Mitochondrial DNA sequence variation within the remnant populations of the endangered numbat (Marsupialia: Myrmecobiidae: Myrmecobius fasciatus).

The numbat has been reduced to two populations in Western Australia. To better understand the effects of range reduction on gene flow and genetic variation, and to address questions crucial for the species' management, we analysed mitochondrial DNA (mtDNA) sequences of free-ranging individuals and museum specimens. The results suggest recent connectivity between the remnant populations, although one of those may have lost significant amounts of genetic diversity during the recent population size reduction. We propose that for management purposes the remnant populations should be treated as a single historical lineage and that, subject to certain caveats, consideration should be given to population augmentation by translocation.

Systems biology of plants : from intraspecific genome variation to computational morphodynamics

Recently, the introduction of second generation sequencing and further advance-ments in confocal microscopy have enabled system-level studies for the functional characterization of genes. The degree of complexity intrinsic to these approaches needs the development of bioinformatics methodologies and computational models for extracting meaningful biological knowledge from the enormous amount of experi¬mental data which is continuously generated. This PhD thesis presents several novel bioinformatics methods and computational models to address specific biological questions in Plant Biology by using the plant Arabidopsis thaliana as a model system. First, a spatio-temporal qualitative analysis of quantitative transcript and protein profiles is applied to show the role of the BREVIS RADIX (BRX) protein in the auxin- cytokinin crosstalk for root meristem growth. Core of this PhD work is the functional characterization of the interplay between the BRX protein and the plant hormone auxin in the root meristem by using a computational model based on experimental evidence. Hyphotesis generated by the modelled to the discovery of a differential endocytosis pattern in the root meristem that splits the auxin transcriptional response via the plasma membrane to nucleus partitioning of BRX. This positional information system creates an auxin transcriptional pattern that deviates from the canonical auxin response and is necessary to sustain the expression of a subset of BRX-dependent auxin-responsive genes to drive root meristem growth. In the second part of this PhD thesis, we characterized the genome-wide impact of large scale deletions on four divergent Arabidopsis natural strains, through the integration of Ultra-High Throughput Sequencing data with data from genomic hybridizations on tiling arrays. Analysis of the identified deletions revealed a considerable portion of protein coding genes affected and supported a history of genomic rearrangements shaped by evolution. In the last part of the thesis, we showed that VIP3 gene in Arabidopsis has an evo-lutionary conserved role in the 3' to 5' mRNA degradation machinery, by applying a novel approach for the analysis of mRNA-Seq data from random-primed mRNA. Altogether, this PhD research contains major advancements in the study of natural genomic variation in plants and in the application of computational morphodynamics models for the functional characterization of biological pathways essential for the plant. - Récemment, l'introduction du séquençage de seconde génération et les avancées dans la microscopie confocale ont permis des études à l'échelle des différents systèmes cellulaires pour la caractérisation fonctionnelle de gènes. Le degrés de complexité intrinsèque à ces approches ont requis le développement de méthodologies bioinformatiques et de modèles mathématiques afin d'extraire de la masse de données expérimentale générée, des information biologiques significatives. Ce doctorat présente à la fois des méthodes bioinformatiques originales et des modèles mathématiques pour répondre à certaines questions spécifiques de Biologie Végétale en utilisant la plante Arabidopsis thaliana comme modèle. Premièrement, une analyse qualitative spatio-temporelle de profiles quantitatifs de transcripts et de protéines est utilisée pour montrer le rôle de la protéine BREVIS RADIX (BRX) dans le dialogue entre l'auxine et les cytokinines, des phytohormones, dans la croissance du méristème racinaire. Le noyau de ce travail de thèse est la caractérisation fonctionnelle de l'interaction entre la protéine BRX et la phytohormone auxine dans le méristème de la racine en utilisant des modèles informatiques basés sur des preuves expérimentales. Les hypothèses produites par le modèle ont mené à la découverte d'un schéma différentiel d'endocytose dans le méristème racinaire qui divise la réponse transcriptionnelle à l'auxine par le partitionnement de BRX de la membrane plasmique au noyau de la cellule. Cette information positionnelle crée une réponse transcriptionnelle à l'auxine qui dévie de la réponse canonique à l'auxine et est nécessaire pour soutenir l'expression d'un sous ensemble de gènes répondant à l'auxine et dépendant de BRX pour conduire la croissance du méristème. Dans la seconde partie de cette thèse de doctorat, nous avons caractérisé l'impact sur l'ensemble du génome des délétions à grande échelle sur quatre souches divergentes naturelles d'Arabidopsis, à travers l'intégration du séquençage à ultra-haut-débit avec l'hybridation génomique sur puces ADN. L'analyse des délétions identifiées a révélé qu'une proportion considérable de gènes codant était affectée, supportant l'idée d'un historique de réarrangement génomique modelé durant l'évolution. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons montré que le gène VÏP3 dans Arabidopsis a conservé un rôle évolutif dans la machinerie de dégradation des ARNm dans le sens 3' à 5', en appliquant une nouvelle approche pour l'analyse des données de séquençage d'ARNm issue de transcripts amplifiés aléatoirement. Dans son ensemble, cette recherche de doctorat contient des avancées majeures dans l'étude des variations génomiques naturelles des plantes et dans l'application de modèles morphodynamiques informatiques pour la caractérisation de réseaux biologiques essentiels à la plante. - Le développement des plantes est écrit dans leurs codes génétiques. Pour comprendre comment les plantes sont capables de s'adapter aux changements environnementaux, il est essentiel d'étudier comment leurs gènes gouvernent leur formation. Plus nous essayons de comprendre le fonctionnement d'une plante, plus nous réalisons la complexité des mécanismes biologiques, à tel point que l'utilisation d'outils et de modèles mathématiques devient indispensable. Dans ce travail, avec l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thalicinci nous avons résolu des problèmes biologiques spécifiques à travers le développement et l'application de méthodes informatiques concrètes. Dans un premier temps, nous avons investigué comment le gène BREVIS RADIX (BRX) régule le développement de la racine en contrôlant la réponse à deux hormones : l'auxine et la cytokinine. Nous avons employé une analyse statistique sur des mesures quantitatives de transcripts et de produits de gènes afin de démontrer que BRX joue un rôle antagonisant dans le dialogue entre ces deux hormones. Lorsque ce-dialogue moléculaire est perturbé, la racine primaire voit sa longueur dramatiquement réduite. Pour comprendre comment BRX répond à l'auxine, nous avons développé un modèle informatique basé sur des résultats expérimentaux. Les simulations successives ont mené à la découverte d'un signal positionnel qui contrôle la réponse de la racine à l'auxine par la régulation du mouvement intracellulaire de BRX. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons analysé le génome entier de quatre souches naturelles d'Arabidopsis et nous avons trouvé qu'une grande partie de leurs gènes étaient manquant par rapport à la souche de référence. Ce résultat indique que l'historique des modifications génomiques conduites par l'évolution détermine une disponibilité différentielle des gènes fonctionnels dans ces plantes. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons analysé les données du transcriptome de la plante où le gène VIP3 était non fonctionnel. Ceci nous a permis de découvrir le rôle double de VIP3 dans la régulation de l'initiation de la transcription et dans la dégradation des transcripts. Ce rôle double n'avait jusqu'alors été démontrée que chez l'homme. Ce travail de doctorat supporte le développement et l'application de méthodologies informatiques comme outils inestimables pour résoudre la complexité des problèmes biologiques dans la recherche végétale. L'intégration de la biologie végétale et l'informatique est devenue de plus en plus importante pour l'avancée de nos connaissances sur le fonctionnement et le développement des plantes.

Preliminary regional rockfall hazard mapping using LIDAR-based slope frequency distribution and CONEFALL modeling

A factor limiting preliminary rockfall hazard mapping at regional scale is often the lack of knowledge of potential source areas. Nowadays, high resolution topographic data (LiDAR) can account for realistic landscape details even at large scale. With such fine-scale morphological variability, quantitative geomorphometric analyses become a relevant approach for delineating potential rockfall instabilities. Using digital elevation model (DEM)-based ?slope families? concept over areas of similar lithology and cliffs and screes zones available from the 1:25,000 topographic map, a susceptibility rockfall hazard map was drawn up in the canton of Vaud, Switzerland, in order to provide a relevant hazard overview. Slope surfaces over morphometrically-defined thresholds angles were considered as rockfall source zones. 3D modelling (CONEFALL) was then applied on each of the estimated source zones in order to assess the maximum runout length. Comparison with known events and other rockfall hazard assessments are in good agreement, showing that it is possible to assess rockfall activities over large areas from DEM-based parameters and topographical elements.

Quantitative integration of geophysical and hydraulic data : from the local towards the regional scale range

Des progrès significatifs ont été réalisés dans le domaine de l'intégration quantitative des données géophysique et hydrologique l'échelle locale. Cependant, l'extension à de plus grandes échelles des approches correspondantes constitue encore un défi majeur. Il est néanmoins extrêmement important de relever ce défi pour développer des modèles fiables de flux des eaux souterraines et de transport de contaminant. Pour résoudre ce problème, j'ai développé une technique d'intégration des données hydrogéophysiques basée sur une procédure bayésienne de simulation séquentielle en deux étapes. Cette procédure vise des problèmes à plus grande échelle. L'objectif est de simuler la distribution d'un paramètre hydraulique cible à partir, d'une part, de mesures d'un paramètre géophysique pertinent qui couvrent l'espace de manière exhaustive, mais avec une faible résolution (spatiale) et, d'autre part, de mesures locales de très haute résolution des mêmes paramètres géophysique et hydraulique. Pour cela, mon algorithme lie dans un premier temps les données géophysiques de faible et de haute résolution à travers une procédure de réduction déchelle. Les données géophysiques régionales réduites sont ensuite reliées au champ du paramètre hydraulique à haute résolution. J'illustre d'abord l'application de cette nouvelle approche dintégration des données à une base de données synthétiques réaliste. Celle-ci est constituée de mesures de conductivité hydraulique et électrique de haute résolution réalisées dans les mêmes forages ainsi que destimations des conductivités électriques obtenues à partir de mesures de tomographic de résistivité électrique (ERT) sur l'ensemble de l'espace. Ces dernières mesures ont une faible résolution spatiale. La viabilité globale de cette méthode est testée en effectuant les simulations de flux et de transport au travers du modèle original du champ de conductivité hydraulique ainsi que du modèle simulé. Les simulations sont alors comparées. Les résultats obtenus indiquent que la procédure dintégration des données proposée permet d'obtenir des estimations de la conductivité en adéquation avec la structure à grande échelle ainsi que des predictions fiables des caractéristiques de transports sur des distances de moyenne à grande échelle. Les résultats correspondant au scénario de terrain indiquent que l'approche d'intégration des données nouvellement mise au point est capable d'appréhender correctement les hétérogénéitées à petite échelle aussi bien que les tendances à gande échelle du champ hydraulique prévalent. Les résultats montrent également une flexibilté remarquable et une robustesse de cette nouvelle approche dintégration des données. De ce fait, elle est susceptible d'être appliquée à un large éventail de données géophysiques et hydrologiques, à toutes les gammes déchelles. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'évalue en détail la viabilité du réechantillonnage geostatique séquentiel comme mécanisme de proposition pour les méthodes Markov Chain Monte Carlo (MCMC) appliquées à des probmes inverses géophysiques et hydrologiques de grande dimension . L'objectif est de permettre une quantification plus précise et plus réaliste des incertitudes associées aux modèles obtenus. En considérant une série dexemples de tomographic radar puits à puits, j'étudie deux classes de stratégies de rééchantillonnage spatial en considérant leur habilité à générer efficacement et précisément des réalisations de la distribution postérieure bayésienne. Les résultats obtenus montrent que, malgré sa popularité, le réechantillonnage séquentiel est plutôt inefficace à générer des échantillons postérieurs indépendants pour des études de cas synthétiques réalistes, notamment pour le cas assez communs et importants où il existe de fortes corrélations spatiales entre le modèle et les paramètres. Pour résoudre ce problème, j'ai développé un nouvelle approche de perturbation basée sur une déformation progressive. Cette approche est flexible en ce qui concerne le nombre de paramètres du modèle et lintensité de la perturbation. Par rapport au rééchantillonage séquentiel, cette nouvelle approche s'avère être très efficace pour diminuer le nombre requis d'itérations pour générer des échantillons indépendants à partir de la distribution postérieure bayésienne. - Significant progress has been made with regard to the quantitative integration of geophysical and hydrological data at the local scale. However, extending corresponding approaches beyond the local scale still represents a major challenge, yet is critically important for the development of reliable groundwater flow and contaminant transport models. To address this issue, I have developed a hydrogeophysical data integration technique based on a two-step Bayesian sequential simulation procedure that is specifically targeted towards larger-scale problems. The objective is to simulate the distribution of a target hydraulic parameter based on spatially exhaustive, but poorly resolved, measurements of a pertinent geophysical parameter and locally highly resolved, but spatially sparse, measurements of the considered geophysical and hydraulic parameters. To this end, my algorithm links the low- and high-resolution geophysical data via a downscaling procedure before relating the downscaled regional-scale geophysical data to the high-resolution hydraulic parameter field. I first illustrate the application of this novel data integration approach to a realistic synthetic database consisting of collocated high-resolution borehole measurements of the hydraulic and electrical conductivities and spatially exhaustive, low-resolution electrical conductivity estimates obtained from electrical resistivity tomography (ERT). The overall viability of this method is tested and verified by performing and comparing flow and transport simulations through the original and simulated hydraulic conductivity fields. The corresponding results indicate that the proposed data integration procedure does indeed allow for obtaining faithful estimates of the larger-scale hydraulic conductivity structure and reliable predictions of the transport characteristics over medium- to regional-scale distances. The approach is then applied to a corresponding field scenario consisting of collocated high- resolution measurements of the electrical conductivity, as measured using a cone penetrometer testing (CPT) system, and the hydraulic conductivity, as estimated from electromagnetic flowmeter and slug test measurements, in combination with spatially exhaustive low-resolution electrical conductivity estimates obtained from surface-based electrical resistivity tomography (ERT). The corresponding results indicate that the newly developed data integration approach is indeed capable of adequately capturing both the small-scale heterogeneity as well as the larger-scale trend of the prevailing hydraulic conductivity field. The results also indicate that this novel data integration approach is remarkably flexible and robust and hence can be expected to be applicable to a wide range of geophysical and hydrological data at all scale ranges. In the second part of my thesis, I evaluate in detail the viability of sequential geostatistical resampling as a proposal mechanism for Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methods applied to high-dimensional geophysical and hydrological inverse problems in order to allow for a more accurate and realistic quantification of the uncertainty associated with the thus inferred models. Focusing on a series of pertinent crosshole georadar tomographic examples, I investigated two classes of geostatistical resampling strategies with regard to their ability to efficiently and accurately generate independent realizations from the Bayesian posterior distribution. The corresponding results indicate that, despite its popularity, sequential resampling is rather inefficient at drawing independent posterior samples for realistic synthetic case studies, notably for the practically common and important scenario of pronounced spatial correlation between model parameters. To address this issue, I have developed a new gradual-deformation-based perturbation approach, which is flexible with regard to the number of model parameters as well as the perturbation strength. Compared to sequential resampling, this newly proposed approach was proven to be highly effective in decreasing the number of iterations required for drawing independent samples from the Bayesian posterior distribution.

Genetic and environmental components of phenotypic variation in immune response and body size of a colonial bird, Delichon urbica (the house martin).

Directional selection for parasite resistance is often intense in highly social host species. Using a partial cross-fostering experiment we studied environmental and genetic variation in immune response and morphology in a highly colonial bird species, the house martin (Delichon urbica). We manipulated intensity of infestation of house martin nests by the haematophagous parasitic house martin bug Oeciacus hirundinis either by spraying nests with a weak pesticide or by inoculating them with 50 bugs. Parasitism significantly affected tarsus length, T cell response, immunoglobulin and leucocyte concentrations. We found evidence of strong environmental effects on nestling body mass, body condition, wing length and tarsus length, and evidence of significant additive genetic variance for wing length and haematocrit. We found significant environmental variance, but no significant additive genetic variance in immune response parameters such as T cell response to the antigenic phytohemagglutinin, immunoglobulins, and relative and absolute numbers of leucocytes. Environmental variances were generally greater than additive genetic variances, and the low heritabilities of phenotypic traits were mainly a consequence of large environmental variances and small additive genetic variances. Hence, highly social bird species such as the house martin, which are subject to intense selection by parasites, have a limited scope for immediate microevolutionary response to selection because of low heritabilities, but also a limited scope for long-term response to selection because evolvability as indicated by small additive genetic coefficients of variation is weak.

Gene expression variation and expression quantitative trait mapping of human chromosome 21 genes.

Inter-individual differences in gene expression are likely to account for an important fraction of phenotypic differences, including susceptibility to common disorders. Recent studies have shown extensive variation in gene expression levels in humans and other organisms, and that a fraction of this variation is under genetic control. We investigated the patterns of gene expression variation in a 25 Mb region of human chromosome 21, which has been associated with many Down syndrome (DS) phenotypes. Taqman real-time PCR was used to measure expression variation of 41 genes in lymphoblastoid cells of 40 unrelated individuals. For 25 genes found to be differentially expressed, additional analysis was performed in 10 CEPH families to determine heritabilities and map loci harboring regulatory variation. Seventy-six percent of the differentially expressed genes had significant heritabilities, and genomewide linkage analysis led to the identification of significant eQTLs for nine genes. Most eQTLs were in trans, with the best result (P=7.46 x 10(-8)) obtained for TMEM1 on chromosome 12q24.33. A cis-eQTL identified for CCT8 was validated by performing an association study in 60 individuals from the HapMap project. SNP rs965951 located within CCT8 was found to be significantly associated with its expression levels (P=2.5 x 10(-5)) confirming cis-regulatory variation. The results of our study provide a representative view of expression variation of chromosome 21 genes, identify loci involved in their regulation and suggest that genes, for which expression differences are significantly larger than 1.5-fold in control samples, are unlikely to be involved in DS-phenotypes present in all affected individuals.

Inbreeding effects on progeny sex ratio and gender variation in the gynodioecious Silene vulgaris (Caryophyllaceae).

In gynodioecious species, sex expression is generally determined through cytoplasmic male sterility genes interacting with nuclear restorers of the male function. With dominant restorers, there may be an excess of females in the progeny of self-fertilized compared with cross-fertilized hermaphrodites. Moreover, the effect of inbreeding on late stages of the life cycle remains poorly explored. Here, we used hermaphrodites of the gynodioecious Silene vulgaris originating from three populations located in different valleys in the Alps to investigate the effects of two generations of self- and cross-fertilization on sex ratio and gender variation. We detected an increase in females in the progeny of selfed compared with outcrossed hermaphrodites and inbreeding depression for female and male fertility. Male fertility correlated positively with sex ratio differences between outbred and inbred progeny, suggesting that dominant restorers are likely to influence male fertility qualitatively and quantitatively in S. vulgaris. We argue that the excess of females in the progeny of selfed compared with outcrossed hermaphrodites and inbreeding depression for gamete production may contribute to the maintenance of females in gynodioecious populations of S. vulgaris because purging of the genetic load is less likely to occur.

Quantifying network properties in multi-electrode recordings: spatiotemporal characterization and inter-trial variation of evoked gamma oscillations in mouse somatosensory cortex in vitro.

Linking the structural connectivity of brain circuits to their cooperative dynamics and emergent functions is a central aim of neuroscience research. Graph theory has recently been applied to study the structure-function relationship of networks, where dynamical similarity of different nodes has been turned into a "static" functional connection. However, the capability of the brain to adapt, learn and process external stimuli requires a constant dynamical functional rewiring between circuitries and cell assemblies. Hence, we must capture the changes of network functional connectivity over time. Multi-electrode array data present a unique challenge within this framework. We study the dynamics of gamma oscillations in acute slices of the somatosensory cortex from juvenile mice recorded by planar multi-electrode arrays. Bursts of gamma oscillatory activity lasting a few hundred milliseconds could be initiated only by brief trains of electrical stimulations applied at the deepest cortical layers and simultaneously delivered at multiple locations. Local field potentials were used to study the spatio-temporal properties and the instantaneous synchronization profile of the gamma oscillatory activity, combined with current source density (CSD) analysis. Pair-wise differences in the oscillation phase were used to determine the presence of instantaneous synchronization between the different sites of the circuitry during the oscillatory period. Despite variation in the duration of the oscillatory response over successive trials, they showed a constant average power, suggesting that the rate of expenditure of energy during the gamma bursts is consistent across repeated stimulations. Within each gamma burst, the functional connectivity map reflected the columnar organization of the neocortex. Over successive trials, an apparently random rearrangement of the functional connectivity was observed, with a more stable columnar than horizontal organization. This work reveals new features of evoked gamma oscillations in developing cortex.

Regional-scale integration of multi-scale hydrological and geophysical data using a two-step Bayesian sequential simulation approach

Significant progress has been made with regard to the quantitative integration of geophysical and hydrological data at the local scale for the purpose of improving predictions of groundwater flow and solute transport. However, extending corresponding approaches to the regional scale still represents one of the major challenges in the domain of hydrogeophysics. To address this problem, we have developed a regional-scale data integration methodology based on a two-step Bayesian sequential simulation approach. Our objective is to generate high-resolution stochastic realizations of the regional-scale hydraulic conductivity field in the common case where there exist spatially exhaustive but poorly resolved measurements of a related geophysical parameter, as well as highly resolved but spatially sparse collocated measurements of this geophysical parameter and the hydraulic conductivity. To integrate this multi-scale, multi-parameter database, we first link the low- and high-resolution geophysical data via a stochastic downscaling procedure. This is followed by relating the downscaled geophysical data to the high-resolution hydraulic conductivity distribution. After outlining the general methodology of the approach, we demonstrate its application to a realistic synthetic example where we consider as data high-resolution measurements of the hydraulic and electrical conductivities at a small number of borehole locations, as well as spatially exhaustive, low-resolution estimates of the electrical conductivity obtained from surface-based electrical resistivity tomography. The different stochastic realizations of the hydraulic conductivity field obtained using our procedure are validated by comparing their solute transport behaviour with that of the underlying ?true? hydraulic conductivity field. We find that, even in the presence of strong subsurface heterogeneity, our proposed procedure allows for the generation of faithful representations of the regional-scale hydraulic conductivity structure and reliable predictions of solute transport over long, regional-scale distances.