Functional and molecular evolutionary analysis of the "Brevix Radix" gene family in mono-and dicotyledonous plants

ABSTRACTIn contrast to animals, plants cannot move from their place of birth and, therefore, need to adapt to their particular habitat in order to survive. Thus, plant development is remarkably plastic, making plants an ideal system for the isolation of genes that account for intraspecific natural variation and possibly environmental adaptation. However, to date, this approach mostly identified null alleles and missed mutations with subtle effects. For instance, BREVIS RADIX (BRX) has been isolated as a key regulator of root growth through a naturally occurring loss-of-function allele in the Arabidopsis thaliana accession Uk-1 and is the founding member of a highly-conserved plant-specific gene family.In this work, we show that a strong selective pressure is acting on the BRX gene family and dates back before the monocot-dicot divergence. However, functional diversification is observed mainly in dicotyledon BRX family genes and is correlated with acceleration in the evolutionary rates in the N-terminal regions. Population genetic data revealed that BRX is highly conserved across Arabidopsis accessions and presents signatures of adaptation. Interestingly, a seven amino acid deletion polymorphism in BRX sequence was found in a few accessions, which seems to be responsible for their enhanced primary root growth. Nevertheless, BRX might not only be active in the root, as suggested by its expression in the shoot. Indeed, leaves and cotyledons of brx mutants are significantly smaller than wild- type. This phenotype is a direct consequence of the absence of BRX function in the shoot rather than an indirect effect of an altered root system growth. Interestingly, cotyledons of brx plants reflect the same physiological defects as the root. Moreover, phenotypes in BRX gain-of-function plants, such as epinastic leaves and increased epidermal cell size, could be associated with an increase in leaf brassinosteroid content.Collectively, these results indicate that BRX contributes to local adaptation by ubiquitously regulating plant growth, probably through the modulation of brassinosteroid biosynthesis.RÉSUMÉContrairement à la plupart des animaux, les plantes ne peuvent se mouvoir et doivent ainsi s'adapter à leur environnement pour survivre. Pour cette raison, elles représentent un système idéal pour l'identification de gènes contribuant à la variation naturelle intra- spécifique, ainsi qu'à l'adaptation. Cependant, cette approche a, jusqu'à présent, surtout permis d'isoler des allèles nuls et non des mutations conférant des effets plus subtiles. C'est le cas du gène Β REVIS RADIX (BRX), un régulateur clé de la croissance racinaire, qui a été identifié grâce à un allèle non-fonctionnel présent dans l'accession naturelle d'Arabidopsis thaliana Uk-1. BRX et ses homologues des plantes mono- et dicotylédones forment une famille très conservée et spécifique aux plantes.Dans ce travail, nous démontrons que la famille de gènes BRX est soumise à une forte pression de sélection qui remonte avant la divergence entre mono- et dicotylédones. Cependant, une diversification fonctionnelle a été observée chez les gènes des dicotylédones et corrèle avec une accélération de la vitesse d'évolution dans leur région N- terminale. Une analyse génétique de différentes accessions naturelles d'Arabidopsis a révélé que BRX est hautement conservé et présente des signatures d'adaptation. Remarquablement, un polymorphisme de délétion de sept acides aminés a été détecté dans quelques accessions et a pour conséquence une plus forte croissance de la racine primaire. Néanmoins, il semble que le rôle de BRX ne se limite pas qu'à la racine, comme indiqué par son expression dans les parties aériennes de la plante. En effet, les mutants brx présentent des cotylédons et des feuilles significativement plus petits que le type sauvage, une conséquence directe de l'absence d'activité de BRX dans ces organes. Nous avons aussi noté que les cotylédons des mutants brx, à l'instar des racines, ont une perception altérée de l'auxine et peuvent être complémentés par l'application exogène de brassinostéroïdes. De plus, dans des plantes présentant un gain de fonction BRX, les feuilles sont épinastiques et les cellules de leur épiderme plus grandes. Ces phénotypes sont accompagnés d'une augmentation de la concentration de brassinostéroïdes dans les feuilles. Conjointement, ces résultats démontrent que BRX contribue à une adaptation locale de la plante par la régulation générale de sa croissance, probablement en modulant la biosynthèse des brassinostéroïdes.

Je t'aide moi non plus: biologique, comportemental ou psychologique, l'altruisme dans tous ses états

« Je t'aime moi non plus », le titre de la fameuse chanson de Gainsbourg reflète de manière exquise ce que la vie a de beau et d'amer à la fois. A défaut de traiter d'amour, cet ouvrage analyse les méandres de l'aide à sens unique. L'altruisme, ce comportement de don sans attente de retour de service, est abordé ici de manière scientifique et philosophique plutôt que poétique et littéraire. Un objectif est d'en traquer les mécanismes sous-jacents, ceux qui échappent à tout romantisme et se traduisent souvent en calculs de coûts et bénéfices. Il s'agit également d'approfondir les diverses manières de comprendre et de pratiquer l'altruisme. Souvent considéré comme une des plus grandes vertus humaines, l'objet de nombreux écrits philosophiques et psychologiques, l'altruisme peut-il se trouver chez les abeilles et les marmottes ? Posez la question à un biologiste de l'évolution et il vous répondra « Mais oui, évidemment ! ». A première vue, une telle réponse est consternante mais nous verrons qu'à y regarder de plus près, les philosophes et les biologistes ne parlent pas exactement de la même chose en utilisant le même terme. L'hétérogénéité des disciplines intéressées à l'altruisme et des contextes théoriques dans lesquels il est utilisé en ont fait une notion extrêmement complexe et difficile à saisir. Au sein des différentes sciences sociales et du vivant, l'altruisme est un élément pivot dans trois débats dont cet ouvrage prend le temps de retracer les contours. Tantôt, l'altruisme se profile en danger (apparent) pour la théorie de l'évolution darwinienne (chap. 1), tantôt, il sert de cheval de bataille dans la croisade contre l'idéal de l'homo economicus si souvent prôné en économie (chap. 2 et 3), tantôt il est une énigme à découvrir dans les méandres de nos motivations intimes (chap. 3). Dans le cadre de ces différents débats, la notion d'altruisme prend des significations sensiblement différentes. Pour en rendre compte, l'ensemble de l'ouvrage s'articule autour d'une triple distinction fondamentale : l'altruisme peut être compris au sens biologique, comportemental ou psychologique. Chacune de ces notions est utilisée dans un contexte spécifique au sein de sciences qui ont leurs propres traditions et leurs propres débats internes. La structure de l'ouvrage est organisée en fonction de cette triple distinction. Le premier chapitre est consacré à l'altruisme biologique, définit en termes de valeur de survie et de reproduction (fitness) : un comportement est altruiste s'il a pour effet d'augmenter la fitness d'autrui aux dépens de sa propre fitness. L'observation de comportements altruistes au sein du monde animal a posé un des plus grands défis à la théorie de l'évolution depuis la publication de l'Origine des espèces. Des générations de biologistes se sont attelés à la tâche d'expliquer comment un comportement qui augmente la fitness biologique d'autres organismes aux dépends de la fitness de l'agent a pu être sélectionnée au fil de l'évolution. Nous verrons que c'est grâce aux travaux de William Hamilton et d'autres que cette difficulté a pu être résolue. Le deuxième chapitre retrace les attaques d'une frange d'économistes (supportés dans leur effort critique par des théoriciens des jeux et anthropologues évolutionnistes), contre le modèle classique de l'homo economicus. Leur objectif est de montrer que des personnes ordinaires ne se comportement souvent pas en maximisateurs rationnels de leurs gains propres, comme le prédirait la théorie économique néo-classique. Dans le cadre de ce débat, c'est du comportement social spécifiquement humain et plus particulièrement de l'altruisme humain dont il est question. Le terme d'altruisme est alors utilisé dans un sens plus lâche que ne le font les biologistes ; ce que l'on appellera l'altruisme comportemental comprend les actions coûteuses pour l'agent et avantageuses pour autrui. La particularité humaine fournira également l'occasion de traiter la délicate question des rapports entre l'évolution génétique et la culture. Nous verrons que l'étude du comportement animal fournit les premiers éléments d'explication de l'altruisme humain, mais ce dernier ne peut être pleinement compris qu'au terme d'une analyse qui tient compte des capacités qui nous sont propres. Cette analyse nous permettra de saisir pourquoi les êtes humains sont à la fois plus sociaux et plus opportunistes (la contradiction n'est qu'apparente) que les autres espèces animales. Malgré leurs différences, les versions biologique et comportementale de l'altruisme sont très proches au sens où elles traitent des conséquences de comportements. Ces notions ne reflètent qu'imparfaitement la conception ordinaire que nous nous faisons de l'altruisme. L'altruisme tel qu'il est utilisé dans le langage courant correspond davantage à l'image que s'en font les philosophes et les psychologues. Pour déceler les actions altruistes, ces derniers se demandent généralement si elles ont été causées par un motif dirigé vers le bien d'autrui. En ce sens, on parle d'altruisme psychologique qui réfère aux causes plutôt qu'aux effets des actions d'aide. Le troisième chapitre est consacré aux débats qui font rage autour de la question de savoir si les êtres humains sont capables d'agir de manière altruiste psychologique, c'est-à-dire en fonction de motifs exclusivement dirigés vers le bien-être d'autrui. Nous verrons à quel point cette tâche est ardue à moins d'accepter de reformuler la question en termes de motivation primaire à l'action. Au terme de l'analyse, il apparaitra que les trois notions d'altruisme se croisent sans se recouper dans un enchevêtrement de liens plus ou moins complexes. Nous verrons par exemple que l'altruisme biologique (voire comportemental) pourrait bien être une condition nécessaire à l'évolution de l'altruisme psychologique ; des liens tangibles peut ainsi être tissés entre ces différentes notions. Les diverses approches du phénomène de l'altruisme retracées dans cet ouvrage fournissent également des clefs de compréhension des méandres du comportement social animal et plus particulièrement humain. De manière générale, sans apporter de solutions toutes faites, cet écrit peut servir de guide sémantique et initie le lecteur à une littérature interdisciplinaire émergeante, foisonnante, passionnante quoique encore souvent parsemée de confusions et de contradictions.

Genetic and environmental effects on early life-history traits in salmonids

Les changements environnementaux, tels la température ou les maladies infectieuses, peuvent influencer l'évolution en induisant de la sélection, mais ceci à la seule condition qu'il y ait assez de diversité génétique pour les traits en question ou pour l'expression plastique de ces traits. Au cours cette thèse, nous avons étudié l'effet de potentielles pressions environnementales sur différents phénotypes de trois représentants des sous familles des salmonidés: l'ombre commun (Thymallus thymallus; Thymallinae), la truite de rivière {Salmo trutta; Salmoninae) et le corégone Coregonus palaea (Coregoninae). Les salmonidés se prêtent particulièrement bien à ce type d'expériences car étant hautement sensibles aux conditions environnementales, ils montrent une large variabilité dans leurs traits morphologiques, comportementaux ainsi que d'histoire de vie, tout en bénéficiant d'un large intérêt général. Nous avons testé si le sexe de l'ombre commun pouvait être modifié par la température, ce qui pourrait ainsi expliquer un changement abrupte de sex ratio observé dans l'une des plus grandes populations de Suisse. Nous n'avons trouvé aucun indice permettant de conclure que la température puisse induire ce changement chez l'ombre commun ou chez la truite de rivière. De plus nous avons étudié la plasticité de développement ainsi que d'éclosion, et avons observé des différences entre familles ainsi qu'entre populations. Alors que ces différences comportementales entre populations suggéraient une adaptation aux conditions environnementales locales, cette prédiction n'a pas été confirmée par une expérience de transplantation réciproque d'embryons entre cinq rivières de la même région. Cette étude a montré que les embryons ne survivaient pas mieux dans leur rivière d'origine, indiquant donc une absence d'adaptation locale. Nous avons aussi montré que la mortalité embryonnaire était influencée autant par des "bons gènes" que par des "gènes compatibles", que la qualité des mâles pouvait être signalée par leur coloration, et que le fait d'élever des poissons dans une pisciculture pouvait aboutir a des relations contre-intuitives entre la coloration des mâles et la qualité de leur jeunes. Nos résultats contribuent ainsi à une meilleure compréhension de l'effet de diverses pressions environnementales sur la morphologie, le comportement ou les traits d'histoire de vie chez les salmonidés. - Environmental changes, such as changes in temperatures or infection levels, can induce selection and drive evolution if there is sufficient genetic variation for the traits or the plasticity in trait expression. In this thesis, we investigated the influence of potential environmental stressors on various phenotypes in representatives of the three salmonid subfamilies: the European grayling (Thymallus thymallus; Thymallinae), the brown trout (,Salmo trutta; Salmoninae), and the whitefish Coregonus palaea (Coregoninae). Salmonids are ideal study species, as they seem sensitive to changing environmental conditions, show considerable variability in morphological, behavioral, and life history traits, and are of broad public interest. We investigated whether temperature-induced sex reversal could explain the sex-ratio distortion found in one of Switzerland's largest grayling populations. We found no evidence of temperature-induced sex reversal in either graylings or brown trout. We also examined plasticity in embryo development and the timing of hatching. We found variation at the level of family and population. Although behavioral differences between populations suggested adaptation to local environmental conditions, no indications of local adaptation could be found in reciprocal transplant experiments carried out over five rivers in the same region. We also demonstrate that embryo development and viability is influenced by 'good genes' and 'compatible genes', that the genetic quality of sires can be signaled by their grey coloration, and that raising larvae in a hatchery environment can produce counter-intuitive relationships between male phenotypes and offspring viability. Our results contribute to the understanding of how changing environmental conditions affect the phenotypes and the heritability of early life-history traits in salmonids.

Apport de la psychanalyse en oncogénétique prédictive

La médecine prédictive évalue la probabilité que des personnes portant des mutations génétiques constitutionnelles puissent développer une maladie donnée, comme par exemple une tumeur maligne (oncogénétique). Dans le cas des prédispositions génétiques au cancer, des mesures particulières de surveillance et de prévention sont discutées en fonction de l'évaluation des risques et des résultats de l'analyse génétique, y compris certains traitements préventifs allant, à l'extrême, jusqu'à l'intervention chirurgicale prophylactique (ex : mastectomie et/ou ovariectomie). Cette étude est basée sur une interprétation psychanalytique du récit de sujets ayant entrepris une démarche en oncogénétique et vise à analyser l'impact psychique : a) du résultat de l'analyse génétique et b) de la construction de l'arbre généalogique. Elle a été conduite dans l'Unité d'oncogénétique et de prévention des cancers (UOPC) du Service d'oncologie des Hôpitaux Universitaires de Genève (HUG). L'UOPC assure des consultations de conseil génétique spécialisé pour les personnes ayant des antécédents personnels et/ou familiaux de maladies tumorales suggestifs de l'existence de prédispositions génétiques au cancer. La population de cette étude comprend 125 sujets suivis lors des différentes étapes du dépistage, pour un total de 289 consultations et 50 entretiens individuels. Cette recherche montre que les sujets asymptomatiques réélaborent de façon personnelle, soit le résultat génétique (négatif ou positif), soit l'acte de prédiction. En revanche, ceux qui ont développé un cancer expriment des sentiments d'angoisse, comme s'ils subissaient les effets d'un destin inéluctable qui s'est effectivement réalisé. Par ailleurs, l'arbre généalogique est réinterprété de façon personnelle, laissant apparaître des aspects refoulés ou niés qui peuvent resurgir. Lorsque d'autres membres de la famille sont sollicités pour préciser les liens génétiques et/ou être soumis en première intention à l'analyse génétique, le sujet exprime sa difficulté de dépendre d'autres personnes pour connaître son propre statut biologique. D'une façon générale, on constate que là où la médecine prédictive réalise son acte de prévision, le sujet répond de façon imprévisible. Dans l'optique de la psychanalyse, cette imprévisibilité est liée aux aspects du « désir inconscient ». Cette étude montre aussi qu'on ne peut pas considérer le dépistage génétique comme étant la cause directe du traumatisme. L'effort doit porter sur le fait que le sujet puisse se réapproprier ce qui lui arrive, et exprimer progressivement sa souffrance spécifique en jeu dans le processus de prédiction pour créer un écart entre la vérité médicale et la sienne. L'espace de la parole devient ainsi le lieu d'un travail privilégié. La psychanalyse opère donc pour que le résultat génétique se détache de l'acte de prédiction, c'est-à-dire qu'il redevienne un moment de la vie du sujet qui puisse s'articuler comme sa propre histoire personnelle. The aim of predictive medicine is to assess the probability that individuals carrying germ-line mutations will develop certain diseases, for instance cancer (oncogenetics). In predictive oncology, particular surveillance and prevention measures are discussed with these patients in relation to risk assessment and results of genetic testing, including preventive care which can, in extremes cases, lead to prophylactic surgery (i.e. mastectomy and/or ovariectomy). This study is based on a psychoanalytic interpretation of subjects' narration of the oncogenetic process and aims at analyzing the psychological impact of a) genetic testing and b) the construction of the family tree. It was carried out at the Oncogenetics and cancer prevention unit (Unité d'oncogénétique et de prévention des cancers) from the Geneva University Hospitals (Hôpitaux Universitaires de Genève, HUG) which organizes genetic counselling for individuals having personal and/or family history suggestive of genetic predisposition to cancer. The study population comprises 125 patients followed during the successive steps of genetic counselling, for a total of 289 consultations and 50 personal interviews. This research shows that asymptomatic subjects re-elaborate in a personal way either the results of genetic testing (negative or positive) or the act of prediction. Conversely, those having developed cancer express feelings of anguish, as if they were undergoing the effects of a destiny which effectively happened. Its sight remains a difficult step of the oncogenetic process, as psychological aspects which were repressed or denied can re-appear. When some family members are solicited to help reconstructing the genetic relationships, sometimes being themselves submitted first to genetic testing, the study subject expresses the difficulty to depend on other persons to learn more about his own biological status. In this study, we observe that, in parallel to predictions delivered by the process of predictive medicine, the subject actually answers unpredictably. With a psychoanalytic perspective, this unpredictability is related to an "unconscious desire". We also find that we cannot consider that genetic screening is a direct cause of psychological trauma. Our efforts must rely on allowing the subject to re-appropriate himself what is happening, to let him progressively express his own suffering of the prediction in order to create a gap between the medical reality and his own. In this process, "speech" is needed to let this happening. Psychoanalysis works in such a way that the genetic testing's result becomes distinct from the act of prediction, a moment of the subject's life expressed as his own personal history.

Social Dynamics in Paper Wasps: The case of nest-drifting in Polistes canadensis

Le passage de la vie solitaire à la vie sociale représente une des principales transitions évolutives. La socialité a évolué au sein de plusieurs taxons du règne animal et notamment chez les insectes sociaux qui ont atteint son niveau le plus élevé : l'eusocialité. Les colonies d'insectes sociaux se composent d'une reine, qui monopolise la reproduction, et d'ouvrières, non-reproductrices ou parfois stériles, qui aident à élever la descendance de la reine. Selon la théorie de la sélection de parentèle, les ouvrières augmentent leur fitness (succès reproducteur) non pas à travers leur propre progéniture, mais en aidant des individus apparentés (leur reine) à produire davantage de descendants. Cette théorie prédit ainsi que les ouvrières ont un intérêt à rester fidèles à leur nid natal. Toutefois, chez la guêpe tropicale Polistes canadensis, de nombreuse ouvrières visitent d'autres nids que leur nid natal : un phénomène appelé « dérive des ouvrières ». Le but de ce doctorat est ainsi de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans ce comportement particulier des ouvrières ainsi que ces implications pour la théorie de la sélection de parentèle. Nous avons examiné le comportement de dérive des ouvrières à travers une étude des dynamiques sociales chez la guêpe tropicale P. canadensis. Mes résultats montrent que les populations de P. canadensis se composent en différentes agrégations de nids. Malgré de précédentes suggestions, on n'observe qu'une faible viscosité génétique au sein des populations de P. canadensis étudiées. On retrouve toutefois un degré d'apparentement entre nids d'une même agrégation. Ceci suggère que les ouvrières dériveuses sont susceptibles de bénéficier de fitness indirect en aidant les nids proches géographiquement. De plus, ces échanges d'ouvrières ne semblent pas accidentels puisque l'on constate des variations de taux de dérive et puisque les déplacements observés entre nids persistent sur plusieurs périodes de temps. La charge de travail, qui correspond aux différences d'effort de fourragement entre nid visités et natals, est décrite dans notre étude comme potentiel facteur expliquant le comportement de dérive des ouvrières chez P. canadensis. Nos expériences de retrait d'ouvrières et de couvain ont révélées que les dériveuses ne semblent pas répondre aux changements de besoins en aide des nids visités. Les ouvrières dériveuses biaisent leur effort en aidant leur propre nid, par lequel elles bénéficient le plus en termes de fitness indirect, avant de se consacrer à tout autre nid. Dans l'ensemble, ces résultats sur la dérive des ouvrières chez P. canadensis sont cohérents et suggèrent que ce comportement est une importante stratégie de reproduction alternative chez cette espèce qui contribue à la fitness indirecte de ces ouvrières non-reproductrices. De plus, ce doctorat apporte des informations sur la structure génétique des populations de guêpes Polistes et décrit le rôle des ouvrières inactives. Celles-ci semblent servir de réserve en ouvrières apportant du support à la colonie dans l'éventualité d'une perte d'individus. Plus généralement, ce travail met l'accent sur l'organisation complexe et l'adaptabilité des individus dans les sociétés d'insectes. - One major transition in evolution is the shift from solitary to social life. Sociality has evolved in a few taxa of the animal kingdom, most notably in the social insects which have achieved the highest level of sociality: eusociality. Colonies of social insects are formed by a reproductive queen, and many non-reproductive or sterile workers who help raise their mother queen's offspring. Kin selection theory explains worker behaviour in terms of the indirect fitness they gain from raising non-offspring kin. It therefore predicts that workers should stay faithful to their natal nests, to which they are the more related. However, in the tropical paper wasps Polistes canadensis, high levels of nest-drifting, whereby workers spend time on other neighbouring nests, has been reported. This PhD aimed at understanding the mechanisms involved in this peculiar behaviour as well as its implications for kin selection theory. I examined nest-drifting through the study of the social dynamics of the tropical paper wasp P. canadensis. My results showed that populations of this species of paper wasps are composed of different aggregations of nests. The studied populations showed little limited dispersal (viscosity), despite previous suggestion, but nests within these aggregations were more related to each other than nests outside of aggregations. This suggested that drifters may benefit from indirect fitness when helping on neighbouring nests. Drifting was unlikely to be accidental since we found drifting patterns at various rates and consistently over several time periods during monitoring. Workload (differences in colony-level foraging effort) was also a potential factor explaining nest-drifting in P. canadensis. Worker and brood removal experiments revealed that drifters do not respond to any changes in the need for help in the non-natal nests they visit. Drifters thus bias their help in their natal nests, from which they may benefit the most in terms of indirect fitness, before investing in others. Altogether, these results on nest-drifting in P. canadensis are consistent and suggest that nest-drifting is an important alternative reproductive strategy, contributing to the indirect fitness benefits gained by non-reproductive wasps. Additionally, this PhD provides information on the genetic structure of paper wasps' populations and demonstrates the role of inactive or lazy wasps as a "reserve worker force", which provides resilience to the colony in the event of worker mortality. More generally, this work further highlights the complex organization and adaptability of individuals in insect societies.

Species distributions and interactions in a changing world : from understanding to forecasting

Les écosystèmes fournissent de nombreuses ressources et services écologiques qui sont utiles à la population humaine. La biodiversité est une composante essentielle des écosystèmes et maintient de nombreux services. Afin d'assurer la permanence des services écosystémiques, des mesures doivent être prises pour conserver la biodiversité. Dans ce but, l'acquisition d'informations détaillées sur la distribution de la biodiversité dans l'espace est essentielle. Les modèles de distribution d'espèces (SDMs) sont des modèles empiriques qui mettent en lien des observations de terrain (présences ou absences d'une espèce) avec des descripteurs de l'environnement, selon des courbes de réponses statistiques qui décrive la niche réalisée des espèces. Ces modèles fournissent des projections spatiales indiquant les lieux les plus favorables pour les espèces considérées. Le principal objectif de cette thèse est de fournir des projections plus réalistes de la distribution des espèces et des communautés en montagne pour le climat présent et futur en considérant non-seulement des variables abiotiques mais aussi biotiques. Les régions de montagne et l'écosystème alpin sont très sensibles aux changements globaux et en même temps assurent de nombreux services écosystémiques. Cette thèse est séparée en trois parties : (i) fournir une meilleure compréhension du rôle des interactions biotiques dans la distribution des espèces et l'assemblage des communautés en montagne (ouest des Alpes Suisses), (ii) permettre le développement d'une nouvelle approche pour modéliser la distribution spatiale de la biodiversité, (iii) fournir des projections plus réalistes de la distribution future des espèces ainsi que de la composition des communautés. En me focalisant sur les papillons, bourdons et plantes vasculaires, j'ai détecté des interactions biotiques importantes qui lient les espèces entre elles. J'ai également identifié la signature du filtre de l'environnement sur les communautés en haute altitude confirmant l'utilité des SDMs pour reproduire ce type de processus. A partir de ces études, j'ai contribué à l'amélioration méthodologique des SDMs dans le but de prédire les communautés en incluant les interactions biotiques et également les processus non-déterministes par une approche probabiliste. Cette approche permet de prédire non-seulement la distribution d'espèces individuelles, mais également celle de communautés dans leur entier en empilant les projections (S-SDMs). Finalement, j'ai utilisé cet outil pour prédire la distribution d'espèces et de communautés dans le passé et le futur. En particulier, j'ai modélisé la migration post-glaciaire de Trollius europaeus qui est à l'origine de la structure génétique intra-spécifique chez cette espèce et évalué les risques de perte face au changement climatique. Finalement, j'ai simulé la distribution des communautés de bourdons pour le 21e siècle afin d'évaluer les changements probables dans ce groupe important de pollinisateurs. La diversité fonctionnelle des bourdons va être altérée par la perte d'espèces spécialistes de haute altitude et ceci va influencer la pollinisation des plantes en haute altitude. - Ecosystems provide a multitude of resources and ecological services, which are useful to human. Biodiversity is an essential component of those ecosystems and guarantee many services. To assure the permanence of ecosystem services for future generation, measure should be applied to conserve biodiversity. For this purpose, the acquisition of detailed information on how biodiversity implicated in ecosystem function is distributed in space is essential. Species distribution models (SDMs) are empirical models relating field observations to environmental predictors based on statistically-derived response surfaces that fit the realized niche. These models result in spatial predictions indicating locations of the most suitable environment for the species and may potentially be applied to predict composition of communities and their functional properties. The main objective of this thesis was to provide more accurate projections of species and communities distribution under current and future climate in mountains by considering not solely abiotic but also biotic drivers of species distribution. Mountain areas and alpine ecosystems are considered as particularly sensitive to global changes and are also sources of essential ecosystem services. This thesis had three main goals: (i) a better ecological understanding of biotic interactions and how they shape the distribution of species and communities, (ii) the development of a novel approach to the spatial modeling of biodiversity, that can account for biotic interactions, and (iii) ecologically more realistic projections of future species distributions, of future composition and structure of communities. Focusing on butterfly and bumblebees in interaction with the vegetation, I detected important biotic interactions for species distribution and community composition of both plant and insects along environmental gradients. I identified the signature of environmental filtering processes at high elevation confirming the suitability of SDMs for reproducing patterns of filtering. Using those case-studies, I improved SDMs by incorporating biotic interaction and accounting for non-deterministic processes and uncertainty using a probabilistic based approach. I used improved modeling to forecast the distribution of species through the past and future climate changes. SDMs hindcasting allowed a better understanding of the spatial range dynamic of Trollius europaeus in Europe at the origin of the species intra-specific genetic diversity and identified the risk of loss of this genetic diversity caused by climate change. By simulating the future distribution of all bumblebee species in the western Swiss Alps under nine climate change scenarios for the 21st century, I found that the functional diversity of this pollinator guild will be largely affected by climate change through the loss of high elevation specialists. In turn, this will have important consequences on alpine plant pollination.

Excision of the Staphylococcal Cassette Chromosome mec (SCCmec) and its crucial role in the horizontal transfer of methicillin resistance in staphylococci.

Staphylococcus aureus est un pathogène humain majeur ayant développé des résistances contre la quasi totalité des antibiotiques disponibles, incluant la très importante famille des β- lactamines. La résistance à cette classe d'antibiotiques est conférée par la « Staphylococcal Cassette Chromosome mec » (SCCmec), qui est un élément génétique mobile capable de s'insérer dans le chromosome bactérien et capable d'être transféré horizontalement chez d'autres staphylocoques. Le mécanisme moléculaire impliqué dans ce transfert horizontal demeure largement inconnu. L'une des premières étapes du transfert est l'excision du SCC mec du chromosome bactérien. Cette excision est promue par des enzymes codées par l'élément SCCmec lui- même et appelées de ce fait « Cassette Chromosome Recombinases » (Ccr). L'un des buts de ce travail de thèse a été de comprendre la régulation de l'expression des gènes codant pour les Ccr recombinases. En utilisant des outils moléculaires originaux, nous avons été en mesure de démontrer en premier lieu que les Ccr recombinases étaient exprimées de façon « bistable », c'est à dire qu'uniquement quelques pourcents de cellules dans une population exprimaient ces gènes à un temps donné. Dans un deuxième temps, nous avons également démontré que l'expression de ces gènes était régulée par des facteurs étrangers au SCC mec. L'expression bistable des recombinases est un concept important. Effectivement, cela permet à la majorité des cellules d'une population de conserver l'élément SCC mec, alors que seulement une petite fraction le perd afin de le rendre disponible pour un transfert. Ainsi, alors que l'élément SCC mec continue de se propager avec la multiplication des bactéries Staphylococcus aureus résistant à la méticilline (SARM), il peut être simultanément transmis à des souches susceptibles (Staphylococcus aureus susceptible à la méticilline, SASM), entraînant l'apparition de nouveaux SARM. De façon très intéressante, le fait que cette bistabilité est contrôlée par les bactéries, et non le SCCmec lui-même, montre que la décision de transférer ou non la cassette SCC mec appartient à la bactérie. En conséquence, il doit exister dans la nature des souches qui sont plus ou moins aptes à effectuer ce transfert. En nous appuyant sur ces observations, nous avons montré que l'excision du SCC mec était effectivement régulée de façon très étroite au cours de la division cellulaire, et ne se passait que pendant un temps limité au début de la croissance. Ce résultat est compatible avec une régulation génétique commandée par la densité cellulaire, qui pourrait être dépendante de la production de signaux extracellulaires, du type que l'on rencontre dans le quorum sensing. Les signaux hypothétiques entraînant l'excision du SCC mec restent inconnus à l'heure actuelle. La connaissance de ces signaux pourrait se révéler très importante afin de développer des stratégies pour interférer avec la dissémination de la résistance au β-lactamines. Deux sujets additionnels ont été logiquement investigués au vu de ces premiers résultats. Premièrement, si certaines souches de SARM sont plus ou moins aptes à déclencher l'excision du SCC mec, de même certaines souches de SASM devraient être plus ou moins aptes à acquérir cet élément. Deuxièmement, afin d'étudier ces mécanismes de transfert au niveau épidémiologique, il nous a été nécessaire de développer des outils nous permettant d'explorer le phénomène à une plus large échelle. Concernant le premier point, il a été postulé que certains SASM seraient réfractaires à l'intégration génomique d'un SCC mec en raison de polymorphismes particuliers à proximité du site d'insertion chromosomique (attB). En étudiant plus de 40 isolais de S. aureus, provenant de porteurs sains, nous avons confirmé ce polymorphisme dans l'environnement à'attB. De plus, nous avons pu montrer que ces régions polymorphiques ont évolué parallèlement à des groupes phylogénétiques bien connus. Ainsi, si des telles régions réfractaires à l'intégration de SCC mec existent, celles-ci devraient ségréger dans des complexes clonaux bien définis qui devraient être facilement identifiables au niveau épidémiologique. Concernant le second point, nous avons été capables de construire un système rapporteur de l'excision du SCCmec, en utilisant un plasmide à faible copie. Ce système consistait en un promoteur fort et un gène codant pour une protéine verte fluorescente (GFP) sous le contrôle d'un promoteur fort séparés à l'aide d'un élément SCC artificiel portant trois terminateurs de transcription. Ainsi, la fluorescence ne s'exprime que si l'élément SCC est excisé du plasmide. Ce système a été testé avec succès dans plusieurs types de staphylocoques, et est actuellement évalué dans d'autres souches et conditions stimulant ou inhibant l'excision. De manière générale, cette dissertation représente parcours scientifique à travers plusieurs aspects d'un problème de santé publique majeur en rapport avec la résistance bactérienne aux antibiotiques. Ce travail s'attaque à des problèmes fondamentaux concernant le transfert horizontal de l'élément SCC mec. De plus, il s'intéresse à des aspects plus généraux de cet élément génétique mobile qui pourraient se révéler très importants en terme de mouvement de gènes au sein des staphylocoques, voir d'autres bactéries gram-positives. Finalement ce travail de thèse met en place le fondamentaux requis pour des recherches futures visant à interférer avec le transfert horizontal de la résistance aux β-lactamines. - Staphylococcus aureus is a major human pathogen. Moreover, S. aureus have developed resistance to almost all available antibiotics, including the important family of β-lactam molecules. Intrinsic resistance to β-lactams is conferred by the Staphylococcal Cassette Chromosome mec (SCCmec), which is a mobile genomic island that inserts into the staphylococcal chromosome and can be horizontally transferred into other staphylococci. However, little is known about the molecular mechanisms involved in this horizontal transfer into naïve strains. One of the first steps in SCC mec horizontal transfer is its excision from the chromosome. Excision is mediated by recombinase enzymes that are encoded by SCC mec itself, and named accordingly Ccr recombinases - for Cassette Chromosome recombinases. One goal of this thesis was to understand the regulation these recombinase genes. By using original molecular tools we could demonstrate first that the Ccr recombinases were expressed in a "bistable" manner, i.e. in only few percentages of the bacterial cells at a given time, and second that they were regulated by determinants that were not encoded on the SCC mec element, but elsewhere on the staphylococcal genome. "Bistable" expression Ccr recombinases is an important concept. It allows SCC mec to be excised and thus available for horizontal transfer, while ensuring that only some cells, but not the whole population, loose their valuable SCC mec genes. Thus, while the SCC mec element expands with the multiplication of the MRSA colony, it can simultaneously be transmitted into methicillin-susceptible S. aureus (MSSA), which convert into new MRSA. Most interestingly, the fact that bistability was regulated by the cells, rather than by SCC mec, indicates that it was the choice of the bacteria to trigger or not SCC mec transfer. As a consequence, there must be, in nature, staphylococcal strains that are more or less prone to sustain SCC mec transfer. Following these seminal observations we found that excision was indeed tightly regulated during bacterial division, and occurred only during a limited period of time at the beginning of bacterial growth. This is compatible with cell-density mediated gene regulation, and may depend on the production of extracellular signal molecules that transmit appropriate orders to neighboring cells, such as in quorum sensing. The potential signal triggering SCCmec excision is as yet unknown. However, it could be critical in promoting the horizontal transfer of methicillin resistance, or for the possible development of means to interfere with it. Two additional hypothesis were logically investigated in the view of these first results. First, if some strains of MRSA might be more prone than others to promote SCC mec excision, then some strains of MS SA might be more or less prone to acquire the element as well. Second, to investigate these multiple mechanisms at an epidemiological level, one would need to develop tools amenable to explore S. aureus strains at a larger scale. Regarding the first issue, it was postulated by others that some MSSA might be refractory to SCC mec integration because they had peculiar DNA polymorphisms in the vicinity of the site-specific chromosomal entry point {attB) of SCC mec. By studying >40 S. aureus isolates from healthy carriers, we confirmed the polymorphism of the attB environment. Moreover, we could show that these polymorphic regions co-evolved with well-known phylogenic clonal clusters. Therefore, if SCCwec-refractory attB environments exist, then they would segregate in well- defined S. aureus clonal clusters that would be easy to identify at the epidemiological level. Regarding the second issue, we were able to construct a new excision reporter system in a low copy number S. aureus plasmid. The reporter system consists in a strong promoter driving a green fluorescent protein {gfp) gene, separated by an artificial SCC-like element carrying three transcriptional terminators. Thus, fluorescence is not expressed unless the SCC-like element is excised. The system has been successfully tested in several aureus and non- aureus staphylococci, and is now being applied to more strains and various excision- triggering or inhibiting conditions. Altogether the dissertation is a scientific journey through various aspects of a salient medical problem with regard to antibiotic resistance and public health threat. The research work tackles fundamental issues about the mechanisms of horizontal transfer of the SCC mec element. Moreover, it also addresses more general features of this mobile element, which could be of larger importance with regard to gene trafficking in staphylococci, and maybe other gram-positive bacteria. Finally, the dissertation sets the fundamentals for future work and possible new ways to interfere with the horizontal transfer of methicillin resistance.

Fusion telomérique de deux chromosomes X par leurs bras courts chez une patiente présentant un syndrome de Turner atypique. [Telomeric fusion of the short arms of both X chromosomes in a patient presenting an atypical Turner syndrome.]

A case of atypical Turner's syndrome with unusual karyotype is reported. The chromosome complements of the patient, studied with different banding techniques, is 45,XO/46,X,dic(X)(Xqter leads to p22::p22 leads to qter). In the literature 8 similar cases have been reported. Short stature and amenorrhea are the most constant findings. The mechanisms by which the observed chromosomal "rearrangement" can be produced are briefly discussed.

The role of Toll-like Receptor (TLR) 9 in the development of a T-helper (Th)1/Th2 response in the murine model of infection with " Leishmania major "

1.1 SUMMARY The role of the non-specific innate immune system is as important as the elaboration of the adaptive immune system in the initiation of an immune response to pathogens. The role of the Toll-like receptors (TLRs) in the innate immune response to virus and bacterial pathogens is widely recognised, however, little is known about the role of TLRs in host defence against eukaryotic pathogens. Immunologic investigations on the marine model of infection with Leishmania major (L. major) have correlated the outcome of the disease with expansion of different subsets of CD4+ cells, designated Th1 and Th2. The resistance of C57BL/6, CBA and C3H/He mice is linked with an IL-12 driven Th1 response. In BALB/c mice the susceptibility correlates with an IL-4 driven Th2 response. The initial event promoting the development of a Th1 or Th2 response still remains elusive. Recently, the contribution of the TLR signalling pathway in the innate and acquired immune response to infection with the intracellular protozoan parasite L. major has been demonstrated. Thus, the purpose of this study is to determine whether TLRs may play a role in influencing the outcome of the infection by directing the development of a Th1 or a Th2 response during infection with L, major parasites, in resistant C57BL/6 and susceptible BALB/c mice, respectively. We demonstrated that MyD88, the major TLR adaptor molecule is necessary for C57BL/6 to develop a resistant Th1 response following L. major infection. Our data show the essential role of MyD88 in the establishment of a protective Th1 response. We subsequently aimed to determine which TLRs may be involved in the protective response. Since TLR2 and TLR4 have shown to have a potential role for Leishmania recognition, we analysed the course of infection in TLR2 and TLR4 deficient mice on a C57BL/6 resistant background following L. major infection. Our results clearly demonstrate that TLR2 or TLR4 aze dispensable to control the outcome of the disease as the TLR2 and TLR4 knockout mice developed a protective Th1 response. With the aim of determining a potential TLR candidate important in the initiation of the Thl response, we assessed the mRNA expression of different TLRs (TLR1 to TLR9) using quantitative real-time RT-PCR at different time points during the first week of infection. The results clearly showed an upregulation of TLR7 and TLR9 mRNA expression during the early phase of infection in resistant C57BL/6 mice but not in susceptible BALB/c mice. To provide in vivo evidence for the role for, these TLRs in the outcome of cutaneous leishmaniasis, studies using TLR7 and TLR9 deficient mice on a resistant C57BL/6 background were performed. The TLR7 deficient mice developed a resistance phenotype that was comparable with C57BL/6 wild type mice. Thus, the presence of TLR7 is not indispensable for the development of a Th1 response and resistance to infection. On the contrary, TLR9 deficient mice on the C57BL/6 resistant background showed high variability in the outcome of the disease. Although some mice behave as resistant C57BL/6 mice, half of them developed high lesion following infection and showed a decrease in IFN-γ production and an increase in IL-4 as compared to wild type mice. These results suggest that TLR9 may be involved in the control of infection. To test the hypothesis that regulatory T cells (Treg) are playing a role in the high variability in the disease outcome in TLR9 deficient mice, depletion of CD4+CD25+ T cells with a specific antibody three days before infection with L. major were performed Interestingly, these treated mice developed large lesions, low IL-4 and decreased IFN-γ producion when compared to untreated mice. A better understanding of the mechanism by which Treg cells influence the outcome of the disease in TLR9 deficient mice following L. major infection is currently under investigation. Altogether, this study demonstrates the importance of TLR9 in the induction of a protective T'h1 response, a process that is involved in the resolution of the lesion induced by L. major infection. 1.2 RÉSUMÉ Le rôle de la réponse immunitaire innée a longtemps été négligé quant à l'impact qu'elle pourrait avoir dans l'initiation d'une réponse immune adaptative efficace dirigée contre un pathogène. Si l'importance des récepteurs Toll-like (TLR) du système inné dans la reconnaissance des virus et bactéries a été démontrée, son rôle dans la défense contre les pathogènes eucaryotes reste encore très élusif. Récemment, il a été montré que les voies de signalisation provenant de l'activation des TLRs pouvaient initier la réponse immunitaire innée et adaptative après une infection avec le parasite protozoaire Leishmania major (L. major). Dans un modèle marin d'infection avec L. major alors que la plupart des souches de souris telles que C57BL/6 sont résistantes à l'infection et développent une réponse immunitaire de type T helper 1 (Th1) induite par IL-12, peu de souches dont les BALB/c sont sensibles et développent une réponse Th2 induite par IL-4. La différentiation Th1/Th2 est un événement qui prend place de manière définitive lors de la première semaine après infection. Les événements précoces promouvant le développement d'une réponse Th1 ou Th2 n'étant pas connus, l'objectif de ce travail a été de démontrer un rôle des TLRs dans l'initiation d'une réponse immune innée et adaptative suite à l'infection par L. major. Nous avons démontré que MyD88, une molécule importante dans le processus de signalisation des TLRs, est nécessaire pour que les souris résistantes C57BL/6 développent une réponse Th1 protectrice. L'importance du rôle de TLR2 et TLR4 dans la reconnaissance du parasite Leishmania ayant été démontrée, nous avons privilégié l'analyse de la réponse immunitaire suite à une infection in vivo de souris déficiente en TLR2 ou TLR4 sur un fond génétique résistant. Les résultats obtenus montrent que la présence de ces récepteurs n'est pas indispensable pour le contrôle de l'infection et la polarisation d'une réponse Th1 caractéristique de la résistance à L. major. Cependant d'autres TLRs peuvent aussi activer la voie de signalisation MyD88 dépendante. L'expression de l'ARNm des différents TLRs dans les ganglions drainant de souris sensibles et résistantes pendant la première semaine d'infection a été déterminée par PCR quantitative en temps réel. Les résultats obtenus montrent que l'ARNm de TLR7 et TLR9 était régulé positivement suite à l'infection par L. major chez les souris résistantes C57BL/6 alors qu'aucune modulation n'était détectable chez les souris sensibles BALB/c. Le rôle des récepteurs TLR7 et TLR9 a donc été évalué par l'infection par L. major des souris déficientes en TLR7 et TLR9 sur fond génétique C57BL/6. Nos résultats ont clairement démontré que les souris déficientes en TLR7 montrent une réponse immunitaire identique à celle des souris résistantes C57BL/6, signifiant que TLR7 n'est pas indispensable au développement d'une Th1 ainsi qu'au contrôle de la parasitémie. Paz contre, les souris déficientes en TLR9 sur un fond génétique résistant ont montré une grande variabilité dans la réponse à l'infection. En effet, la moitié des souris deviennent sensibles à l'infection, ceci étant associé à une diminution dans la production d'IFN-γ et à une augmentation de la production d'IL-4. Ces résultats suggèrent que TLR9 est impliqué dans le contrôle de la lésion et de la réponse immunitaire suite à l'infection avec L. major. Cependant les résultats avec les souris déficientes en TLR9 montrant une grande hétérogénéité et une balance Th1/Th2 instable, nous avons émis l'hypothèse que les cellules T régulatrices pouvaient être impliquées dans ce phénomène. Nous avons effectivement constaté qu'après déplétion des cellules CD4+CD25+, les souris déficientes en TLR9 développent des lésions aussi grandes que les souris BALB/c après infection par L. major. Cependant le nombre de parasites reste le même que chez les souris C57BL/6. De plus la production d'IL-4 ainsi que celle d'IFN-γ reste extrêment bas. Les mécanismes régulateurs impliqués dans ce processus sont en cours d'analyse. Ce travail met en évidence l'importance du TLR9 dans le développement d'une réponse Th1 lors d'une infection avec L. major, un processus nécessaire pour la résistance à l'infection. 1.3 RESUME POUR UN LARGE PUBLIC La leishmaniose est une maladie parasitaire répandue dans le monde entier et touchant plus de 88 pays. L'incidence mondiale de la leishmaniose cutanée et de 1 à 1,5 million de nouveaux cas par année. Plus de 12 millions de personnes sont affectées par la maladie et 350 millions de personnes sont une population à risque. Un modèle marin d'infection avec Leishmania major (L. major) a été établi qui reproduit plusieurs tableaux cliniques observés dans le cas de la leishmaniose cutanée chez l'homme. L'analyse de la réponse immunitaire dans les souris infectées par L. major a permis de distinguer deux groupes : les souris de la plupart des souches telles que C57BL/6 sont résistantes à l'infection et développent une réponse immunitaire de type T helper 1 (Th1), alors que quelques souches dont les BALB/c sont sensibles et développent une réponse de type Th2. La réponse immune adaptative dans le modèle d'infection avec L. major à été largement étudiée. Cependant, les événements précoces déterminants pour le développement d'une réponse Th1 ou Th2 restent encore très flous. Récemment, plusieurs publications ont montré que les récepteurs Toll-like (TLR) peuvent contribuer à l'initiation de la réponse immunitaire lors d'une infection avec le parasite intracellulaire L. major. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié le rôle de MyD88, une molécule importante dans le processus de signalisation des TLRs, dans la réponse immune suite à une infection avec L. major. En l'absence de MyD88, les souris normalement résistantes à l'infection avec L. major deviennent sensibles et développent des lésions importantes. Ces souris ne sont plus capables de développer une réponse Thl, normalement caractéristique de leur phénotype résistant. Nous avons ensuite tenté de comprendre quels TLRs, plus précisément, pouvait être impliqué dans ce processus. Malgré quelques évidences démontrant que TLR2 et TLR4 pouvaient avoir un rôle important dans l'initiation d'une réponse immunitaire adaptative à Leishmania, nous avons montré que, in vivo après infection avec L. major, la déficience d'un de ces récepteurs n'était pas suffisante à faire basculer la réponse immunitaire. Les souris C57BL/6 déficient en TLR2 ou TLR4 peuvent parfaitement contrôler l'évolution de la maladie. De plus, ces souris, malgré l'absence de TLR2 ou TLR4, sont capables de monter une parfaite réponse Thl. Etant donné que TLR2 et TLR4 n'étaient pas essentiels pour la résistance à la maladie, nous avons analysé les TLRs, parmi les 12 décrits qui pouvaient être indispensables au développement d'une réponse de type Th1 associée à la résistance à l'infection par Leishmania. Nos expériences ont montré que l'expression de l'ARN messager (ARNm) de TLR7 et TLR9 était modulée suite à l'infection par L. major chez la souris résistante C57BL/6 alors qu'aucune modulation n'était visible chez les souris sensible BALB/c. Pensant que ces TLRs pourraient jouer un rôle dans la réponse immunitaire au parasite, nous avons étudié l'évolution de l'infection dans les souris déficientes en TLR7 et TLR9. Nos résultats ont clairement démontré que TLR7 n'était pas indispensable à la résistance au parasite alors que l'absence de TLR9 avait des conséquences radicales sur le contrôle de la lésion et de la réponse immunitaire suite à l'infection avec L. major. Ce travail révèle ainsi l'importance du TLR9 dans le développement d'une réponse Th1 lors d'une infection avec L. major, un processus nécessaire pour la résistance à l'infection. Il est a noté que nos résultats sont en accord avec le fait que les motifs CpG, qui sont des immunostimulateurs interagissant avec le TLR9, ont une activité adjuvante importante dans la préparation de vaccins contre la leishmaniose. Une meilleure compréhension des mécanismes immunologiques impliquant le TLR9 dans la reconnaissance du parasite est alors indispensable pour le développement de vaccins thérapeutiques efficaces.

Molecular evolutionary patterns in the Glomeromycota;

Abstract Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) form symbiosis with roots of approximately 80% of known land plants. These fungi play a key role in the ecology and adaptation of plants to various ecosystems.by increasing the plant resources for various nutrients. Despite their important ecological role, we still have poor understanding of their genetic structure and their molecular evolution. The work presented in this thesis aims to isolate and analyse AMF genes with various molecular techniques, in order to obtain new insights about their genetics, phylogeny and molecular evolution. Some AMF genes were shown through phylogenetic analyses to be more related with plants or mycoparasites than with other fungal organisms. These results led to the prediction that lateral gene transfers (LGT) occurred between AMF and plants during their long-term co-évolution. By phylogenetic and molecular analyses, in the chapter 2 I demonstrate that the hypothesis of LGT is most likely a consequence of analyses carried out on contaminant non AMF-DNA. In addition, various features characteristic of AMF genes have been determined, allowing researchers to scan their own sequence databases for potential non-AMF contaminants. Phylogenetic relationships of AMF with other fungi has been mostly analysed using molecular markers of ribosomal origin. In chapter 2 I successfully isolated gene encoding α- and ß-tubulins from several AMF genera. Consequently, phylogenetic analyses showed that AMF possess an unexpected relationship with ancestral aquatic fungi (chytrids). These results are consistent with the prediction stating that AMF may have played an important role in the colonisation of land by green plants through the establishment of a symbiosis and after the divergence of AMF from aquatic ancestors. In Chapter 4 I tried to isolate the entire AMF gene family encoding P-Type II ATPases, in order to determine their molecular evolution with the fungal kingdom. These genes were further analysed to detect the level of sequence polymorphism that is present within an AMF population. The results obtained show that mutational events previously thought as occurring only among divergent evolutionary lineages (gene duplications, indel mutations in coding regions) can occur within a single population of AMF. These results have far reaching consequences for our understanding of the genetics and ecology of AMF. Résumé Les champignons endomycorrhiziens arbusculaires (CEA) forment une symbiose racinaire avec environ 80% des plantes vasculaires connues. Ces champignons possèdent un rôle important dans l'écologie et l'adaptation des plantes au sein de différents écosystèmes en .augmentant leurs ressources en nutriments. Le travail présenté dans cette thèse se propose d'isoler et d'analyser certains gènes de CEA avec différentes techniques moléculaires à fin d'obtenir de pÌus amples informations concernant l'évolution moléculaire, la phylogénie et leur diversité génétique à diverses échelles taxonomiques. Certaines analyses phylogénétiques des CEA ont conduit à l'hypothèse que des transferts horizontaux de gènes (THG) ont pu avoir lieu durant leur longue co-évolution avec les plantes vasculaires. Dans le chapitre 2 de cette thèse nous démontrons par analyses moléculaire et phylogénétique que l'hypothèse de THG est une conséquence de contaminations à partir d'ADN de plante ou d'autres micro-organismes. De plus, de nombreuses caractéristiques moléculaires de CEA ont pu être déterminées, permettant la mise en place d'un plan à suivre lors de l'analyse de gènes de CEA dans les études futures. Les relations évolutives des. CEA avec d'autres champignons ont été analysées majoritairement à l'aide de marqueurs moléculaires d'origine ribosomiale. Dans les chapitres 2 et 3 j'ai isolé des gènes codant pour l'a- et la ß-tubuline chez différents genres, de CEA. Les analyses phylogénétiques ont démontré une parenté entre les CEA et des champignons aquatiques ancestraux (chytrides). Ces résultats sont en accord avec l'hypothèse selon laquelle les CEA ont probablement joué un rôle primordial dans l'établissement des plantes sur terre à travers une symbiose et suite à leur évolution à partir d'ancêtres vivant dans des milieux aquatiques: Dans le chapitre 4 j'ai isolé une entière famille de gènes chez les CEA codant des ATPases de la membrane plasmique, et étudié leur évolution moléculaire dans le règne des champignons. Ces mêmes gènes ont été analysés ultérieurement à fin de déterminer le degré de polymorphisme de séquence qui peut être présent au sein d'une population de CEA. Les résultats obtenus montrent que des évènements mutationnels considérés comme apparaissant exclusivement dans des lignées évolutives très divergentes (duplication de gènes, insertions/délétions dans des régions transcrites du génome) ont lieu sein d'une même population de CEA. Cette découverte a un impact important sur nos connaissances concernant la génétique des populations des CEA et leur écologie.

Genetics of cadmium hyperaccumulation variance in Thlaspi caerulescens natural populations from Switzerland

SUMMARY Heavy metal presence in the environment is a serious concern since some of them can be toxic to plants, animals and humans once accumulated along the food chain. Cadmium (Cd) is one of the most toxic heavy metal. It is naturally present in soils at various levels and its concentration can be increased by human activities. Several plants however have naturally developed strategies allowing them to grow on heavy metal enriched soils. One of them consists in the accumulation and sequestration of heavy metals in the above-ground biomass. Some plants present in addition an extreme strategy by which they accumulate a limited number of heavy metals in their shoots in amounts 100 times superior to those expected for a non-accumulating plant in the same conditions. Understanding the genetic basis of the hyperaccumulation trait - particularly for Cd - remains an important challenge which may lead to biotechnological applications in the soil phytoremediation. In this thesis, Thlaspi caerulescens J. & C. Presl (Brassicaceae) was used as a model plant to study the Cd hyperaccumulation trait, owing to its physiological and genetic characteristics. Twenty-four wild populations were sampled in different regions of Switzerland. They were characterized for environmental and soil parameters as well as intrinsic characteristics of plants (i.e. metal concentrations in shoots). They were as well genetically characterized by AFLPs, plastid DNA polymorphism and genes markers (CAPS and microsatellites) mainly developed in this thesis. Some of the investigated genes were putatively linked to the Cd hyperaccumulation trait. Since the study of the Cd hyperaccumulation in the field is important as it allows the identification of patterns of selection, the present work offered a methodology to define the Cd hyperaccumulation capacity of populations from different habitats permitting thus their comparison in the field. We showed that Cd, Zn, Fe and Cu accumulations were linked and that populations with higher Cd hyperaccumulation capacity had higher shoot and reproductive fitness. Using our genetic data, statistical methods (Beaumont & Nichols's procedure, partial Mantel tests) were applied to identify genomic signatures of natural selection related to the Cd hyperaccumulation capacity. A significant genetic difference between populations related to their Cd hyperaccumulation capacity was revealed based on somè specific markers (AFLP and candidate genes). Polymorphism at the gene encoding IRTl (Iron-transporter also participating to the transport of Zn) was suggested as explaining part of the variation in Cd hyperaccumulation capacity of populations supporting previous physiological investigations. RÉSUMÉ La présence de métaux lourds dans l'environnement est un phénomène préoccupant. En effet, certains métaux lourds - comme le cadmium (Cd) -sont toxiques pour les plantes, les animaux et enfin, accumulés le long de la chaîne alimentaire, pour les hommes. Le Cd est naturellement présent dans le sol et sa concentration peut être accrue par différentes activités humaines. Certaines plantes ont cependant développé des stratégies leur permettant de pousser sur des sols contaminés en métaux lourds. Parmi elles, certaines accumulent et séquestrent les métaux lourds dans leurs parties aériennes. D`autres présentent une stratégie encore plus extrême. Elles accumulent un nombre limité de métaux lourds en quantités 100 fois supérieures à celles attendues pour des espèces non-accumulatrices sous de mêmes conditions. La compréhension des bases génétiques de l'hyperaccumulation -particulièrement celle du Cd - représente un défi important avec des applications concrètes en biotechnologies, tout particulièrement dans le but appliqué de la phytoremediation des sols contaminés. Dans cette thèse, Thlaspi caerulescens J. & C. Presl (Brassicaceae) a été utilisé comme modèle pour l'étude de l'hyperaccumulation du Cd de par ses caractéristiques physiologiques et génétiques. Vingt-quatre populations naturelles ont été échantillonnées en Suisse et pour chacune d'elles les paramètres environnementaux, pédologique et les caractéristiques intrinsèques aux plantes (concentrations en métaux lourds) ont été déterminés. Les populations ont été caractérisées génétiquement par des AFLP, des marqueurs chloroplastiques et des marqueurs de gènes spécifiques, particulièrement ceux potentiellement liés à l'hyperaccumulation du Cd (CAPS et microsatellites). La plupart ont été développés au cours de cette thèse. L'étude de l'hyperaccumulation du Cd en conditions naturelles est importante car elle permet d'identifier la marque, éventuelle de sélection naturelle. Ce travail offre ainsi une méthodologie pour définir et comparer la capacité des populations à hyperaccumuler le Cd dans différents habitats. Nous avons montré que les accumulations du Cd, Zn, Fe et Cu sont liées et que les populations ayant une grande capacité d'hyperaccumuler le Cd ont également une meilleure fitness végétative et reproductive. Des méthodes statistiques (l'approche de Beaumont & Nichols, tests de Martel partiels) ont été utilisées sur les données génétiques pour identifier la signature génomique de la sélection naturelle liée à la capacité d'hyperaccumuler le Cd. Une différenciation génétique des populations liée à leur capacité d'hyperaccumuler le Cd a été mise en évidence sur certains marqueurs spécifiques. En accord avec les études physiologiques connues, le polymorphisme au gène codant IRT1 (un transporteur de Fe impliqué dans le transport du Zn) pourrait expliquer une partie de la variance de la capacité des populations à hyperaccumuler le Cd.

SOURCE, FATE AND FUNCTION OF EARLY GLIAL CELLS EXPRESSING NKX2.1 IN MOUSE EMBRYONIC BRAINS

The brain tissue is made of neuronal and glial cells generated in the germinal layer bordering the ventricles. These cells divide, differentiate and migrate following specific pathways. The specification of GABAergic interneurons and glutamatergic neurons has been broadly studied but little is known about the origin, the fate and the function of early glial cells in the embryonic telencephalon. It has been commonly accepted since long that the glial cells and more particularly the astrocytes were generated after neurogenesis from the dorsal telencephalon. However, our work shows that, unlike what was previously thought, numerous glial cells (astroglia and polydendrocytes) are generated during neurogenesis in the early embryonic stages from E14.5 to E16.5, and originate from the ventral Nkx2.1-expressing precursors instead. NK2 homeobox 1 (Nkx2.1) is a member of the NK2 family of homeodomaincontaining transcription factors. The specification of the MGE precursors requires the expression of the Nkx2.1 homeobox gene. Moreover, Nkx2.1 is previously known to regulate the specification of GABAergic interneurons and early oligodendrocytes in the ventral telencephalon. Here, in my thesis work, I have discovered that, in addition, Nkx2.1 also regulates astroglia and polydendrocytes differentiation. The use of Nkx2.1 antibody and Nkx2.1 riboprobe have revealed the presence of numerous Nkx2.1-positive cells that express astroglial markers (like GLAST and GFAP) in the entire embryonic brain. Thus, to selectively fate map MGE-derived GABAergic interneurons and glia, we crossed Nkx2.1-Cre mice, Glast-Cre ERT+/- inducible mice and NG2-Cre mice with the Cre reporter Rosa26-lox-STOP-lox-YFP (Rosa26-YFP) mice. The precise origin of Nkx2.1-positive astroglia has been directly ascertained by combining glial immunostaining and focal electroporation of the pCAG-GS-EGFP plasmids into the subpallial domains of organotypic slices, as well as, by using in vitro neurosphere experiments and in utero electroporation of the pCAG-GS-tomato plasmid into the ventral pallium of E14.5 Nkx2.1-Cre+/Rosa-YFP+/- embryos. We have, thus, confirmed that the three germinal regions of the ventral telencephalon i.e. the MGE, the AEP/POA and the triangular septal nucleus are able to generate early astroglial cells. Moreover, immunohistochemistry for several astroglial cells and polydendrocyte markers, both in the Nkx2.1-/- and control embryos and in the neurospheres, has revealed a severe loss of both glial cell types in the Nkx2.1 mutants. We found that the loss of glia corresponded to a decrease of Nkx2.1-derived precursor division capacity and glial differentiation. There was a drastic decrease of BrdU+ dividing cells labeled for Nkx2.1 in the MGE*, the POA* and the septal nucleus* of Nkx2.1 mutants. In addition, we noticed that while some remaining Nkx2.1+ precursors still succeeded to give rise to post-mitotic neurons in vitro and in vivo in the Nkx2.1-/-, they completely lost the capacity to differentiate in astrocytes. Altogether, these observations indicate for the first time that the transcription factor Nkx2.1 regulates the proliferation and differentiation of precursors in three subpallial domains that generate early embryonic astroglia and polydendrocytes. Furthermore, in order to investigate the potential function of these early Nkx2.1- derived glia, we have performed multiple immunohistochemical stainings on Nkx2.1-/- and wild-type animals, and Nkx2.1-Cre mice that were crossed to Rosa-DTA+/- mice in which the highly toxic diphtheria toxin aided to selectively deplete a majority of the Nkx2.1-derived cells. Interestingly, in these two mutants, we observed a drastic and significant loss of GFAP+, GLAST+, NG2+ and S100ß+ astroglial cells at the telencephalic midline and in the medial cortical areas. This cells loss could be directly correlated with severe axonal guidance defects observed in the corpus callosum (CC), the hippocampal commissure (HIC), the fornix (F) and the anterior commissure (AC). Axonal guidance is a key step allowing neurons to form specific connections and to become organized in a functional network. The contribution of guidepost cells inside the CC and the AC in mediating the growth of commissural axons have until now been attributed to specialized midline guidepost astroglia. Previous published results in our group have unravelled that, during embryonic development, the CC is populated in addition to astroglia by numerous glutamatergic and GABAergic guidepost neurons that are essential for the correct midline crossing of callosal axons. Therefore, the relative contribution of individual neuronal or glial populations towards the guidance of commissural axons remains largely to be investigated to understand guidance mechanisms further. Thus, we crossed Nkx2.1-Cre mice with NSE-DTA+/- mice that express the diphtheria toxin only in neurons and allowed us to selectively deplete Nkx2.1-derived GABAergic neurons. Interestingly, in the Nkx2.1-/- mice, the CC midline was totally disorganized and the callosal axons partly lost their orientation, whereas in the Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- and the Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice, the axonal organization of the CC was not affected. In the three types of mice, hippocampal axons of the fornix were not properly fasciculated and formed disoriented bundles through the septum. Additionally, the AC formation was completely absent in Nkx2.1-/- mice and the AC was divided into two/three separate paths in the Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- mice that project in wrong territories. On the other hand, the AC didn't form or was reduced to a relatively narrower tract in the Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice as compared to wild-type AC. These results clearly indicate that midline Nkx2.1-derived cells play a major role in commissural axons pathfinding and that both Nkx2.1-derived guidepost neurons and glia are necessary elements for the correct development of these commissures. Furthermore, during our investigations on Nkx2.1-/- and Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- mice, we noticed similar and severe defects in the erythrocytes distribution and the blood vessels network morphology in the embryonic brain of both mutants. As the Cre-mediated recombination was never observed to occur in the blood vessels of Nkx2.1-Cre mice, we inferred that the vessels defects observed were due to the loss of Nkx2.1-derived cells and not to the cells autonomous effects of Nkx2.1 in regulating endothelial cell precursors. Thereafter, the respective contribution of individual Nkx2.1-regulated neuronal or glial populations in the blood vessels network building were studied with the use of transgenic mice strains. Indeed, the use of Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- mice indicated that the Nkx2.1-derived neurons were not implicated in this process. Finally, to discriminate between the two Nkx2.1-derived glial cell populations, the GLAST+ astroglia and the NG2+ polydendrocytes, an NG2-Cre mouse strain crossed to the Rosa-DTA+/- mice was used. In that mutant, the blood vessel network and the erythrocytes distribution were similarly affected as observed in Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- animals. Therefore, this result indicates that most probably, the NG2+ polydendrocytes are involved in helping to build the vessels network in the brain. Taken altogether, these observations show that during brain development, Nkx2.1- derived embryonic glial cells act as guidepost cells on the guidance of axons as well as forming vessels. Both Nkx2.1-regulated guidepost GABAergic neurons and glia collaborate to guide growing commissural axons, while polydendrocytes are implicated in regulating brain angiogenesis. - Le tissu cérébral est composé de cellules neuronales et gliales générées dans les couches germinales qui bordent les ventricules. Ces cellules se divisent, se différencient et migrent selon des voies particulières. La spécification des interneurones GABAergiques et des neurones glutamatergiques a été largement étudiée, par contre, l'origine, le destin et la fonction des cellules gliales précoces du télencéphale embryonnaire restent peu élucidées. Depuis longtemps, il était communément accepté que les cellules gliales, et plus particulièrement les astrocytes, sont générés après la neurogénèse à partir du télencéphale dorsal. Toutefois, notre travail montre que de nombreuses cellules gliales sont générées à partir de précurseurs ventraux qui expriment le gène Nkx2.1, entre E14.5 et E16.5, c'est-à dire,à des stades embryonnaires très précoces. Le gène NK2 homéobox 1 (Nkx2.1) appartient à une famille de facteurs de transcription appelée NK2. Il s'agit de protéines qui contiennent un homéo-domaine. La spécification des précurseurs de la MGE requiert l'expression du gène homéobox Nkx2.1. De plus, la fonction du gène Nkx2.1 dans la régulation de la spécification des interneurones GABAergiques et des oligodendrocytes dans le télencéphale ventral était déjà connue. Au cours de mon travail de thèse, j'ai également mis en évidence que, Nkx2.1 régule aussi les étapes de prolifération et de différenciation de divers sous-types de cellules gliales soit de type astrocytes ou bien polydendrocytes. L'utilisation d'un anticorps contre la protéine Nkx2.1 ainsi qu'une sonde à ribonucléotides contre l'ARN messager du gène Nkx2.1 ont révélé la présence de nombreuses cellules positives pour Nkx2.1 qui exprimaient des marqueurs astrocytaires (comme GLAST et GFAP) dans le télencéphale embryonnaire. Afin de déterminer de manière sélective le sort des interneurones GABAergiques, des polydendrocytes et des astrocytes dérivés de la MGE, nous avons croisé soit des souris Nkx2.1-Cre, des souris Glast-Cre ERT+/- inductibles ou bien des souris NG2-Cre avec des souris Rosa26-lox-STOP-lox-YFP (Rosa26-YFP) Cre rapportrices. L'origine précise des astroglies positives pour Nkx2.1 a été directement établie en combinant une coloration immunologique pour les glies et une électroporation focale d'un plasmide pCAG-GS-EGFP dans les domaines subpalliaux de tranches organotypiques, puis également, par des cultures de neurosphères in vitro et des expériences d'électroporation in utero d'un plasmide pCAG-GS-tomato dans le pallium ventral d'embryons Nkx2.1-Cre+/Rosa- YFP+/- au stade E14.5. Nous avons donc confirmé que les trois régions germinales du télencéphale ventral, c'est-à-dire, la MGE, l'AEP/POA et le noyau triangulaire septal sont capables de générer des cellules astrogliales. D'autre part, l'immunohistochimie pour plusieurs marqueurs d'astrocytes ou de polydendrocytes, dans les embryons Nkx2.1-/- et contrôles ainsi que dans les neurosphères, a révélé une sévère perte de ces deux types gliaux chez les mutants. Nous avons trouvé que la perte de glies correspondait à une diminution de la capacité de division des précurseurs dérivés de Nkx2.1, ainsi que l'incapacité de ces précurseurs de se différencier en cellules gliales. Nous avons en effet observé une diminution importante des cellules BrdU+ en division exprimant Nkx2.1dans la MGE*, la POA* et le noyau septal* des mutants pour Nkx2.1. D'autre part, nous avons pu mettre en évidence aussi bien in vitro, qu'in vivo, que certains précurseurs Nkx2.1+ chez le mutant gardent la capacité à se différencier en neurones tandis qu'ils perdent celle de se différencier en cellules gliales. Prises dans leur ensemble, ces observations indiquent pour la première fois que le facteur de transcription Nkx2.1 régule les étapes de prolifération et de différentiation des précurseurs des trois domaines subpalliaux qui génèrent les astroglies et polydendrocytes embryonnaires précoces. Par la suite, dans le but de comprendre la fonction potentielle de ces glies précoces, nous avons procédé à de multiples colorations immunohistochimiques sur des animaux Nkx2.1-/- et sauvages, ainsi que sur des souris Nkx2.1-Cre croisées à des souris Rosa-DTA+/- dans lesquelles la toxine diphthérique hautement toxique a permis de supprimer sélectivement la majorité des cellules dérivées de Nkx2.1. De manière intéressante, nous avons observé dans ces deux mutants, une perte drastique et significative de cellules astrogliales GFAP+, GLAST+ et polydendrocytaires NG2+ et S100ß+ dans le télencéphale, à la midline et dans les aires corticales médianes. Ces pertes ont pu être directement corrélées avec des défauts de guidage axonal observés dans le corps calleux (CC), la commissure hippocampique (HIC), le fornix (F) et la commissure antérieure (AC). Le guidage axonal est une étape clé permettant aux neurones de former des connections spécifiques et de s'organiser dans un réseau fonctionnel. La contribution des cellules « guidepost » dans le CC et dans la AC comme médiateurs de la croissance des axones commissuraux à jusqu'à aujourd'hui été attribuée spécifiquement à des astroglies « guidepost » de la midline. Des résultats publiés précédemment dans notre groupe, ont permis de montrer que, pendant le développement embryonnaire, le CC est peuplé en plus de la glie par de nombreux neurones « guidepost » glutamatergiques et GABAergiques qui sont essentiels pour le croisement correct des axones callosaux à la midline. Ainsi, la contribution relative des populations individuelles neuronales ou gliales pour le guidage des axones commissuraux demande à être approfondie afin de mieux comprendre les mécanismes de guidage. A ces fins, nous avons croisé des souris Nkx2.1-Cre avec des souris NSE-DTA+/- qui expriment la toxine diphthérique uniquement dans les neurones et ainsi, nous avons pu sélectivement supprimer les neurones dérivés de domaines Nkx2.1+. Dans les souris Nkx2.1-/-,nous avons découvert que le CC était désorganisé avec des axones callosaux perdant partiellement leur orientation, alors que dans les souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/- et Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/-, l'organisation axonale n'était pas affectée. De plus, les faisceaux hippocampiques du fornix étaient défasciculés dans les trois types de mutants. Par ailleurs, la formation de la commissure antérieure (AC) était complètement absente dans les souris Nkx2.1-/- d'une part, et d'autre part, celle-ci était divisée en deux à trois voies séparées dans les souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-. Finalement, la AC était soit absente, soit réduite de manière ne former plus qu'un faisceau relativement plus étroit dans les souris Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- en comparaison avec la AC sauvage. Ces derniers résultats indiquent clairement que les cellules dérivées de Nkx2.1 à la midline, jouent un rôle majeur dans le guidage des axones commissuraux et que, autant les neurones, que les astrocytes « guidepost » dérivés de Nkx2.1, sont des éléments nécessaires au développement correct de ces commissures. En outre, lors de nos investigations sur les souris Nkx2.1-/- et Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-, nous avons remarqués des défauts sévères et similaires dans la distribution des erythrocytes et dans la morphologie du réseau de vaisseaux sanguins dans le cerveau embryonnaire des deux mutants précités. Puisque nous n'avons jamais observé de recombinaison de la Cre recombinase dans les vaisseaux sanguins des souris Nkx2.1Cre, nous en avons déduit que les défauts de vaisseaux observés étaient dus à la perte de cellules dérivées de Nkx2.1. Il existerait donc en plus de la fonction cellulaire autonome de Nkx2.1 reconnue pour régulée directement la spécification des cellules endothéliales, une fonction indirecte de Nkx2.1. Afin de déterminer la contribution respective des populations individuelles neuronales ou gliales régulées par Nkx2.1 dans la construction du réseau de vaisseaux sanguins, nous avons utilisé diverses lignées de souris transgéniques. L'utilisation de souris Nkx2.1Cre+/NSE-DTA+/- a indiqué que les neurones dérivés de Nkx2.1 n'étaient pas impliqués dans ce processus. Finalement, afin de discriminer entre les deux populations de cellules gliales dérivées de Nkx2.1, les astroglies et les polydendrocytes, nous avons croisé une lignée de souris NG2-Cre avec des souris Rosa-DTA+/-. Dans ce dernier mutant, le réseau de vaisseaux sanguins du cortex ainsi que la distribution des erythrocytes étaient affectés de la même manière que dans le cortex des souris Nkx2.1Cre+/Rosa-DTA+/-. Par conséquent, ce résultat indique que très probablement, les polydendrocytes NG2+ sont impliqués dans la mise en place du réseau de vaisseaux dans le cerveau. Prises dans leur ensemble, ces observations montrent que durant le développement embryonnaire du cerveau, des sous-populations de glies régulées par Nkx2.1 jouent un rôle de cellules « guidepost » dans le guidage des axones, ainsi que des vaisseaux. Les polydendrocytes sont impliquées dans la régulation de l'angiogenèse tandis que, autant les neurones GABAergiques que les astrocytes collaborent dans le guidage des axones commissuraux en croissance.

Single loci with major effects in fire ants : the effects of the complementary sex-determining locus and the green beard supergene on gene expression

Etant données la complexité et la redondance des réseaux de gènes influençant de nombreux phénotypes, l'étude des rares cas d'un locus unique ayant des effets importants sur de nombreux phénotypes peut fournir des informations cruciales sur l'évolution des traits complexes. Nous avons séquencé le génome de la fourmi de feu Solenopsis invicta pour étudier comment l'expression des gènes détermine les effets majeurs et étendus de deux loci uniques sur le phénotype. Le premier locus concerne la détermination du sexe par le modèle des allèles complémentaires. Ce locus est connu pour déterminer le sexe chez tous les hyménoptères mais n'a été caractérisé que chez les abeilles. Les hétérozygotes pour ce locus se développent en reines diploïdes (ou ouvrières stériles) alors que les homozygotes se développent en mâles diploïdes incapables de produire du sperme et les hémizygotes en mâles haploïdes fertiles. Nous avons comparé l'expression des gènes entre les reines et les deux types de mâles au stade pupe, ainsi que 1 et 11 jours après l'émergence. Nous avons trouvé un changement prononcé de l'expression des gènes chez les mâles diploïdes, passant de très proche de celle des reines au stade pupe à identique aux mâles haploïdes 11 jours après l'émergence. Cela signifie que les mâles diploïdes sont condamnés à être stériles parce que les effets après émergence du locus de détermination du sexe ne per¬mettent pas d'effacer les effets de la ploïdie sur l'expression des gènes pendant le stade pupe, quand la spermatogénèse prend place. Le second locus aux effets majeurs que nous avons étudié est le supergène dit "green beard", qui consiste en 616 gènes couvrant 55% d'un chromosome (13 Mb) et est caractérisé par une absence de recombinaison entre les deux variants du supergène : "Social B" et "Social b" (SB et Sb). Au travers de l'effet "green beard", par lequel les ouvrières avec le supergène Sb discriminent favorablement les reines qui partagent ce supergène de façon perceptible, le génotype des reines fondatrices au niveau de ce supergène détermine l'organisation de la colonie : soit elle contient une seule reine SB/SB, soit plusieurs reines SB/Sb. Nous avons montré que le chromosome Sb a évolué comme le chromosome Y, accumulant probablement des allèles favorables dans des colonies avec plusieurs reines mais défavorables dans des colonies avec une seule reine (cf. gènes sexuellement antagonistes), ainsi que des transposons et des séquences répéti¬tives. Nous avons également montré que le polymorphisme du supergène cause de grandes différences d'expression chez les ouvrières et particulièrement les reines mais pas chez les mâles. Pour comprendre comment le polymorphisme du supergène chez les reines peut affecter l'organisation de la colonie, nous avons comparé l'expression entre les génotypes SB/SB et SB/Sb chez des reines vierges (1 et 11 jours) et des reines matures. Nous avons montré que les reines SB/SB sur-régulent des gènes impliqués dans la reproduction, expli-quant pourquoi elle grandissent plus rapidement et peuvent fonder des colonies de façon indépendante, tandis que les reines SB/Sb (qui ne peuvent fonder une nouvelle colonie) sur-régulent des gènes de signalement chimique qui affectent l'organisation des colonies par l'effet "green beard". - Given the complexity and redundancy of the gene networks that underlie many pheno- types, the study of rare cases of a single locus having major effects on many phenotypes can give powerful insights into the evolution of complex traits. We sequenced the genome of Solenopsis invicta fire ants to study how gene expression mediates the widespread major effects of two single loci on phenotype. The first is the complementary sex-determining locus, which is known to exist in most Hymenoptera despite being characterized only for honeybees. Heterozygotes at this locus become diploid queens (or sterile workers), homozy¬gotes become aspermic diploid males, and hemizygotes become fertile haploid males. We compared gene expression between queens and both types of males in pupae and 1 and 11 days after eclosion. We found a pronounced shift in gene expression in diploid males, from being nearly identical to queens as pupae to identical to haploid males 11 days after eclosion. This means that diploid males are condemned to sterility because the overriding effects of the sex locus after eclosion cannot undo the ploidy effects on expression during the pupal stage, when spermatogenesis must be completed. The second locus with major ef¬fects that we studied was the so-called "green beard" supergene, which consists of 616 genes encompassing 55% of one chromosome (13 Mb), without recombination between the two variants "Social B" and "Social b" (SB and Sb) supergene. Through the green beard effect, i.e. workers with the Sb supergene discriminating in favor of queens who perceptibly share this supergene, the founding queen's genotype at the supergene determines colony organi¬zation: either headed by a single SB/SB queen or many SB/Sb queens. We show that the Sb chromosome evolved like a Y-chromosome, probably accumulating alleles beneficial in multi-queen colonies but disadvantageous in single-queen colonies (cf. sexually antagonistic genes), as well as transposons and repetitive sequences. We also show that the polymor¬phism of the supergene causes widespread expression differences in workers and especially queens but not in males. To understand how the polymorphism at the supergene in queen can transform colony organization, we compared the expression between SB/SB and SB/Sb virgin queens (1 and 11 days) and mother queens. We show that SB/SB queens up-regulate genes involved in reproduction, explaining why they mature faster and can found colonies independently, while SB/Sb queens (which cannot found colonies) up-regulate chemical signaling genes that can transform colonies through the green beard effect.

Impact of social structure variation on population genetics, social conflicts and life histories in ants

Summary The evolution of social structures and breeding systems in animals is a complex process that combines ecological, genetical and social factors. This thesis sheds light on important changes in population genetics, life-history and social behavior that are associated with variation in social structure in ants. The socially polymorphic ant Formica selysi was chosen as the model organism because single- and multiple-queen colonies occur in close proximity within a single large population. The shift from single- to multiple-queen colonies is generally associated with profound changes in dispersal behavior and mode of colony founding. In chapter 1, we examine the genetic consequences of variation in social structure at both the colony and population levels. A detailed microsatellite analysis reveals that both colony types have similar mating systems, with few or no queen turnover. Furthermore, the complete lack of genetic differentiation observed between single- and multiple-queen colonies provides no support to the hypothesis that change in queen number leads to restricted gene flow between social forms. Besides changes in the genetic composition of the colony, the variation in the number of queens per colony is associated with changes in a network of behavioral and life-history traits that have been described as forming a "polygyny syndrome". In chapter 2, we demonstrate that multiple-queen colonies profoundly differ from single-queen ones in terms of size, nest density and lifespan of colonies, in weight of queens produced, as well as in allocation to reproductive individuals relative to workers. These multifaceted changes in life-history traits can provide various fitness benefits to members of multiple-queen colonies. Increasing the number of queens in a colony usually results in a decreased level of aggression towards non-nestmates. The phenotype matching hypothesis predicts that, compared to single-queen colonies, multiple-queen colonies have more diverse genetically-derived cues used for recognition, resulting in a lower ability to discriminate non-nestmates. In sharp contrast to this hypothesis, we show in chapter 3 that single- and multiple-queen colonies exhibit on average similar levels of aggression. Moreover, stronger aggression is recorded between colonies of different social structure than between colonies of the same social structure. Several hypotheses propose that the evolution of multiple-queen colonies is at least partly due to benefits resulting from an increase in colony genetic diversity. The task-efficiency hypothesis holds that genetic variation improves task performance due to a more complete or more sensitive expression of the genetically-based division of labor. In .chapter 4, we evaluate if higher colony genetic diversity increases worker size polymorphism and thus may improve division of labor. We show that despite the fact that worker size has a heritable component, higher levels of genetic diversity do not result in more polymorphic workers. The smaller size and lower polymorphism levels of workers of multiple-queen colonies compared to single-queen ones further indicate that an increase in colony genetic diversity does not increase worker size polymorphism but might improve colony homeostasis. In chapter 5, we provide clear evidence for an ongoing conflict between queens and workers on sex allocation, as predicted by kin selection theory. Our data show that queens of F. selysi strongly influence colony sex allocation by biasing the sex ratio of their eggs. However, there is also evidence that workers eliminated some male brood, resulting in a population sex-investment ratio that is between the queens' and workers' equilibria. Résumé L'évolution des structures sociales et systèmes d'accouplement chez les animaux est un processus complexe combinant à la fois des facteurs écologiques, génétiques et sociaux. Cette thèse met en lumière des changements importants dans la génétique des populations, les traits d'histoire de vie et les comportements sociaux qui sont associés à des variations de structure sociale chez les fourmis. Durant ce travail, nous avons étudié une population de Formica selysi composée à la fois de colonies à une reine et de colonies à plusieurs reines. La transition de colonie à une reine à colonie à plusieurs reines est généralement associée à des changements profonds dans le comportement de dispersion ainsi que le mode de fondation des sociétés. Dans le chapitre 1, nous examinons les conséquences génétiques de la variation de structure sociale tant au niveau de la colonie qu'au niveau de la population. Une analyse détaillée à l'aide de marqueurs microsatellites nous révèle que les deux types de colonies ont des systèmes d'accouplements similaires avec peu ou pas de renouvellement de reines. L'absence totale de différenciation génétique entre les colonies à une et à plusieurs reines n'apporte aucun support à l'hypothèse selon laquelle un changement dans le nombre de reines conduit à un flux de gènes restreint entre les deux formes sociales. A côté de changements dans la composition génétique de la colonie, la variation du nombre de reines dans une colonie est associée à une multitude de changements comportementaux et de traits d'histoire de vie qui ont été décrits comme formant un "syndrome polygyne". Dans le chapitre 2, nous démontrons que les colonies à plusieurs reines diffèrent profondément des colonies à une reine en terme de taille, densité de nids, longévité des colonies, poids des nouvelles reines produites ainsi que dans l'allocation entre les individus reproducteurs et les ouvrières. Ces changements multiples dans les traits d'histoire de vie peuvent apporter des bénéfices variés en terme de fitness aux colonies à plusieurs reines. L'augmentation du nombre de reines dans une colonie est généralement associée à une baisse du degré d'agressivité envers les fourmis étrangères au nid. L'hypothèse "phénotype matching" prédit que les colonies à plusieurs reines ont une plus grande diversité dans les facteurs d'origine génétique utilisés pour la reconnaissance, résultant en une capacité diminuée à discriminer une fourmi étrangère au nid. Contrairement à cette hypothèse, nous montrons dans le chapitre 3 que les colonies à une et à plusieurs reines ont des niveaux d'agressivité similaires. De plus, une agressivité accrue est observée entre colonies de structures sociales différentes comparée à des colonies de même structure sociale. Plusieurs hypothèses ont proposé que l'évolution de colonies ä plusieurs reines soit en partie due aux bénéfices résultant d'une augmentation de la diversité génétique dans la colonie. L'hypothèse "task efficiency" prédit que la diversité génétique améliore l'efficacité à effectuer certaines tâches grâce à une expression plus complète et plus souple d'une division du travail génétiquement déterminée. Nous évaluons dans le chapitre 4 si un accroissement de la diversité génétique augmente le polymorphisme de taille des ouvrières, d'où peut ainsi découler une meilleure division du travail. Nous montrons qu'en dépit du fait que la taille des ouvrières soit un caractère héritable, une forte diversité génétique ne se traduit pas par un plus fort polymorphisme chez les ouvrières. Les ouvrières de colonies à plusieurs reines sont plus petites et moins polymorphes que celles des colonies à une seule reine. Dans le chapitre 5, nous démontrons l'existence d'un conflit ouvert entre reines et ouvrières à propos de l'allocation dans les sexes, comme le prédit la théorie de la sélection de parentèle. Nos données révèlent que les reines de F. selysi influencent fortement l'allocation dans les sexes en biaisant la sexe ratio des oeufs. Cependant, certains indices indiquent que les ouvrières éliminent une partie du couvain mâle, ce qui a pour effet d'avoir un investissement dans les sexes au niveau de la population intermédiaire entre les intérêts des reines et des ouvrières.