phénotypique existante au sein d’une population est d’une importance cruciale ; elle permet l’adaptation à de nouvelles conditions par la sélection naturelle de traits bénéfiques. La variabilité phénotypique est le résultat du polymorphisme génétique de chaque individu, couplé à l’influence de divers facteurs environnementaux. Ces travaux ont pour objectif d’élucider quels sont les facteurs génétiques responsables de la variabilité phénotypique de chaque individu afin de comprendre comment celle-ci évolue de génération en génération et peut s’accentuer au-delà des prédispositions parentales. Finalement, les résultats obtenus seront utilisés pour prédire un phénotype à partir d’un génotype inconnu. Nous avons utilisé des techniques de phénomique et de génomique de haut débit pour décomposer avec une précision inédite la variabilité phénotypique d’une large population de souches diploïdes de Saccharomyces cerevisiae. Le génotype exact de plus de 7000 souches uniques a ainsi été obtenu via le croisement et le séquençage de souches haploïdes distinctes. Nous avons mesuré la capacité de croissance de ces souches et identifié les composants génétiques influant sur ce trait. De plus, nous avons identifié des « loci de caractères quantitatifs » additifs et non-additifs, et étudié la fréquence du phénomène d’hétérosis et ses mécanismes. Enfin, en utilisant les données phénotypiques et génotypiques de la même population de levures, nous avons pu prédire les traits de chaque individu avec une presque parfaite exactitude. Ces travaux ont ainsi permis d’identifier avec précision les facteurs génétiques modulant la variation phénotypique d’une population diploïde, et de prédire un trait à partir du génotype et de l’ensemble des données phénotypiques. En plus de ce projet, nous travaillons aussi sur l’identification des bases génétiques à l’origine de la non-viabilité des gamètes, ainsi que sur la compréhension des caractères complexes chez des souches hybrides intra-espèce. De par l’étude de 9000 gamètes séquencés issus de six hybrides différents, nous avons pour objectif de caractériser leur profil de recombinaison et d’observer quelle est l’influence du fond génétique sur ce dernier. De plus, nous avons caractérisé la capacité de croissance de ces gamètes dans neuf conditions environnementales différentes et nous prévoyons de disséquer l’architecture génétique de ces traits dans différents fonds génétiques
The phenotypic variation between individuals in a population is of crucial importance. It allows populations to evolve to novel conditions by the natural selection of beneficial traits. Variation in traits can be caused by genetic or environmental factors. This work endeavors to study the genetic factors that underlie phenotypic variation in order to understand how variation can be created from one generation to the next; to know what genetic mechanisms are most prominent; to learn how variation can extend beyond the parents; and finally, to use this in order to predict phenotypes of unknown genetic constellations. We used large scale phenomics and genomics to give an unprecedented decomposition of the phenotypic variation in a large population of diploid Saccharomyces cerevisiae strains. Constructing phased outbred lines by large scale crosses of sequenced haploid strains allowed us to infer the genetic makeup of more than 7,000 colonies. We measured the growth of these strains and decomposed the phenotypic variation into its genetic components. In addition, we mapped additive and nonadditive quantitative trait loci, we investigated the occurrence of heterosis and its genetic basis, and using the same populations we used phenotypic and genetic data to predict traits with near perfect accuracy. By using the phased outbred line approach, we succeeded in giving a conclusive account of what genetic factors define phenotypic variation in a diploid population, and in accurately predicting phenotypes from genetic and phenotypic data. Beyond the phased outbred line project, I am currently investigating the genetic basis of gamete inviability and complex traits in intraspecies yeast hybrids. Using 9,000 sequenced gametes from six different hybrids we aim to characterize their recombination landscape and how the genetic background influences it. Furthermore, we have phenotyped these gametes in nine conditions and will dissect the genetic architecture of these traits across multiple genomic backgrounds

La vitesse à laquelle les séquences d’ADN évoluent varie selon les espèces. Ces différences peuvent venir de caractéristiques intrinsèques de l’espèce (taux métabolique, traits d’histoire de vie) ou de son environnement (rayonnements ionisants). L’objectif de cette thèse est de tester les principales hypothèses expliquant les variations de taux d’évolution moléculaire entre les espèces. Pour cela, les particularités des Asellidae souterrains ont été couplées avec des données de séquençage nouvelle génération dans le génome nucléaire et le génome mitochondrial. L’utilisation des Asellidae comme modèle biologique nous permet d’avoir, au sein du même groupe, des espèces ayant indépendamment effectuées une transition vers le milieu souterrain. Cette transition étant accompagnée de nombreux changements, tant biologiques (longévité, taux métabolique, temps de génération) qu’environnementaux, elle nous permet, au sein du même groupe, de pouvoir comparer des espèces contrastées en termes de longévité, de taille de populations, de rayonnements ionisants ou encore de productivité et de température. De plus, parce que ces organismes dispersent peu, ils persistent dans le même environnement durant de nombreuses générations, permettant de préciser et de quantifier les facteurs responsables de variations du taux d’évolution moléculaire entre les espèces.Cette approche nous a permis de mettre en évidence un effet du temps de génération sur le taux d’évolution du génome nucléaire mais pas sur le génome mitochondrial. Un effet de la radioactivité naturelle, d’une ampleur analogue à celle du temps de génération a également été mis en évidence. Enfin, l’étude des variations des taux d’évolution moléculaire à une échelle globale a révélée des biais dans les calculs des taux de substitutions qui devront être pris en compte dans les études cherchant a établir le lien entre le taux de mutations et la diversification
The rate at which DNA accumulates substitutions varies widely among species. Rate variations have been imputed to species intrinsic features (metabolic rate, life history traits) or to the environment characteristics (ionizing radiations, selection pressure). The aim of this PhD project was to investigate the main hypotheses explaining variations in the rate of molecular evolution between species. To achieve that, we combined the unique properties of subterranean isopods from the Asellidae family and high-throughput sequencing data from the nuclear and mitochondrial genome. Asellidae species have made multiple independent transitions to subterranean environments where subterranean species have repeatedly evolved a lower metabolic rate, a longer lifespan and a longer generation time. Moreover, because they are poor dispersers, they are exposed to the same environment across many generations, allowing us to compare species with long-term contrasted features in term of life history traits and environmental characteristics. We found that generation time negatively impact the rate of molecular evolution in the nuclear genome whereas the mitochondrial rate remained unchanged. We also found an increase of the mutation rate for species living in naturally highly radioactive environments. Finally, the study of the rate of molecular evolution variation at a global scale brought forward a systematic bias which needs to be taken into account in studying the link between the mutation rate and diversification

Les changements phénotypiques et génétiques consécutifs au processus de domestication et plus largement du passage d'un environnement sauvage aux agro-écosystèmes sont bien décrits chez les espèces végétales. Cependant, l’impact de ces changements de traits d'histoire de vie sur les populations de pathogènes infectant les hôtes domestiqués a jusqu’alors été très peu abordé. En particulier,quelles sont les conséquences sur les traits d’histoire de vie des pathogènes du passage d’un milieu sauvage caractérisé par une grande hétérogénéité d’hôtes à des agro-écosystèmes bien plus denses et homogènes génétiquement? Est-ce que le génome des pathogènes porte des signatures de changements démographiques ou de sélection en relation avec la domestication de leurs hôtes ? Ces questions traitées dans le cadre de la présente thèse ont porté sur le champignon Venturiainaequalis, agent pathogène de la tavelure du pommier, qui partage en Asie Centrale le même centre d’origine que son hôte endémique sauvage Malus sieversii. Les travaux reposent principalement sur 1)l'étude du passage de souches sauvages virulentes sur pommier résistant VF expliquant le contournement rapide de cette résistance et 2)l'étude de génomique des populations et de variations phénotypiques comparant une population de V. inaequalis échantillonnée sur M.sieversii au Kazakhstan, préalablement identifiée comme étant une relique de la population ancestrale, et d'une population Kazakhe de milieu anthropisé. Ces deux populations sont génétiquement différenciées et partiellement isolées reproductivement. L’utilisation des deux méthodes d’inférence l'une l'ABC et l'autre dadi basées sur l’alignement de 10 994 gènes échantillonnés au sein des deux populations révèlent une histoire complexe de contact secondaire, où le champignon aurait dans un premier temps « suivi » la plante hôte à travers le monde au cours de la domestication (modèle de l'hosttracking) puis échangerait à nouveau depuis peu des gènes avec la population ancestrale au Kazakhstan. Cette situation originale de remise en contact secondaire favorisant la mise en évidence d’incompatibilités génétiques, permet à la fois d’envisager de détecter des gènes impliqués dans l’adaptation à l’habitat (pommier cultivé versus Malus sieversii) et dans l’isolement reproductif post-zygotique. L’analyse des 36 génomes séquencés a ainsi permis d’identifier plus de 602 gènes présentant un indice de différentiation (Fst) supérieur à 0,7 autant de gènes verrous faisant potentiellement obstacle aux flux de gènes homogènes entre ces deux populations. Enfin, l’analyse phénotypique de ces deux populations montre que la domestication du pommier a profondément modifié les traits d’histoire de vie de V. inaequalis liés à sa dispersion. L’ensemble de ces analyses a donc permis d’identifier des locus candidats potentiellement impliqués dans des modifications des traits d’histoire de vie, et dans des barrières géniques, en lien avec la domestication du pommier
Phenotypic and genetic changes occurring during the process of domestication are well described in plants. However, the impact of domestication in life history traits of their pathogens has been poorly studied. In particular, what are the consequences on the life history traits of pathogens that switch from the wild habitat characterized by a high host genetic and spatial heterogeneity to a much more dense and genetically homogeneous agroecosystems? Have pathogen’s genomes particular signatures of demographic changes or of selection related to the domestication of their host? Here we focused on the fungus Venturia inaequalis, causal agent of apple scab, that shares in Central Asia the same center of origin of its wild endemic host Malus sieversii. In the first part of this work we retrace evolutionary history of a population from the wild that was responsible for the rapid breakdown of the Vf resistance gene in apple orchards. We then highlight the threat of wild habitat to scab resistance apple cultivars and thus the necessity to take into account the wild in the management of resistance genes. In the second part, a comparative study based on phenotypic and genomic data was carried out between two populations sampled in Kazakhstan on M. sieversii, either in anthropized areas or in non anthropized area, the latter being identified as a relic of the ancestral population of V. inaequalis. These two populations were genetically differentiated and partially reproductively isolated. The use of two methods of inference (ABC and dadi) based on the alignment of 10 994 genes sampled in the two populations revealed a complex history of a secondary contact event. The fungus would have first followed its host worldwide by "Host-tracking" during the domestication process and then very recently it would re-exchange genes with its ancestral population in Kazakhstan. Secondary contact context is particularly favorable to detect genetic incompatibilities, this particular situation could then allow identification of genes involved in adaptation to habitat (cultivated apple versus M. sieversii) and in post-zygotic reproductive isolation. Analysis of 36 sequenced genomes has identified more than 602 genes with an index of differentiation (Fst) greater than 0.7, what represents numerous candidates genes of potential barriers to homogeneous gene flow between these two populations. Comparative phenotypic analysis between these two populations such spores size and capacity to sporulate showed that apple domestication would have also modified life history traits of V. inaequalis related to its dispersion. This study has allowed identification of candidate loci potentially involved in changes in life history traits, and genetic barriers in pathogen related to the domestication of apple

Les béta-rhizobia sont des symbiotes de légumineuses retrouvées principalement associés au genre Mimosa. Les études des symbiotes de Mimosa pudica révèlent différents profils de diversité au sein des alpha (Rhizobium spp) et béta-rhizobia (Burkholderia, Cupriavidus) le long de la ceinture tropicale, les béta-rhizobia étaient toujours majoritaires dans les nodosités de cette plante hôte. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié cette spécificité d'association béta-rhizobia/Mimosa pudica, par une approche couplant l'étude des traits symbiotiques bactériens à l'analyse des profils d'expression de leurs génomes dans les premières étapes de la symbiose, et en comparaison avec les alpha-rhizobia. Nous avons analysé les traits symbiotiques (compétitivité pour la nodulation, efficience symbiotique) au niveau intra et interspécifique de 4 espèces de béta-rhizobia et 4 d'alpha-rhizobia. Si l'efficience symbiotique est similaire parmi toutes les souches testées, différents niveaux de compétitivité ont été trouvés selon l'espèce, B. phymatum et B. tuberum étant les plus compétitives. Les tests effectués sur différentes variétés de M. pudica montrent un effet variétal sur la compétitivité de C. taiwanensis. Les traits symbiotiques mesurés expliquent en partie les profils de diversité des symbiotes de M. pudica dans les zones d'origine (Amérique du Sud) ou en zone introduite (Taiwan). Les transcriptomes de trois bactéries ayant des traits symbiotiques différents (B. phymatum STM815, C. taiwanensis LMG19424 et R. mesoamericanum STM3625) ont été comparés (par RNAseq), pour relier les différentes réponses induites par les exsudats racinaires aux traits symbiotiques de chaque rhizobium. Chaque bactérie développe une stratégie spécifique liée à ses traits symbiotiques et à l'origine de la symbiose dans son groupe bactérien
Beta-rhizobia are legume symbionts mainly found associated to the Mimosa genus. Diversity studies of Mimosa pudica symbionts in native and introduced areas reveal different diversity patterns of alpha (Rhizobium spp) and beta-rhizobia (Burkholderia, Cupriavidus), with beta-rhizobia being always the main symbionts in the nodules of this legumes species. In this thesis we have studied the symbiotic specificity between beta-rhizobia and M. pudica (and the comparison with alpha-rhizobia) by a dual approach combining the study of bacterial symbiotic traits and the analysis of their transcriptomes in the first steps of symbiosis. We analysed symbiotic traits (nodulation competitiveness, symbiotic efficiency) at intra and interspecific levels on four species of beta-rhizobia and four of alpha-rhizobia. If symbiotic efficiency is similar among all strains, different levels of competitiveness were measured with a strong strain effect largely explained by the species affiliation, B. phymatum and B. tuberum being the most competitive species. Tests on different M. pudica varieties showed an impact on the competitiveness of C. taiwanensis. Symbiotic traits explained in part the symbiont patterns observed in diversity studies in French Guiana (M. pudica native area) and Taiwan (introduced). Root-exudates induced transcriptomes of three bacteria (two beta--rhizobia: B. phymatum STM815, C. taiwanensis LMG19424 and one alpha, R. mesoamericanum STM3625) with contrasted symbiotic traits were compared (by RNAseq). Each bacterium develops a specific strategy linked to its symbiotic traits and the origin of symbiosis in its bacterial group

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la biologie des systèmes et porte plus particulièrement sur un problème relatif aux réseaux biologiques hétérogènes. Elle se concentre sur les relations entre le métabolisme et le contexte génomique, en utilisant une approche de fouille de graphes.Il est communément admis que des étapes enzymatiques successives impliquant des produits de gènes situés à proximité sur le chromosome traduisent un avantage évolutif du maintien de cette relation de voisinage au niveau métabolique ainsi que génomique. En conséquence, nous choisissons de nous concentrer sur la détection de réactions voisines catalysées par des produits de gènes voisins, où la notion de voisinage peut être modulée en autorisant que certaines réactions et/ou gènes soient omis. Plus spécifiquement, les motifs recherchés sont des trails de réactions (c'est-à-dire des séquences de réactions pouvant répéter des réactions, mais pas les liens entre elles) catalysées par des produits de gènes voisins. De tels motifs de voisinage sont appelés des motifs métaboliques et génomiques.De plus, on s'intéresse aux motifs de voisinage métabolique et génomique conservés, c'est-à-dire à des motifs similaires pour plusieurs espèces. Parmi les variations considérées pour un motif conservé, on considère l'absence/présence de réactions et/ou de gènes, ou leur ordre différent.Dans un premier temps, nous proposons des algorithmes et des méthodes afin d'identifier des motifs de voisinage métabolique et génomique conservés. Ces méthodes sont implémentées dans le pipeline libre CoMetGeNe (COnserved METabolic and GEnomic NEighborhoods). À l'aide de CoMetGeNe, on analyse une sélection de 50 espèces bactériennes, en utilisant des données issues de la base de connaissances KEGG.Dans un second temps, un développement de la détection de motifs conservés est exploré en prenant en compte la similarité chimique entre réactions. Il permet de mettre en évidence une classe de modules métaboliques conservés, caractérisée par le voisinage des gènes intervenants
This thesis fits within the field of systems biology and addresses a problem related to heterogeneous biological networks. It focuses on the relationship between metabolism and genomic context through a graph mining approach.It is well-known that succeeding enzymatic steps involving products of genes in close proximity on the chromosome translate an evolutionary advantage in maintaining this neighborhood relationship at both the metabolic and genomic levels. We therefore choose to focus on the detection of neighboring reactions being catalyzed by products of neighboring genes, where the notion of neighborhood may be modulated by allowing the omission of several reactions and/or genes. More specifically, the sought motifs are trails of reactions (meaning reaction sequences in which reactions may be repeated, but not the links between them). Such neighborhood motifs are referred to as metabolic and genomic patterns.In addition, we are also interested in detecting conserved metabolic and genomic patterns, meaning similar patterns across multiple species. Among the possible variations for a conserved pattern, the presence/absence of reactions and/or genes may be considered, or the different order of reactions and/or genes.A first development proposes algorithms and methods for the identification of conserved metabolic and genomic patterns. These methods are implemented in an open-source pipeline called CoMetGeNe (COnserved METabolic and GEnomic NEighborhoods). By means of this pipeline, we analyze a data set of 50 bacterial species, using data extracted from the KEGG knowledge base.A second development explores the detection of conserved patterns by taking into account the chemical similarity between reactions. This allows for the detection of a class of conserved metabolic modules in which neighboring genes are involved

La sélection variétale consiste à créer de nouvelles variétés répondant aux exigences du marché pour plusieurs caractères d’intérêt agronomique. L’objectif de la thèse était d’étudier l’apport des prédictions génomiques pour optimiser les programmes de sélection chez le blé tendre. Dans un premier chapitre, nous avons testé des méthodes visant à améliorer la précision les prédictions génomiques d’un caractère cher à mesurer en utilisant un caractère corrélé moins cher à mesurer, sans augmenter le budget alloué au phénotypage. Nous avons utilisé un modèle de prédiction génomique multi-caractère. Nous avons développé un indice appelé CDmulti permettant d’optimiser le choix d’un sous-ensemble de lignées à phénotyper pour deux caractères corrélés. Nous avons montré que les prédictions génomiques multi-caractères étaient particulièrement intéressantes lorsque les lignées de la population de validation, ou au moins une partie d’entre elles, pouvaient être phénotypées pour la force boulangère, caractère corrélé à la note de panification et dont le phénotypage est moins coûteux. En effet, cette approche permettait de réduire le budget alloué au phénotypage sans diminuer la précision des prédictions de la qualité boulangère. Dans un deuxième chapitre, nous avons développé un pipeline de simulations stochastiques pour comparer des schémas de sélection produits in silico à partir du génotypage et du phénotypage d’une population de référence. Un cycle dure cinq ans, comprenant un an pour les croisements, un an pour la production d’haploïdes doublés, un an de multiplication, une étape de sélection qui peut être basée soit sur les valeurs phénotypiques (stratégie PS) soit sur les prédictions génomiques (stratégie GPS), et une dernière année de sélection phénotypique. Pour la stratégie GPS, nous avons la possibilité de faire les croisements au hasard parmi les meilleurs descendants du cycle précédent, ou d’optimiser les croisements grâce aux prédictions génomiques. Nous montrons que la stratégie GPS avec optimisation des croisements est systématiquement significativement supérieure aux autres pour tous les paramètres testés (héritabilité du caractère, budget, intensité de sélection relative à deux étapes clé). L’efficacité de la stratégie GPS sans optimisation de croisement est similaire à PS. En revanche, la perte de diversité génétique était plus rapide pour GPS avec ou sans prédiction de croisement. Des modules complémentaires seront ajoutés à cet outil d’aide à la décision pour lui permettre de simuler des schémas de sélection plus réalistes
Breeding consists in creating new varieties which combine qualities for several traits of agronomic interest to answer to the market demand. The objective of the phD was to propose strategies using genomic predictions to optimize bread wheat breeding programs in terms of genetic gain under economic constraint. In a first chapter, we tested methods aiming at improving genomic prediction accuracy of a trait that is expensive to measure using a correlated cheap trait, without increasing the budget allocated to phenotyping. We used a multi-trait genomic prediction models. We also developed an index called CDmulti to optimize the choice of a subset of lines to phenotype for two different correlated traits. We showed that multi-trait genomic predictions could be particularly interesting when lines of the validation set, or at least part of them, could be phenotyped for dough strength, which is correlated to bread-making quality and which is cheaper to phenotype. Indeed, this approach allowed to reduce the budget allocated to phenotyping without decreasing the genomic prediction accuracy of bread-making quality. In a second chapter, we developed a stochastic simulation pipeline to compare breeding scheme produce in silico, using genotyping and phenotyping of a reference population. One cycle lasts five years, including one year for crossing, one year for double haploids production, one year for seed multiplication, one year of selection based on either phenotypic value (PS strategy) or genomic predictions (GPS strategy), and one last year of phenotypic selection. For GPS strategy, we can mate the best lines of previous cycle at random or optimise mating using genomic predictions. We showed that GPS strategy with mating optimization is systematically significantly superior to other strategies for all tested parameters (trait heritability, budget, relative intensity of selection at two key steps). The efficiency of GPS strategy without mating optimization was similar to PS. However, the loss of genetic diversity was more intense for GPS strategies, with or without mating optimization. Some complementary modules will be added to this decision tool to simulate more realistic breeding schemes

Les changements globaux ont en partie pour effet de modifier les aires de répartition géographique des espèces. Les interactions nouvelles entre espèces n’ayant jamais été en contact peuvent potentiellement mener à des cas atypiques de reproduction, notamment l’hybridation. Ce phénomène peut avoir des implications épidémiologiques fortes car il peut conduire à la genèse de pathogènes hybrides. La combinaison du matériel génétique d’espèces distinctes peut conférer de meilleures capacités à la progéniture (vigueur hybride ou hétérosis), pouvant à terme potentiellement mener à des changements adaptatifs et à l'émergence de pathogènes dans des zones non endémiques, ce qui en fait une menace émergente à l’échelle mondiale. Ce travail de thèse se focalise sur la schistosomiase, seconde maladie parasitaire humaine et sa récente émergence en Europe (Corse, France). Après l’identification et la caractérisation génomique d’un parasite hybride entre deux agents distincts de la maladie, S. haematobium chez l’homme et S. bovis chez les bovins, nous avons mené une approche intégrative afin de caractériser à plusieurs échelles les capacités invasives et la virulence de tels parasites. A partir de souches du terrain, nous avons mis en place un protocole d’évolution expérimentale visant à générer des hybrides de première et deuxième générations au laboratoire. Nous avons analysé les modifications de traits d’histoire de vie de ces parasites ainsi que les conséquences moléculaires (génomique et transcriptomique) de ce « clash génomique » et nous montrons que l’hybridation peut être une force évolutive majeure pour les parasites
Global changes contribute in modifying species geographical distribution. New interactions between species that have never been in contact before can potentially lead to atypical cases of reproduction, including hybridization. This phenomenon can have strong epidemiological consequences as it can potentially lead to the genesis of hybrid pathogens. The combination of genetic material of distinct species can confer increased capacities to the offspring (hybrid vigor or heterosis), eventually leading to adaptive changes and the emergence of pathogens in non-endemic areas, making them an emerging global threat. This thesis work focuses on schistosomiasis, the second human parasitic disease after malaria and its recent emergence in Europe (Corsica, France). After the identification and genomic characterization of a hybrid parasite between two distinct agents of the disease, S. haematobium in humans and S. bovis in cattle, we conducted an integrative approach to characterize at several scales the invasive capacities and virulence of such parasites. Starting from the field, we set up an experimental evolution protocol aimed at generating first- and second-generation hybrids in the laboratory. We analysed life history trait modifications of these parasites as well as the molecular consequences (genomics and transcriptomics) of this "genomic clash" and we show that hybridization can be a major evolutionary force for parasites

L’étude des modifications phénotypiques et génomiques associées à l’adaptation des pathogènes aux résistances est une étape fondamentale pour mieux comprendre et anticiper le phénomène de contournement des résistances. Le nématode à kyste Globodera pallida est un important pathogène de la pomme de terre, vis-à-vis duquel un QTL majeur de résistance, GpaVvrn, a été identifié chez Solanum vernei. Cependant, la capacité des populations de G. pallida à s’adapter à cette résistance en quelques générations seulement a été mise en évidence par évolution expérimentale. Dans ce contexte, ce travail de thèse avait pour objectifs (1) d’étudier les traits d’histoire de vie du nématode impactés par l’adaptation, afin de tester l’existence éventuelle d’un coût de virulence, et (2) d’identifier les régions génomiques impliquées dans l’adaptation, par une approche originale combinant évolution expérimentale et scans génomiques sur des lignées virulentes et avirulentes. Contre toute attente, nous avons montré que l’adaptation à la résistance issue de S. vernei entraînait une augmentation de la fitness des individus virulents sur hôte sensible. Nous avons également pu identifier des régions génomiques candidates à l’adaptation à la résistance de la plante hôte, contenant des gènes codant pour des effecteurs, et notamment des SPRYSECs, connus chez les nématodes à kyste pour être impliqués dans la suppression des défenses des plantes mais aussi dans la virulence du nématode. À terme, ces résultats s’avéreront utiles pour la conception de stratégies durables de déploiement de variétés de pommes de terre résistantes
Studying phenotypic and genomic modifications associated with pathogen adaptation to resistance is a crucial step to better understand and anticipate resistance breakdown. The cyst nematode Globodera pallida is an important pest of potato crops, for which a major resistance QTL, GpaVvrn, has been identified in Solanum vernei. However, the capability of G. pallida populations to adapt to this resistance in only few generations has been highlighted through experimental evolution. In this context, the purposes of this work were (1) to study the nematode life-history traits impacted by adaptation, in order to test for potential existence of a virulence cost, and (2) to identify genomic regions involved in adaptation, through an original approach combining experimental evolution and genome scans on virulent and avirulent lineages. Unexpectedly, we highlighted that adaptation to resistance from S. vernei leads to an increase of virulent individual’s fitness on susceptible host. We were also able to pinpoint candidate genomic regions to adaptation to host plant resistance, containing genes encoding effectors, and especially SPRYSECs, known in cyst nematodes to be involved in suppression of host defense but also in nematode virulence. These results will ultimately be useful in order to conceive sustainable strategies of use of potato resistant cultivars

L’avènement du génotypage à haut débit permet aujourd’hui de mieux exploiter le phénomène d’association, appelé déséquilibre de liaison (LD), qui existe entre les allèles de différents loci sur le génome. Dans ce contexte, l’utilité de certains modèles utilisés en cartographie de locus à effets quantitatifs (QTL) est remise en question. Les objectifs de ce travail étaient de discriminer entre des modèles utilisés en routine en cartographie et d’apporter des éclaircissements sur la meilleure façon d’exploiter le LD, par l’utilisation d’haplotypes, afin d’optimiser les modèles basés sur ce concept. On montre que les modèles uni-marqueur de liaison, développés en génétique il y a vingtaine d’années, comportent peu d’intérêts aujourd’hui avec le génotypage à haut débit. Dans ce contexte, on montre que les modèles uni-marqueur d’association comportent plus d’avantages que les modèles uni-marqueur de liaison, surtout pour des QTL ayant un effet petit ou modéré sur le phénotype, à condition de bien maîtriser la structure génétique entre individus. Les puissances et les robustesses statistiques de ces modèles ont été étudiées, à la fois sur le plan théorique et par simulations, afin de valider les résultats obtenus pour la comparaison de l’association avec la liaison. Toutefois, les modèles uni-marqueur ne sont pas aussi efficaces que les modèles utilisant des haplotypes dans la prise en compte du LD pour une cartographie fine de QTL. Des propriétés mathématiques reliées à la cartographie de QTL par l’exploitation du LD multiallélique capté par les modèles haplotypiques ont été explicitées et étudiées à l’aide d’une distance matricielle définie entre deux positions sur le génome. Cette distance a été exprimée algébriquement comme une fonction des coefficients du LD multiallélique. Les propriétés mathématiques liées à cette fonction montrent qu’il est difficile de bien exploiter le LD multiallélique, pour un génotypage à haut débit, si l’on ne tient pas compte uniquement de la similarité totale entre des haplotypes. Des études sur données réelles et simulées ont illustré ces propriétés et montrent une corrélation supérieure à 0.9 entre une statistique basée sur la distance matricielle et des résultats de cartographie. Cette forte corrélation a donné lieu à la proposition d’une méthode, basée sur la distance matricielle, qui aide à discriminer entre les modèles utilisés en cartographie
The advent of high-throughput genotyping nowadays allows better exploitation of the association phenomenon, called linkage disequilibrium (LD), between alleles of different loci on the genome. In this context, the usefulness of some models to fine map quantitative trait locus (QTL) is questioned. The aims of this work were to discriminate between models routinely used for QTL mapping and to provide enlightenment on the best way to exploit LD, when using haplotypes, in order to optimize haplotype-based models. We show that single-marker linkage models, developed twenty years ago, have little interest today with the advent of high-throughput genotyping. In this context, we show that single-marker association models are more advantageous than single-marker linkage models, especially for QTL with a small or moderate effect on the phenotype. The statistical powers and robustness of these models have been studied both theoretically and by simulations, in order to validate the comparison of single-marker association models with single-marker linkage models. However, single-marker models are less efficient than haplotype-based models for making better use of LD in fine mapping of QTL. Mathematical properties related to the multiallelic LD captured by haplotype-based models have been shown, and studied, by the use of a matrix distance defined between two loci on the genome. This distance has been expressed algebraically as a function of the multiallelic LD coefficients. The mathematical properties related to this function show that it is difficult to exploit well multiallelic LD, for a high-throughput genotyping, if one takes into account the partial and total similarity between haplotypes instead of the total similarity only. Studies on real and simulated data illustrate these properties and show a correlation above 0.9 between a statistic based on the matrix distance and mapping results. Hence a new method, based on the matrix distance, which helps to discriminate between models used for mapping is proposed

Des souris aux baleines en passant par les humains, la diversité écologique des mammifères placentaires est des plus fascinantes. Bien qu'il s'agisse là d'un des groupes les plus étudiés, leur origine fait pourtant l'objet de bien des mystères. Leurs relations de parenté les plus basales restent en effet incertaines, et l'on ignore encore beaucoup du mode de vie qu'avaient nos ancêtres du Crétacé, ces mammifères placentaires qui auraient côtoyé les dinosaures pendant plus de 30 millions d'années.Afin d'aborder ces questions, cette thèse a utilisé l'outil de la génomique comparative. L'une de ses principales originalités est la prise en compte d'un distorteur majeur de notre évolution moléculaire: la conversion génique biaisée. Truquant la loterie génétique, ce mécanisme associé à la recombinaison méiotique avantage les nucléotides G et C au détriment des nucléotides A et T. Façonnés par son influence, nos paysages nucléotidiques présentent ainsi ponctuellement des taux de GC anormalement élevés.Jusque là, ce phénomène n'avait été étudié que chez une poignée d'organismes modèles. Son analyse chez plus d'une trentaine de génomes mammaliens a mis en évidence une série de résultats clés. En particulier, l'évolution du contenu en GC des gènes s'est avéré dépendre de la masse corporelle et la longévité des espèces. E nreliant ainsi évolution moléculaire et traits d'histoire de vie, des reconstructions de séquences ancestrales ont permis d'estimer la durée de vie des premiers mammifères placentaires à plus de 25 ans. Cette longévité va bien au delà de ce que peuvent espérer atteindre les souris ou musaraignes actuelles, des animaux au mode de vie pourtant jusqu'ici supposé comme étant proche de celui de nos ancêtres.Parallèlement à ces résultats, une tendance à produire des phylogénies inexactes a été détectée chez les gènes les plus GC-riches. Moins soumis à la conversion génique biaisée, les gènes AT-riches se sont montrés plus fiables, tout en soutenant que les espèces originaires d'Afrique sont situés à la base de l'arbre des placentaires. Ce résultat suggère ainsi la possible résolution d'un des noeuds les plus controversés de notre histoire évolutive.Du simple nucléotide à la naissance d'une infraclasse de plus de 4000espèces, ce travail révèle comment l'évolution moléculaire peut porter un nouveau regard sur nos origines les plus profondes
From mice to whales through humans, placental mammals present astunning diversity. Despite being one of the most studied group ever,mysteries persist about their origin. Indeed, their most basalrelationships still remain uncertain, and nothing is really knownabout the lifestyle of our cretaceous ancestors, these placentalmammals which lived side by side with non-avian dinosaurs during 30My.To answer these evolutionnary questions, comparative genomic studiesof placental mammals have been conducted. One of its originalities isto take into account biased gene conversion. Rigging the geneticlottery, this recombination-associated mechanism involves a reparationbias favouring the G and C nucleotides over the A and T ones, whichmark the mammalian genomic landscapes by inducing localized peaks ofGC-content.This phenomenon has been so far studied in few model species. Theexploration of biased gene conversion in more than 30 mammal genomesled to several key results. In particular, GC content evolution hasproved to be correlated to the longevity and the body mass of species.By linking together molecular evolution and life history traits, thereconstruction of ancestral sequences allowed us to estimate alife-span above 25 years for early placental mammals. This value ismarkedly different from that of mice or shrews, although our mammalianancestors have often been represented as such. In addition to these results, GC-rich genes were found to be prone toproduce false phylogenies. Less affected by recombination associatedartifacts, AT-rich genes are shown to be more reliable, and to supportspecies of African origin as the sister group of all other placentalmammals - perhaps resolving one of the most controversial nodes of themammalian tree.From nucleotide to the birth of a 4,000 species infraclass, this workreveals how molecular evolution can shed new light onour deepest origins

Les hybrides constituent une source de variabilité génétique et phénotypique importante qui résulte de combinaisons alléliques uniques issues du mélange de génomes distincts. L'humanité a exploité pendant des milliers d'années l’hybridation des plantes, des animaux et des microbes pour leurs performances améliorées par rapport à celles des espèces endogènes. Cependant, les hybrides sont dans la plupart des cas des « impasses » évolutives en raison de la très faible viabilité de leur progéniture, empêchant de ce fait l'amélioration des caractéristiques d’intérêt industriel par croisements. Dans cette thèse, j'ai profité de la capacité de la levure bourgeonnante Saccharomyces cerevisiae à interrompre la méiose et à restaurer la croissance mitotique - par l’ajout soudain de nourriture abondante - pour palier à la stérilité des hybrides. Ce processus, dénommé « Return to Growth » (RTG), induit des cassures double-brin d’ADN générant des régions de perte d'hétérozygotie (LOH), et mène à la recombinaison du génome et à la création de variabilité phénotypique sans avoir recours à la reproduction sexuée. Bien qu'il ait déjà été démontré que des hybrides fertiles dérivés de souches de laboratoire peuvent effectuer le RTG, on ne connaît pas le degré d’application de celui-ci chez des souches d’origines diverses présentant des structures génomiques et un niveau de stérilité différents. Pour aborder ce problème, j'ai soumis plusieurs hybrides artificiels et industriels au RTG et j'ai caractérisé son impact au niveau génomique et phénotypique.Dans la première partie de ma thèse, j'ai déterminé dans quelle mesure le RTG peut aider à surmonter les barrières de stérilité post-zygotiques décrites dans les espèces de Saccharomyces. Tout d'abord, j'ai analysé des données de séquençage d'échantillons issus d’une souche hybride stérile soumise au RTG, et j'ai confirmé que le génome était recombiné, bien que la machinerie méiotique soit défectueuse. Ensuite, j’ai mis au point un système génétique permettant de mesurer le taux de recombinaison du génome à un locus donné et j’ai séquencé plusieurs individus afin de démontrer l’efficacité du RTG chez plusieurs hybrides présentant une stérilité aiguë. De plus, j'ai caractérisé l’impact de fortes divergences génomique sur le RTG en étudiant des hybrides entre S. cerevisiae et S. paradoxus, et j'ai observé que le système de réparation des mésappariements de l’ADN inhibait la recombinaison génétique induite par le RTG. Enfin, j'ai mis en évidence la capacité du RTG à générer de la diversité phénotypique que j’ai utilisée pour décortiquer l’architecture génétique des caractères complexes de lignées isolées sur le plan reproductif. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai testé l’efficacité du RTG sur deux souches hybrides polyploïdes stériles de S. cerevisiae utilisées dans le domaine industriel. En utilisant le système génétique mis au point dans la première partie, j’ai pu démontrer que ces souches étaient compétentes au RTG et j’ai mis en évidence la présence de nombreux événements de recombinaison génétique après séquençage du génome. Ensuite, j'ai développé une méthode n’impliquant pas de modifications génétiques pour sélectionner les cellules soumises au RTG et j’ai généré deux bibliothèques d'échantillons recombinants. L'analyse de leurs génomes a révélé une grande variabilité, comprenant de vastes régions de LOH. Finalement, j'ai mesuré la variabilité phénotypique existante au sein de ces bibliothèques et j'ai trouvé que certaines souches recombinantes étaient plus performantes que les souches industrielles originales dans des environnements spécifiques. Dans l'ensemble, mes travaux présentent le RTG comme une nouvelle stratégie permettant de surmonter la stérilité post-zygotique et offrant la possibilité de développer des souches hybrides de Saccharomyces d’intérêt industriel sans avoir recours à des modifications génétiques
Hybrids are a source of genetic and phenotypic variability as they derive from the merging of two different genomes producing new allelic combinations. Humankind exploited for thousands of years hybrid plants, animals and microbes for their improved performances compared to those of the respective parental species. However, often hybrids represent evolutionary dead ends because of the extremely low viability of their offspring. Thus, hybrid sterility is a significant issue because it limits the improvement of relevant hybrids through classical breeding approaches and more broadly, it hampers hybrid evolution. In this thesis, I took advantage of the remarkable property of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae to abort meiosis and Return-To-Growth (RTG) when starved cells in the early meiotic phase encounter a rich nutrient environment. This process induces a reshuffle of the genome generating genome-wide regions of loss-of-heterozygosity (LOH). LOH regions can have a substantial impact on hybrid fitness and can also drive adaptation to stressful conditions. While it was already shown that fertile hybrids derived from the mating of lab strains could perform RTG, we do not know whether strains with different ecological origins, genome structures and level of sterility can evolve through RTG, and if so, to what extent. To answer these questions, I applied the RTG paradigm to several artificial and industrial hybrids and characterized its impact at the genomic and phenotypic level.In the first part of my thesis, I determined to what extent RTG can overcome common post-zygotic sterility barriers described in Saccharomyces. First, I re-analyzed sequencing data of RTG samples derived from a sterile hybrid with defective meiotic machinery and confirmed that the hybrid recombined its genome through RTG despite being incapable of completing meiosis. Following, to explore RTG recombination in different hybrids, I took advantage of a genetic system to measure recombination rates at a single locus during RTG and to isolate samples for whole-genome-sequencing. By using this approach, I showed that intraspecific hybrids with different ecological origins and extreme sterility due to genome structure variation could evolve through RTG. Then, I explored how extreme sequence divergence between S. cerevisiae/S. paradoxus hybrids affects RTG recombination, and I found that recombination is mostly reduced by the mismatch repair system, whose inactivation partially increased the recombination efficiency. Finally, I showed that RTG induced phenotypic diversity in the evolved samples, and I used the phenotypic variability generated for dissecting complex traits between reproductively isolated lineages.In the second part of my thesis, I worked with two industrial polyploid S. cerevisiae intraspecific hybrids and explored RTG in an industrial setting. To demonstrate that these strains were RTG competent, I engineered their genome with the genetic system developed in the first project using CRISPR-Cas9 technology. By analyzing whole-genome-sequencing of the evolved genomes, I found that also industrial polyploid genomes recombine through RTG. Then, I developed a GMO-free method for selecting RTG strains and generated two RTG libraries of recombinant samples. Analysis of their genomes revealed high variability between samples with some having vast regions of LOH. Last, I measured phenotypic variability in the RTG libraries and found that some RTG recombinants were fitter than the original industrial strains in specific environments. This proof of concept showed that RTG represents a new avenue for inducing genetic and phenotypic novelty in sterile industrial hybrids.Overall, my work proved that RTG represents a novel path through which Saccharomyces hybrids can evolve and overcome common post-zygotic sterility barriers and that RTG constitutes a novel GMO-free strategy to generate improved industrial hybrid strains

Les Escherichia coli entérohémorragiques (EHEC) sont des E. coli producteurs de Shiga-toxines (STEC) représentant le quatrième agent responsable de toxi-infections alimentaires en Europe. La contamination par ces pathogènes résulte principalement de l’ingestion de produits alimentaires contaminés par les fèces de bovins, dont le tube digestif apparait comme le principal réservoir naturel des EHEC. Ces pathogènes survivent dans le tractus digestif du ruminant, qui est porteur sain, et semblent bien adaptés à l’ensemble de cet écosystème complexe. Réduire le portage animal est une stratégie de choix afin de limiter les toxi-infections humaines à EHEC. L’objectif de cette thèse était d’approfondir les connaissances sur la physiologie et l’écologie des EHEC dans le tube digestif du bovin, une étape primordiale pour proposer, à terme, différentes stratégies visant à limiter le portage. L’analyse du transcriptome de la souche EHEC O157:H7 de référence EDL933 a permis l’identification de voies métaboliques utilisées par les EHEC dans différents compartiments du tube digestif de l’animal. Certains sucres, dont ceux issus de la couche de mucus intestinal, et acides aminés ainsi que l’éthanolamine semblent représenter des substrats importants pour la survie des EHEC tout au long du tube digestif du bovin. Cette étude transcriptomique a également mis en évidence l’activation, par la souche EHEC, de nombreux systèmes de résistance à différents stress rencontrés dans le tube digestif bovin, dont les systèmes toxines/anti-toxines. L’activation de ces systèmes et la capacité à former des biofilms ont également été observées chez une souche STEC O157:H7 d’origine bovine, la souche MC2, dans des conditions mimant une persistance dans l’environnement. La caractérisation génomique et phénotypique permet de considérer cette souche comme pathogène et des études réalisées in vitro et in vivo ont indiqué que la souche MC2 était capable de persister dans le tube digestif du bovin mais aussi dans l’environnement de l’élevage. L’inoculation expérimentale de bovins par la souche MC2 a permis de mettre au point le premier modèle animal reproductible de portage et d’excrétion des STEC O157:H7 décrit en France. Ce modèle pourra être utilisé pour tester in vivo l’effet d’additifs alimentaires, tels que les probiotiques, afin de réduire le portage et l’excrétion de souches EHEC par les bovins, et donc limiter la contamination de l’Homme
Enterohaemorrhagic Escherichia coli (EHEC) are Shiga-toxin producing E. coli (STEC) which represent the fourth pathogen leading to foodborne illness in Europe. Contamination by these pathogens results mainly from the ingestion of food contaminated by feces of bovine, for which the digestive tract appears as the main natural reservoir of EHEC. These pathogens survive in the digestive tract of ruminants, which is healthy carriers, and seem well-adapted to this complex ecosystem. Reducing animal carriage is a strategy of choice to limit EHEC human infections. The aim of this thesis was to increase our knowledge on the physiology and ecology of EHEC in the digestive tract of bovine, a key step to propose, ultimately, different strategies to limit the carriage. Transcriptome analysis of the EHEC O157:H7 reference strain EDL933 allowed the identification of metabolic pathways used by EHEC in different compartments of the digestive tract of the animal. Some carbohydrates, including those from the intestinal mucus layer, and amino acids as well as ethanolamine appear to be important substrates for the survival of EHEC throughout the bovine digestive tract. This transcriptomic study also revealed the activation, by the EHEC strain, of several stress resistance systems encountered in the bovine digestive tract, including toxin/anti-toxin systems. The activation of these systems and the ability to form biofilms have also been observed in a bovine STEC O157:H7 strain, MC2 strain, under conditions mimicking persistence in the environment. Genomic and phenotypic characterization allows this strain to be considered as pathogenic and in vitro and in vivo studies indicated that the MC2 strain was able to persist in the bovine digestive tract but also in the farm environment. The experimental inoculation of bovines with the MC2 strain led to the development, for the first time in France, of a reproducible animal model of carriage and excretion of STEC O157:H7. This model could be used to test in vivo the effect of food additives, such as probiotics, in order to reduce the carriage and excretion of EHEC strains by bovines, and thus limit the contamination of humans

Introduction La traite transatlantique, du 15ième au 19ième siècle, a changé radicalement la démographie des Amériques. Des milliers d'esclaves africains ont réussi à échapper aux plantations des colonisateurs européens, et ont formé des colonies indépendantes de peuples libres (ou 'Marron'). Dans notre travail, nous étudions quatre communautés Noir Marron de la Guyane française et du Surinam, ainsi que d'autres populations ayant un héritage africain : Brésil et Colombie, ainsi que des populations d'Afrique de l'Ouest : Bénin, Côte-d'Ivoire et Mali. Afin de définir les différentes histoires démographiques, ces populations ont été caractérisées à l'aide de plusieurs marqueurs génétiques des lignées uniparentales: chromosome Y (17 Y-STR et 96 Y-SNP), ADN mitochondrial (génomes complet), et de données pan-génomiques (4,5 millions de SNP). Résultats Les ADN paternels et maternels ont mis en évidence différents modèles de biais sexuels dans les populations afro-brésiliennes et afro-colombiennes, ce qui suggère des comportements de mariages préférentiels. À l'opposé, les communautés Noir Marron présentent l'origine africaine la plus élevée pour tous les systèmes génétiques analysés (supérieure à 98%). Dans ces communautés, on note l'absence de flux génique avec les groupes non-africains, et également des coefficients de consanguinité très élevés. En accord avec les études linguistiques, les communautés Noir Marron montrent une origine géographique africaine associée aux royaumes historiques de l'Afrique de l'Ouest qui existaient au Bénin durant la traite des esclaves. En accord avec les études historiques, l'origine des afro-colombiens montre des liens génétiques avec la région de la Côte de l'Or, et celle des afro-brésiliens avec la région de l'Afrique centrale. Conclusions Cette étude fournit une importante information génétique sur les afro-américains et nous permet de reconstruire les liens brisés avec leur passé africain. Les communautés Noir Marron montrent une identité africaine très élevée, reliée au Golfe du Bénin. Les populations afro-brésiliennes et afro-colombiennes font apparaitre différentes histoires démographiques en raison de leur passé colonial différent. Confronté avec les études historiques, la génétique permet de mieux appréhender l'identité ethnique africaine sur les deux rives de l'Atlantique
Background The transatlantic slave trade, from the 15th to the 19th centuries, changed dramatically the demography of the Americas. Thousands of enslaved Africans managed to escape from the plantations of European colonizers, and formed independent African settlements of free people (or 'Marron'). Here, we study four Noir Marron communities from French Guiana and Surinam, as well as other populations with noteworthy African heritage in Brazil and Colombia, and West African populations in Benin, Ivory Coast, and Mali. To uncover different population histories, these populations were specifically characterized using different genetic markers based on 17 Y-STRs, 96 Y-SNPs, whole mtDNA genome, and genome-wide SNP data (4.5 million autosomal SNP). Results Paternally and maternally inherited DNA highlighted different patterns of sex-biased gene flow in both Afro-Brazilian and Afro-Colombian populations that suggest different preferential marriage behaviours. In sharp contrast, the Noir Marron communities presented the highest African ancestry in all genetic systems analysed (above 98%). These communities have apparently a null gene flow with non-African groups, and also present elevated inbreeding coefficients. In good agreement with linguistic studies, the Noir Marron communities showed a biogeographical ancestry associated with historical West African Kingdoms that existed in modern Benin during the slave trade. Afro-Colombians indicated genetic ancestry linked with the Gold Coast region. While Afro-Brazilian genetic ancestry was linked with the West Central African region, also supported by historical research. Conclusions This study provides specific genetic information in African Americans and thereby helps us to reconstruct broken links with their African past. The Noir Marron communities revealed a remarkably high African identity, which is still linked to Bight of Benin region. The Afro-Brazilian and Afro-Colombian populations present different demographic histories because of their different colonial pasts. Within an appropriate historical framework, genetic ancestry can add further understanding of ethnicity in African populations throughout the Atlantic world

Le but de cette thèse est premièrement d’évaluer l’effet du vieillissement sur les fonctions psychomotrices des souches de souris sélectionnées génétiquement en fonction de leur tension artérielle (TA); deuxièmement, de localiser les déterminants génétiques des phénotypes psychophysiologiques à partir de souches recombinantes congéniques (RCS). Ces travaux ont mené à la publication de 4 articles. Le premier article décrit l’évaluation des fonctions psychomotrices des souches avec une tension artérielle élevée (HBP), basse (LBP) et normale (NBP). La performance aux épreuves d’exploration, d’habiletés motrices et d’apprentissage spatial, a été mesurée sur deux cohortes âgées respectivement de 12 mois et de trois mois. Indépendamment de l’âge, les HBPs sont hyperactives dans l’open-field (OF), mais pas dans le test d’exploration de trous. Inversement, les LBP explorent moins d’espaces que les NBP et, à trois mois seulement, sont hypoactives dans l’OF. Par ailleurs, les HBPs et les LBP présentent des déficits précoces de coordination motrice et des fonctions visuo-motrices. Le second article concerne l’évaluation longitudinale de la coordination motrice, de l’anxiété et de l’apprentissage spatial des souches HBP, LBP et NBP, à l’âge de deux mois et de 12 mois. Le vieillissement accentue l’hyperactivité des HBPs dans l’OF. Par contre, l’hypoactivité des souris LBP est détectable seulement à l’âge de deux mois. Indépendamment de l’âge, les souris HBP et LBP montrent une perception réduite du danger dans l’épreuve d’anxiété et des dysfonctions visuo-motrices au labyrinthe aquatique. Enfin, des déficits précoces de coordination motrice se manifestent seulement chez les HBPs. Il reste à déterminer si les déficits observés sont liés à des déterminants génétiques indépendants ou secondaires aux altérations de la tension artérielle. Le troisième article présente la comparaison entre les souches consanguines A/J et C57Bl/6J (B6) aux épreuves de l’OF, de la planche à trous, du labyrinthe aquatique et du cintre (coordination motrice). Les B6 explore d’avantage l’OF et la planche à trous. Les B6 sont moins rapides sur le cintre, mais supérieurs aux A/J dans le labyrinthe aquatique, avec une plate-forme invisible ou visible. Ces résultats démontrent l’implication de déterminants génétiques. Cette thèse se termine par un quatrième article sur la localisation des déterminants génétiques de la susceptibilité au stress dans les RCS, dérivées de A/J et B6, et présentant un agencement spécifique de 12.5% du génome. La réactivité émotionnelle est évaluée dans l’OF et le plus-maze; la réponse de stress est mesurée par radio télémétrie de la température interne pendant le stress d’immobilisation (SI) sous diète régulière et riche en sel; l’excrétion des électrolytes urinaires est dosée après 24 heures de diète salée. Les loci les plus significatifs sont situés dans les régions suivantes: de l’émotionalité dans l’OF (Emo1) sur le chr. 1 (LOD=4.6) correspondant à la région homologue impliquée dans la cohorte d’hypertension familiale du Saguenay; de la dopa décarboxylase (ddc) sur le chr. 11 pour l’émergence du plus-maze (LOD=4.7); de la protéine liant l’endotoxine (lbp) sur le chr. 2 pour l’hypothermie initiale en réponse au SI (LOD=4); et de HSP90 sur le chr. 12 pour l’excrétion de Ca++ (LOD=4.6). Des banques de données sont ensuite interrogées pour recenser les polymorphismes des régions régulatrices ou codantes des gènes candidats chez les souches ancestrales A/J et B6, dont les séquences sont disponibles pour le génome entier. Des utilitaires web permettent de dévoiler les changements dans la structure secondaire de l’ARNm, l’interférence avec des microARN ou avec d’autres motifs de liaison. Plusieurs SNPs fonctionnels ont été identifiés pour le QTL du chr. 1, particulièrement dans les éléments de régulation; ceux-ci impliquant des gènes reliés avec les réponses inflammatoire/immunitaire ou avec le système cardiovasculaire. La quantification par la PCR confirme une régulation à la baisse d’atp1a2 dans le cœur et le cerveau des souches susceptibles à l’anxiété. Ces résultats confirment l’intrication des altérations de la susceptibilité au stress et de la régulation de la TA.
Our studies in this thesis, which led to 4 publications, are divided in two parts. The first part describes the neuropsychological effects of aging in strains of mice genetically selected for high (HBP), low (LBP) or normal blood pressure (NBP). The second part focuses on the genetic determinants of these neuropsychological phenotypes in recombinant congenic strains (RCS) of mice. The first manuscript compares HBP or LBP mice to normotensive controls in tests of exploration, motor coordination, and spatial learning at two age levels: 3 and 12 months. At either age, HBPs were hyperactive in an open field (OF) but not in terms of hole-poking responses. On the contrary, LBPs were hypoactive in the OF and in the hole-board, with the effect on the former measure being limited to the younger cohort. In either cohort, HBP and LBP mice were deficient in subtle aspects of motor coordination, and visuomotor function. These strains may serve as experimental models for the evaluation of beneficial early antihypertensive or antihypotensive treatments on brain function. The second study uses a longitudinal design to compare either HBP or LBP mice to normotensive controls at 2 and 12 months of age for motor coordination, anxiety, and spatial learning. Hyperactivity of HBPs in the OF increased with aging; whereas LBP mice were hypoactive only at 2 months of age. At both age, HBP and LBP mice displayed reduced levels of anxiety in the elevated plus-maze (EPM), abnormal coordination and visuomotor guidance. It remains to determine if these strain-, age-, and test-specific abnormalities are genetically related or secondary to uncontrolled hypertension or hypotension. The following article compares the C57BL/6J (B6) to the A/J inbred mouse strain in exploration of the OF and the hole-board, in the coat-hanger coordination test, and in spatial learning of a water maze. B6 mice displayed a higher number of segment crossings in the open-field and of hole-poking responses than A/J mice. By contrast to their hypo activity, A/J strain were faster in the coat-hanger motor test, but deficient in the submerged but also in the visible platform version of the water maze. These results indicate the considerable potential of genetic models derived from B6 and A/J mice for discerning the determinants of several behavioural phenotypes. In the last manuscript, the genomic loci bearing stress-related phenotypes were dissected by genome wide analysis of linkage in the recombinant congenic strains (RCS), resulting from a cross of B6 and A/J progenitors, each strain bearing 12.5% of specific parts of one progenitor on the background of the other. Adult male mice from 14 A/J and 22 B6 background lines were evaluated for emotional reactivity in the OF and the EPM. Core temperature was monitored by radio-telemetry during immobilization (IM), under standard and salt-enriched diets. In addition, urinary electrolytes were measured. The highest LOD scores strengthen the evidence for a previously reported locus for emotionality in the open-field on Chr 1 (LOD=4.6), in the Ddc region encoding dopa decarboxylase, on Chr 11 in the EPM (LOD=4.7), near Lbp (lipopolysaccharide binding protein), on Chr 2 for initial hypothermia during IM (LOD=4), as well as in the region of Hspca, encoding heat shock protein 1 alpha (48.0 cM) on Chr 12 for Ca++ excretion after a 24 hr-salt load (LOD=4.6). RCS stress QTL overlapped with several candidate loci for cardiovascular disease. In silico evidence of functional polymorphisms by comparative sequence analysis of progenitor strains assisted to ascertain this convergence, then further tested using quantitative PCR for releant genes mRNA. The anxious BcA70 strain showed down regulation of the Atp1a2 gene expression in the heart (P < 0.001) and brain (P < 0.05) compared to its parental B6 strain, compatible with the enhanced emotionality described in knock out animals for this gene, also involved in the salt-sensitive component of hypertension. Functional polymorphisms in regulatory elements of candidate genes of the cardiovascular / inflammatory / immune systems support the hypothesis of genetically-altered environmental susceptibility in cardiovascular disease development.

Les études d’association pan-génomiques ont révélé plusieurs variants génétiques associés à des traits complexes. Les mesures érythrocytaires ont souvent fait l’objet de ce genre d’études, étant mesurées de façon routinière et précise. Comprendre comment les variations génétiques influencent ces phénotypes est primordial étant donné leur importance comme marqueurs cliniques et leur influence sur la sévérité de plusieurs maladies. En particulier, des niveaux élevés d’hémoglobine fœtal chez les patients atteints d’anémie falciforme est associé à une réduction des complications et une augmentation de l’espérance de vie. Néanmoins, la majorité des variants génétiques identifiés par ces études tombent à l’intérieur de régions génétiques non-codantes, augmentant la difficulté d’identifier des gènes causaux. L’objectif premier de ce projet est l’identification et la caractérisation de gènes influençant les traits complexes, et tout particulièrement les traits sanguins. Pour y arriver, j’ai tout d’abord développé une méthode permettant d’identifier et de tester l’effet de gènes knockouts sur les traits anthropométriques. Malgré un échantillon de grande taille, cette approche n’a révélé aucune association. Ensuite, j’ai caractérisé le méthylome et le transcriptome d’érythroblastes différentiés à partir de cellules souches hématopoïétiques et identifié plusieurs gènes potentiellement impliqués dans les programmes érythroïdes fœtaux et adultes. Par ailleurs, j’ai identifié plusieurs micro-ARNs montrant des motifs d’expression spécifiques entre les stages fœtaux et adultes et qui sont enrichis pour des cibles exprimées de façon opposée. Finalement, j’ai identifié plusieurs variants génétiques associés à l’expression de gènes dans les érythroblastes (eQTL). Cette étude a permis d’identifier des variants associés à l’expression du gène ATP2B4, qui encode le principal transporteur de calcium des érythrocytes. Ces variants, qui sont également associés à des traits sanguins et à la susceptibilité à la malaria, tombent dans un élément d’ADN spécifique aux cellules érythroïdes. La délétion de cet élément par le système CRISPR/Cas9 induit une forte diminution de l’expression du gène et une augmentation des niveaux de calcium intracellulaires. En conclusion, des échantillons de génotypages exhaustifs seront nécessaires pour étudier l’effet de gènes knockouts sur les traits complexes. Les érythroblastes montrent de grandes différences au niveau de leur méthylome et transcriptome entre les différents stages développementaux. Ces différences influencent potentiellement la régulation de l’hémoglobine fœtale et impliquent de nombreux micro-ARNs et régions régulatrices non-codantes. Finalement, l’exemple d’ATP2B4 montre qu’intégrer des études épigénomiques, transcriptomiques et des expériences d’édition de génome est une approche puissante pour caractériser des variants génétiques non-codants. Par ailleurs, ces résultats impliquent ATP2B4 dans l’hydratation des érythroblastes, qui est associé à la susceptibilité à la malaria et la sévérité de l’anémie falciforme. Cibler ATP2B4 de façon thérapeutique pourrait avoir un impact majeur sur ces maladies qui affectent des millions d’individus à travers le monde.
Genome-wide association studies (GWAS) have revealed several genetic variants associated with complex phenotypes. This is the case for red blood cell (RBC) traits, which are particularly amenable to GWAS as they are routinely and accurately measured. Understanding RBC trait variation is important given their significance as clinical markers and modifiers of disease severity. Notably, increased fetal hemoglobin (HbF) production in sickle cell disease (SCD) patients is associated with a higher life expectancy and decreased morbidity. Nonetheless, most variants identified through GWAS fall in non-coding regions of the human genome, increasing the difficulty of identifying causal links. The main goal of this project was to identify and characterize genes influencing complex traits, and in particular RBC phenotypes. First, I developed an approach to identify and test potential gene knockouts affecting anthropometric traits in a large sample from the general population, which did not yield significant associations. Then, I characterized the DNA methylome and transcriptome of erythroblasts differentiated ex vivo from hematopoietic progenitor stem cells (HPSC), and identified several genes potentially implicated in fetal and adult-stage erythroid programs. I also identified microRNAs (miRNA) that show specific developmental expression patterns and that are enriched in inversely expressed targets. Finally, I mapped expression quantitative trait loci (eQTL) in erythroblasts, and identify erythroid-specific eQTLs for ATP2B4, the main calcium ATPase of RBCs. These genetic variants are associated with RBC traits and malaria susceptibly, and overlap an erythroid-specific enhancer of ATP2B4. Deletion of this regulatory element using CRISPR/Cas9 experiments in human erythroid cells minimized ATP2B4 expression and increased intracellular calcium levels. In conclusion, large and comprehensive genotyping datasets will be necessary to test the role of rare gene knockouts on complex phenotypes. The transcriptomes and DNA methylomes of erythroblasts show substantial differences correlating with their developmental stages and that may be implicated in HbF production. These results also suggest a strong implication of erythroid enhancers and miRNAs in developmental stage specificity. Finally, characterizing the erythroid-specific enhancer of ATP2B4 suggest that integrating epigenomic, transcriptomic and gene editing experiments can be a powerful approach to characterize non-coding genetic variants. These results implicate ATP2B4 in erythroid cell hydration, which is associated with malaria susceptibility and SCD severity, suggesting that therapies targeting this gene could impact diseases affecting millions of individuals worldwide.