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Root-knot nematodes (genus Meloidogyne) are among the most devastating plant parasites. These organisms present an important diversity of reproductive modes. Surprisingly, it has been observed that the most damaging species reproduce in a strictly asexual manner and some can bypass the host plant's resistance in a limited number of generations. Thus, although being unable to combine beneficial mutations from different individuals, these species can adapt to environmental changes. The adaptability and parasitic success of these species despite the absence of sexual reproduction seem paradoxical and must rely on other mechanisms capable of generating genetic plasticity. Transposable Elements (TEs) are DNA fragments capable of moving and multiplying in genomes. As a result, TEs can have functional and structural repercussions on genomes. Hence, TEs could be one of the mechanisms involved in generating the genetic diversity necessary for adaptability in Meloidogyne.By performing a comparative genomics analysis between 7 Meloidogyne species, I have shown that the TE landscape currently observed in these species seems to follow their evolutionary history and interspecies drift rather than life-history traits such as the reproduction mode. Furthermore, this analysis supports recent TE activity within all these species. The results also suggest that although TEs have recently been active within the genus Meloidogyne, their dynamics in the genomes appear to be species-specific and thus require targeted study.With this in mind, I have focused my efforts on M. incognita, arguably the most detrimental asexually reproductive species to agriculture. As a first step, I have annotated in detail the TE content in the genome of M. incognita. The TE content analysis confirmed these elements have probably been recently active in the genome. To better characterize this activity and its potential effects, I then estimated the mobility of these TEs through a comparative genomics analysis of 12 geographic isolates. I was able to identify several thousand loci in the genome where the frequencies of TE presence varied substantially between different isolates. Using a phylogenetic approach, I showed that these TE frequency variations followed the evolutionary history of the studied isolates. Compared to the reference genome, I have predicted TE neo-insertions, some with potential functional impact. Experimental validations carried out for several of these insertions confirmed the potential role of TEs in the genome plasticity in this species.During this analysis, I also identified TEs present at intermediate frequencies (different from 0 or 1) within each isolate, indicating variability between individuals despite the fact M. incognita is a supposedly clonal organism and that each isolate studied was derived from a single female. Focusing on the analysis of one of these isolates, we have experimentally validated several TE polymorphisms, confirming that there is significant genetic heterogeneity within the same isolate. Furthermore, by comparing sequencing data from the same isolate at two different time points, we predicted that a few TEs varied in frequency within the isolate within a small number of generations, implying these TEs participate in the dynamics of genetic diversity in this organism. These results lay the foundation for future analyses to determine whether TEs play an active role in the ability of species to adapt to their environment in the absence of sexual reproduction.; Les nématodes à galles (genre Meloidogyne) sont parmi les parasites de plantes les plus nuisibles. Ces organismes se distinguent par la diversité de leurs modes de reproduction. Étonnement, il a été observé que les espèces les plus néfastes se reproduisent de manière strictement asexuée et certaines sont capables de contourner la résistance de la plante hôte en un nombre de générations restreint. Ainsi, bien qu'incapables de combiner des mutations bénéfiques provenant de différents individus, ces espèces peuvent s'adapter à des changements du milieu. L’adaptabilité et le succès parasitaire de ces espèces malgré l’absence de reproduction sexuée semblent paradoxaux et doivent reposer sur d’autres mécanismes capables de générer de la plasticité génétique.Les éléments transposables (ETs) sont des fragments d’ADN capables de se déplacer et de se multiplier dans les génomes. De ce fait, les ETs peuvent avoir des répercussions fonctionnelles et structurales sur les génomes. Les ETs pourraient constituer un des mécanismes permettant de générer la diversité génétique nécessaire à l’adaptabilité chez Meloidogyne.En réalisant une analyse de génomique comparative entre 7 espèces de Meloidogyne, j’ai montré que le contenu en ETs actuellement observé chez ces espèces semble suivre leur histoire évolutive et la dérive entre espèces, plutôt que des traits d’histoires de vie tels que le mode de reproduction. Par ailleurs, cette analyse soutient une activité récente des ETs au sein de la plupart des espèces. Ces résultats suggèrent que bien que les ETs aient récemment été actifs au sein du genre Meloidogyne, leur dynamique dans les génomes semble spécifique à chaque espèce et nécessite donc une étude ciblée.Dans cette optique, j’ai concentré mes efforts sur M. incognita, l’espèce à reproduction asexuée la plus préjudiciable pour l’agriculture. Dans un premier temps, j’ai annoté en détail le contenu en ETs du génome de M. incognita. L’analyse du contenu en ETs a confirmé que ces éléments ont probablement été récemment actifs dans le génome. Afin de mieux caractériser cette activité et ses potentiels effets, j’ai ensuite estimé la mobilité de ces ETs via une analyse de génomique comparative portant sur 12 isolats géographiques. J’ai pu identifier plusieurs milliers de loci dans le génome où les fréquences de présence d'ETs varient entre les différents isolats. Par une approche phylogénétique, j’ai montré que ces variations de fréquence d’ETs suivent l’histoire évolutive des isolats étudiés. Par rapport au génome de référence, j’ai prédit des néo-insertions d’ETs, certaines ayant un potentiel impact fonctionnel. Les validations expérimentales réalisées pour plusieurs de ces insertions confirment le rôle probable des ETs dans la plasticité du génome de cette espèce.Lors de cette analyse, j’ai également identifié des ETs présents à des fréquences intermédiaires (différentes de 0 ou 1) au sein de chaque isolat, signe d’une variabilité entre individus. Or M. incognita est un organisme supposé clonal et chaque isolat étudié est issu d’une seule femelle. En nous concentrant sur l’analyse d’un de ces isolats, nous avons validé expérimentalement plusieurs polymorphismes de présence, ce qui confirme qu’il existe une hétérogénéité génétique non négligeable au sein d’un même isolat. Par ailleurs, en comparant des données de séquençage issues du même isolat à deux points de cinétique différents, nous avons pu prédire que quelques ETs varient en fréquences au sein de l’isolat en un faible nombre de générations, ce qui sous-entend que ces ETs participent à la dynamique de la diversité génétique de cet organisme. Ces résultats posent les bases pour de futures analyses visant à déterminer si l'activité des ETs joue un rôle actif dans la capacité d’espèces à s'adapter à leur environnement en absence de reproduction sexuée.

Climate change and increasing temperature impact abundance and distribution of thousands of organisms, aquatic and terrestrial, and some ecosystems are particularly sensitive to these global changes. Increasing temperature is the principal threat for coral populations, which are ecological engineers of coral reef ecosystems. While research on coral reefs has first sought to study adult corals, data are still lacking on early life stages of corals. As sexual and asexual reproduction may play a key role in the conservation and restoration of coral reefs, my doctoral research aims to better understand changes on sexual and asexual reproduction in the face of rising temperature. The first axis of my Ph. D. was built on the response of early life stages to increasing temperature, in order to assess whether pre-exposure of early life may improve their ulterior performance. Among the different experiments performed on the genus Acropora, I highlighted 1) a high thermal tolerance (+2-3°C above ambient temperature) of gametes, 2) a higher sensibility of oocytes than sperm to rising temperature exposure, and 3) the pivotal role of gamete thermal history on fertilization output. Finally, I identified optimal pre-exposure conditions in order to maximize fertilization success. While an increasing interest in sexual reproduction was observed these last years, asexual reproduction and fragmentation still remain the main tool to restore damaged reefs. Thus, in the second axis of my doctoral project, I investigated the phenotypic plasticity of corals by growing 3 different species of corals across 3 different environments. Their growth rates, health status and survival probability were determined. Results from this axis showed that differences were observed at the interspecific and intraspecific levels. This work revealed that a selection based on phenotypic plasticity among different life-traits (growth rates and health status) and different environments should allow to increase coral reef restoration strategies. Hence the selection of individuals (asexual reproduction) in a species based on coral common garden experiment allow to identify individuals of interest to use as restoration biological materials. Additionally, thermal pre-conditioning of early life stages (sexual reproduction) is another way to increase efficiency of restoration measures in the face of rising temperature. My doctoral research provided new information regarding physiological and biological processes of scleractinian corals facing environmental changes and proposed new solutions for restorations based on sexual and/or asexual reproduction.; Le changement climatique et l’augmentation des températures globales perturbent l’abondance et la distribution de milliers d’organismes, aquatiques et terrestres, et certains écosystèmes sont particulièrement sensibles à ces changements environnementaux. L’augmentation de température est la principale menace au maintien des populations de coraux, véritables ingénieurs écologiques de ces écosystèmes. Bien que la recherche sur les récifs coralliens se soit d’abord attachée à l’étude des coraux adultes, de nombreuses informations manquent sur la reproduction sexuée et asexuée, et leur rôle dans la conservation et restauration récifale. Le premier axe de ma thèse s’est donc construit sur la réponse des jeunes stades de vie à l’augmentation de température, pour d’abord évaluer les modifications de leur performance et ensuite évaluer dans quelles mesures les jeunes stades seraient capables de s’acclimater à des conditions de températures plus élevées. Au travers de différentes expérimentations en laboratoire sur le genre Acropora, j’ai ainsi mis en évidence 1) une résistance thermique importante (+2-3°C au-dessus des températures ambiantes) des gamètes face à l’augmentation de température, 2) une résistance thermique différente entre spermatozoïdes et ovocytes: ovocytes < spermatozoïdes, 3) et la mise en évidence du rôle majeur de l’environnement dans lequel se rencontre les gamètes une fois libérés, sur la qualité et la quantité de la fécondation. Enfin, j’ai identifié les conditions optimales thermiques de pré-exposition des gamètes pour maximiser leur succès de fécondation. Bien qu’un intérêt croissant soit porté sur la reproduction sexuée ces dernières années, l’utilisation de la reproduction asexuée demeure la méthode la plus utilisée pour restaurer les récifs coralliens, plus connue sous le nom de bouturage. Ainsi le second axe de ma thèse a cherché à mettre en évidence la plasticité phénotypique des coraux en cultivant des boutures provenant de 3 espèces dans 3 environnements différents et en analysant leur taux de croissance, leur état de santé et leur survie. Cet axe a pu montrer qu’il existait des différences à plusieurs échelles, entre espèces, mais aussi au sein d’une même espèce. Mes travaux montrent qu’une sélection des individus basée sur l’étude de la plasticité phénotypique de certains traits d’histoires de vie comme la croissance ou l’état de santé dans des environnements variables permettrait d’améliorer l’efficacité de la restauration récifale. Ainsi le choix des individus au sein d’une même espèce afin de réaliser du bouturage (reproduction asexuée) et le conditionnement de la phase de vie gamètes (reproduction sexuée) peut permettre d’augmenter l’efficacité des méthodes de restaurations tout en nous donnant des informations nouvelles sur la biologie et la physiologie des coraux scléractiniaires face aux changements environnementaux.

Climate change and increasing temperature impact abundance and distribution of thousands of organisms, aquatic and terrestrial, and some ecosystems are particularly sensitive to these global changes. Increasing temperature is the principal threat for coral populations, which are ecological engineers of coral reef ecosystems. While research on coral reefs has first sought to study adult corals, data are still lacking on early life stages of corals. As sexual and asexual reproduction may play a key role in the conservation and restoration of coral reefs, my doctoral research aims to better understand changes on sexual and asexual reproduction in the face of rising temperature. The first axis of my Ph. D. was built on the response of early life stages to increasing temperature, in order to assess whether pre-exposure of early life may improve their ulterior performance. Among the different experiments performed on the genus Acropora, I highlighted 1) a high thermal tolerance (+2-3°C above ambient temperature) of gametes, 2) a higher sensibility of oocytes than sperm to rising temperature exposure, and 3) the pivotal role of gamete thermal history on fertilization output. Finally, I identified optimal pre-exposure conditions in order to maximize fertilization success. While an increasing interest in sexual reproduction was observed these last years, asexual reproduction and fragmentation still remain the main tool to restore damaged reefs. Thus, in the second axis of my doctoral project, I investigated the phenotypic plasticity of corals by growing 3 different species of corals across 3 different environments. Their growth rates, health status and survival probability were determined. Results from this axis showed that differences were observed at the interspecific and intraspecific levels. This work revealed that a selection based on phenotypic plasticity among different life-traits (growth rates and health status) and different environments should allow to increase coral reef restoration strategies. Hence the selection of individuals (asexual reproduction) in a species based on coral common garden experiment allow to identify individuals of interest to use as restoration biological materials. Additionally, thermal pre-conditioning of early life stages (sexual reproduction) is another way to increase efficiency of restoration measures in the face of rising temperature. My doctoral research provided new information regarding physiological and biological processes of scleractinian corals facing environmental changes and proposed new solutions for restorations based on sexual and/or asexual reproduction.; Le changement climatique et l’augmentation des températures globales perturbent l’abondance et la distribution de milliers d’organismes, aquatiques et terrestres, et certains écosystèmes sont particulièrement sensibles à ces changements environnementaux. L’augmentation de température est la principale menace au maintien des populations de coraux, véritables ingénieurs écologiques de ces écosystèmes. Bien que la recherche sur les récifs coralliens se soit d’abord attachée à l’étude des coraux adultes, de nombreuses informations manquent sur la reproduction sexuée et asexuée, et leur rôle dans la conservation et restauration récifale. Le premier axe de ma thèse s’est donc construit sur la réponse des jeunes stades de vie à l’augmentation de température, pour d’abord évaluer les modifications de leur performance et ensuite évaluer dans quelles mesures les jeunes stades seraient capables de s’acclimater à des conditions de températures plus élevées. Au travers de différentes expérimentations en laboratoire sur le genre Acropora, j’ai ainsi mis en évidence 1) une résistance thermique importante (+2-3°C au-dessus des températures ambiantes) des gamètes face à l’augmentation de température, 2) une résistance thermique différente entre spermatozoïdes et ovocytes: ovocytes < spermatozoïdes, 3) et la mise en évidence du rôle majeur de l’environnement dans lequel se rencontre les gamètes une fois libérés, sur la qualité et la quantité de la fécondation. Enfin, j’ai identifié les conditions optimales thermiques de pré-exposition des gamètes pour maximiser leur succès de fécondation. Bien qu’un intérêt croissant soit porté sur la reproduction sexuée ces dernières années, l’utilisation de la reproduction asexuée demeure la méthode la plus utilisée pour restaurer les récifs coralliens, plus connue sous le nom de bouturage. Ainsi le second axe de ma thèse a cherché à mettre en évidence la plasticité phénotypique des coraux en cultivant des boutures provenant de 3 espèces dans 3 environnements différents et en analysant leur taux de croissance, leur état de santé et leur survie. Cet axe a pu montrer qu’il existait des différences à plusieurs échelles, entre espèces, mais aussi au sein d’une même espèce. Mes travaux montrent qu’une sélection des individus basée sur l’étude de la plasticité phénotypique de certains traits d’histoires de vie comme la croissance ou l’état de santé dans des environnements variables permettrait d’améliorer l’efficacité de la restauration récifale. Ainsi le choix des individus au sein d’une même espèce afin de réaliser du bouturage (reproduction asexuée) et le conditionnement de la phase de vie gamètes (reproduction sexuée) peut permettre d’augmenter l’efficacité des méthodes de restaurations tout en nous donnant des informations nouvelles sur la biologie et la physiologie des coraux scléractiniaires face aux changements environnementaux.

National audience

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) ont une structure génétique très particulière et certains aspects de leur génétique sont encore incompris et peu documentés. Les CMA se reproduisent par voie asexuée à l’aide de spores multinucléées. Dans cette étude, j’ai cherché à comprendre les mécanismes de l’hérédité génétique des noyaux par la voie de la reproduction asexuée chez les CMA. La première étape était de déterminer le contenu en noyaux des spores matures, ainsi que celui des spores en formation. Des analyses statistiques ont été utilisées pour vérifier le type de relation entre le nombre de noyaux et le diamètre des spores. Quatre espèces du genre Glomus ont été observées au microscope confocal. Les résultats démontrent une hétérogénéité entre les spores dans leur contenu en noyau pour un même diamètre en plus d’une relation positive entre le nombre de noyau et le diamètre de la spore. Afin de vérifier le contenu en noyaux dans les phases extraracinaires, trois différentes structures du mycélium ont été observées au microscope confocal. Aucune structure n’a été retrouvée avec un seul noyau, ce qui permet de conclure que les CMA ne possèdent vraisemblablement pas de stade uninucléé dans leurs phases extraracinaires. Pour étudier l’hérédité des noyaux, deux différentes approches ont été utilisées: (i) Glomus irregulare a été mis sur milieu complémenté avec de l’aphidicoline pour inhiber la mitose. Des observations au microscope confocal ont permis de dénombrer les noyaux qui sont issus des hyphes et non des mitoses. Les résultats indiquent que la population de noyaux présents dans les spores matures provient d’une migration massive de noyaux à l’intérieur des spores en formation suivie d’un nombre faible de mitoses. (ii) La deuxième approche est l’observation microscopique en temps-réel de spores en formation de G. diaphanum qui a permis de confirmer cette affirmation, car il a été possible de voir plusieurs noyaux entrer dans la spore. Dans la dernière partie de cette étude, je me suis intéressée aux échanges génétiques horizontaux chez les CMA qui sont possibles grâce aux anastomoses. Quatre isolats de l’espèce G. irregulare ont été croisés en co-culture par couple de deux isolats (six croisements) pour permettre une proximité propice aux anastomoses et aux échanges génétiques. Ces croisements ont été maintenus pendant deux ans en culture par le repicage des racines colonisées. Des spores des deux différents isolats ont été confrontées sur eau gélifiée, afin d’observer la formation d’anastomose. Un pourcentage de 13% de formation de fusions d’hyphes pour une des confrontations suggère que l’échange des marqueurs parentaux a pu avoir lieu entre les deux isolats grâce aux anastomoses. Un marqueur moléculaire mitochondrial nommé Indel 5 a été développé et utilisé pour l’analyse des spores filles. Ce marqueur possède entre les isolats une délétion de 39 pb et la différence entre les isolats est facilement détectable sur gel d’électrophorèse après amplification PCR. Le génotypage par PCR des spores individuelles a montré que certaines des spores filles issues du croisement possèdent un des deux marqueurs parentaux alors que d’autres spores ont un génotype qui semble posséder les deux marqueurs. Même si la fusion d’hyphes entre spores en germination est possible, d’autres recherches devront être réalisées pour confirmer qu’un échange génétique est possible entre deux isolats très éloignés géographiquement. Le fait qu’il n’existe aucun stade uninucléé au cycle de vie des CMA et qu’il y ait une migration massive de noyaux lors de la formation des spores permet de limiter la dérive génique lors de la reproduction asexuée. Les anastomoses, quant à elles, permettent de rétablir la diversité génétique. Ces deux particularités de la génétique des CMA ont été fort importantes au cours de leur évolution pour permettre de maintenir une variabilité génétique élevée et permettre ainsi une grande adaptation à différents type d’habitats., Arbuscular Mycorrhizal Fungi (AMF) have a particular and complex genetic structure. Yet, many aspects of their genetics are still misunderstood and poorly documented. These organisms reproduce by asexual multinucleate spores. In this study, I investigated the mechanisms of genetic inheritance of nuclei through asexual reproduction in AMF. First, I determined the number of nuclei in mature and juveniles spores; I used statistical analysis to determine the relationship between the number of nuclei and the spore diameter. Four species from the genus Glomus were observed with a confocal microscope. The results showed that the number of nuclei has a significant positive relationship with spore diameter and more importantly, surprising heterogeneity in the number of nuclei among sister spores was found. To determine the number of nuclei in extraradical phases, three different structures from the mycelia were carefully examined with a confocal microscope. All the structures possessed more than one nucleus and showed that AMF probably lack a single-nucleus stage during their extraradical phases. To study the nuclei’s heritance, two different approaches were used: (i) Glomus irregulare was grown on medium complemented with aphidicolin to inhibit the mitosis. Observations with a confocal microscope permit to count the nuclei that come from the hyphae and not from the mitosis. The results showed that massive nuclear migration and mitosis are the mechanisms by which AMF spores are formed. (ii) The second approach confirm these results because with time-laps live cellular imaging of young spores of Glomus diaphanum it was possible to see many nuclei to get in the spores. In a second part of this thesis, I studied horizontal gene exchanges among AMF isolates through anastomoses. Thus, four isolates of the species G. irregulare were used in in vitro crossing experiments, in total six combinations using two isolates per crossing experiment. These crossing co-cultures were maintained over two years by subculturing. Spores of two different isolates were confronted in vitro prior to observation of anastomoses. 13% of spores formed anastomoses suggesting the occurrence of genetic exchange between two isolates. A mitochondrial molecular marker referred as Indel 5, was used to genotype individual spores of crossing progenies. A 39 bp deletion occurs in the marker among different isolates and is clearly discriminated by PCR. PCR patterns showed that some spores seem to have both parental markers demonstrating that genetic exchange could occur between the two isolates used in crossing experiment. Even though hyphal fusions occur between germinating spores, subsequent research needs to be done to confirm genetic exchange among different isolates from different geographic areas. The finding that AMF lack a single nuclear stage in their extraradical phases and that mitosis and nuclear migration are the mechanisms by which AMF spores are formed reduce genetic drift that acts on these organisms during asexual reproduction. Anastomoses are likely a mechanism that maintains the genetic diversity in AMF. These genetic characteristics of AMF were very important during their evolution to maintain a high genetic variability that allows their adaptation to many different ecosystems., 3 vidéos sont dans des fichiers complémentaires à ce mémoire

Holothuria atra is the most common aspidochirotid holothurian on tropical Indo-Pacific reef-flats. Transverse fission followed by regeneration has been studied in populations from New-Caledonia and Papua New Guinea. Fission has been observed in the field in all sizes of individuals at a mean rate of 1 % of the population sampled in New-Caledonia. From the direct observations and from the sizes of recently divided individuals, regenerating the oral or anal end, the position of the split has been located in the anterior 45 %. From the observed fission and regeneration rates in the population, it is infered that external regeneration {disappearance of fission signs) takes about two months. Asexual and sexual reproduction appears to be seasonal. But whereas fission mainly occurs during the cool season, sexual reproduction (from gonad studies) takes place during the warm season. Fission is probably triggered by emersion, during low tides, through dessication and thermal s tress. It is hypothesized that the low water time of the spring tides can explain the seasonality of the fission as this phase of the tide occurs in these localities near the middle of the day in the cool season (and during the night in the warm season).