L’archipel isolé des Kerguelen en région subantarctique est caractérisé par un climat rigoureux et une forte vulnérabilité au changement climatique et aux invasions biologiques. Alors que les microorganismes sont au cœur de la réponse des écosystèmes au changement climatique, la diversité et la réponse microbienne des Kerguelen reste encore largement inexplorée. En combinant observations et échantillonnages de terrain, études biogéographiques et expériences en conditions contrôlées, cette thèse propose une analyse multi-échelle de l’assemblage des communautés bactériennes et fongiques des sols et des plantes de cet écosystème subantarctique. Nous montrons que les microbiomes du sol et des plantes sont façonnés par des introductions historiques, un filtrage environnemental et l’identité de l’hôte. La majorité des taxons sont cosmopolites, avec des indices de potentielles introductions d’origine humaine et de dispersion longue distance. Les caractéristiques édaphiques et climatiques influencent l’assemblage et la diversité microbienne le long du continuum sol-plante. Une expérimentation en conditions contrôlées montre que le microbiome du sol est garant de l’établissement et de la bonne croissance des plantules, et que la Poacée introduite Poa annua «surperforme» par rapport aux espèces endémiques grâce à une plasticité accrue et une forte proportion de micro-organismes transmis depuis les graines. Cette thèse souligne ainsi la vulnérabilité des plantes holobiontes des fellfields aux Kerguelen face à la double pression du changement climatique et des invasions biologiques.

Les espèces sont adaptées à des conditions environnementales spécifiques (concept de niche écologique) qui sont reflétées dans leur distribution spatiale. Alors que les aires de répartition géographiques sont relativement stables à grande échelle, des changements importants, tels que des expansions, sont parfois observés. Cette thèse vise à étudier l’expansion d’aire de répartition de l’araignée Zodarion rubidum Simon, 1914, à travers l’Europe. La première étude s’intéresse à l’historique de l’expansion et à l’aire favorable potentielle de l’espèce. La seconde étude adresse l’hypothèse d’un changement de régime alimentaire à travers l’espace. Enfin, les troisième et quatrième études évaluent différents processus éco-évolutifs pour comprendre comment Z. rubidum s’est répandue aussi rapidement à travers l’Europe, i.e. testant le rôle potentiel d’endosymbiontes et de l’émergence de phénotypes hautement dispersifs, et comment l’espèce a pu établir des populations viables sur une telle étendue spatiale, i.e. cherchant des différences phénotypiques dans l’espace liées à la niche thermique et alimentaire. Les résultats montrent que Z. rubidum a commencé son expansion dans les années 1970 en Europe centrale, et que ce phénomène ne semble pas être lié à la prévalence d’endosymbiontes ou aux effets d’un tri spatial, mais sans doute à des transports humains. De plus, l’expansion de Z. rubidum ne coïncide pas avec un changement de régime alimentaire ou de niche fondamentale thermique ou alimentaire. Plutôt, il semble que cette expansion d’aire de répartition soit un exemple de remplissage de niche, caractérisé par une colonisation de zones favorables mais jusqu’ici inaccessibles.

Les landes et les prairies sont des habitats agropastoraux particulièrement touchés par les changements d’usages des terres en Europe. Cette thèse analyse l’évolution des communautés végétales des landes et des prairies du Massif Armoricain (nord-ouest de la France). Cette étude est basée sur le rééchantillonnage de plus de 700 relevés floristiques historiques géolocalisés (1947-1998). Près de 30 % des landes et prairies historiquement échantillonnées ont disparu en raison de la déprise agricole, de la conversion en terres arables ou urbanisées. L’analyse diachronique des relevés floristiques met en évidence un déclin important de la diversité et de l’état de conservation des communautés végétales entre les périodes historique et contemporaine. Une proportion plus élevée d'espèces perdantes a été trouvée, principalement des taxons rares et typiques de l'habitat, tandis que les espèces gagnantes étaient principalement tolérantes aux perturbations et communes. Les résultats obtenus ont permis de fournir un diagnostic sur l’ampleur des changements de biodiversité à large échelle spatio-temporelle et de proposer une meilleure prise en compte de la biodiversité à l’échelle régionale aux différents acteurs du territoire.

L’augmentation des températures peut exacerber l’impact qu’ont les ectothermes invasifs dans les régions froides, où les envahisseurs, souvent importés de régions plus tempérées, sont susceptibles de bénéficier de températures plus chaudes. L’hypothèse selon laquelle les espèces indigènes sont lésées et les espèces invasives bénéficient des températures plus chaudes, a été explorée en utilisant comme étude de cas une mouche indigène et invasive des îles subantarctiques Crozet et Kerguelen, respectivement. Calliphora vicina (Robineau-Desvoidy 1830) est une mouche à viande invasive à Kerguelen dont la progéniture partage les ressources en charogne avec la mouche aptère indigène Anatalanta aptera (Eaton 1875). En utilisant un suivi de population à long terme, des relevés de température et des expériences, nous avons montré que l’augmentation des températures pourrait expliquer l'établissement et l'expansion plus large de C. vicina, invasive localement. En revanche, A. aptera souffre d'une reproduction réduite lorsqu'elle est exposée à des stress thermiques plus élevés et plus fréquents. Nous avons également étudié les habitudes alimentaires d'une autre espèce invasive, Merizodus soledadinus (Guerin-Meneville, 1930), un prédateur connu d'A. aptera et un prédateur potentiel de C. vicina. Des essais expérimentaux d'alimentation ont montré que cette espèce préfère les larves aux autres stades de développement des insectes et que son régime alimentaire est très varié, ce qui signifie que de nombreuses espèces sont potentiellement exposées à un risque de déprédation dans les zones où les populations de sa proie préférée (A. aptera) sont réduites.

D. suzukii est un ravageur majeur des cultures de fruits. La femelle, grâce à un son ovipositeur cranté, pond directement dans les fruits mûrs et les larves en consomment la chair, causant des pertes économiques importantes. A l’heure actuelle, l’urgence est d’approfondir les connaissances fondamentales sur l’écologie saisonnière des populations de D. suzukii afin de mieux anticiper et prédire la dynamique des populations d’une année à l’autre. Les modèles actuels de dynamique des populations pour D. suzukii sont insuffisants et ne parviennent pas à prédire de façon fiable les variations interannuelles de l’abondance des populations. L’objectif de mes travaux de thèse était de collecter les données fondamentales nécessaire à la création d’un modèle de dynamique des populations, en étudiant l’influence des températures sur les traits d’histoire de vie de D. suzukii, et aussi d’élucider les stratégies d’hivernation chez cette espèce. Les expérimentations, qui ont impliqué des régimes thermiques aussi bien constants que fluctuants et également des applications sur le terrain, ont permis de mettre en lumière la présence ainsi que la capacité d’acclimatation des stades pré-imaginaux et imaginaux pendant l’hiver même lors d’épisodes de températures négatives, et également une stratégie de dispersion des risques (bet-hedging) a été observée. Ces travaux ont également permis de décrire une possible quiescence reproductive légère chez les mâles et les femelles pendant l’hiver. Enfin, il a été montré que grâce à ces différentes stratégies adaptatives complémentaires de survie à l’hiver, les mâles et les femelles sénescents à la sortie de l’hiver, semblent avoir les capacités reproductives pour relancer les populations de D. suzukii au printemps. Un modèle de dynamique des populations pour D. suzukii est en cours de construction et intégrera aussi bien les paramètres des différentes normes de réaction thermique que les réponses plastique sous-jacentes à la dynamique saisonnière.

L'histoire évolutive du génome des plantes est ponctuée de cycles de polyploïdisation et de diploïdisation. De nombreux progrès ont été récemment accomplis dans notre compréhension des conséquences moléculaires, phénotypiques et écologiques immédiates de la polyploïdisation, mais l'impact à long terme de cette dynamique et les lois qui régissent la diploïdisation restent mal compris. Le large genre Sporobolus (Chloridoideae, Poaceae), qui s'est diversifié dans les 12 à 20 derniers millions d'années, est caractérisé par un nombre variable de chromosomes de base et une polyploïdisation récurrente. Dans ce genre, la section polyploïde Spartina contient un exemple classique de spéciation allopolyploïde récente, Sporobolus anglicus (2n=124) formé au cours du 19e siècle suite à une hybridation entre S. maritimus (2n=60) et S. alterniflorus (2n=62). Ce système représente donc un excellent modèle pour étudier les effets de la polyploïdisation à différentes échelles de temps évolutif, depuis l'événement de paléopolyploïdisation rho hérité de l'ancêtre de la famille des graminées il y a 90-115 millions d'années. Nous avons développé un pipeline dédié pour analyser les génomes dupliqués des polyploïdes S. maritimus et S. alterniflorus. Nous avons pu identifier deux sousgénomes divergents résultant de deux événements de méso-polyploïdisation successifs (WGD1 ~9,6-24,4 millions d'années, WGD2 ~2,1-6,2 millions d'années), révélant que S. maritimus et S. alterniflorus sont des méso-octoploïdes et non des hexaploïdes comme considérés auparavant. Nous avons mis en évidence un processus de diploïdisation, principalement par imbrications d'insertions chromosomiques, conduisant, d'un nombre de chromosomes de base ancestral x=10, à un nouveau nombre de base x=15, rendant les génomes modernes de S. maritimus et S. alterniflorus tétraploïdes. Nous avons également identifié une restructuration chromosomique à l'origine de la différence de nombre de chromosomes entre ces deux espèces. En comparant ces génomes à ceux de diverses lignées de Poacées apparentées, nous avons pu reconstituer l'évolution du caryotype des génomes du genre Sporobolus section Spartina.

L'émergence du mode de vie agro-pastoral a transformé les écosystèmes et les dynamiques de biodiversité. Cette transition a eu lieu au cours d'une période de forte variabilité climatique, marquée par différents événements climatiques, qui ont influencé sa diffusion et la biodiversité locale. Néanmoins, il est difficile de différencier la part de la variabilité de la faune et de la flore qui résulte des impacts anthropiques ou climatiques. L'étude des proxys environnementaux dans deux contextes différents, le Massif armoricain dans le nord-ouest de l'Europe et l'archipel de Saint-Pierre et Miquelon dans le nord-est du Canada, peut dévoiler de nouvelles perspectives pour discuter de cette question. Dans ce travail, nous avons analysé les proxies paléoécologique de pollen et d’ADN sur différentes archives environnementales. Nous avons observé, par le biais de l’analyse conjointe d'une revue et d'une méta-analyse, l'ouverture progressive du paysage armoricain en réponse à l'arrivée de communautés agricoles. La reconstruction climatique basée sur les pollens dans cette région a mis en évidence la variabilité rapide du climat et son influence sur les activités agro-pastorales. L'étude de l'ADN ancien, par le biais de stratégies métagénomiques sur des échantillons environnementaux, peut compléter les données polliniques et archéologiques. En particulier, l'utilisation de sondes conçues de manière bioinformatique dans le cadre de capture ciblée par enrichissement permet de récupérer divers taxons écologiquement informatifs. L'application de ces stratégies dans les tourbières ombrotrophes de Saint-Pierre et Miquelon souligne la nécessité d'aborder ce type d'archives avec prudence. En conclusion, le travail présenté dans cette thèse a permis d'enrichir nos connaissances sur la dynamique de la biodiversité au cours de la transition agro-pastorale. Il appelle à une meilleure approche transdisciplinaire des archives environnementales et ouvre la voie à des études paléogénomiques sur les tourbières.

Le réchauffement climatique affecte les écosystèmes. Les écosystèmes urbains sont particulièrement vulnérables au réchauffement, de par leur exposition aux îlots de chaleur urbains (ICU). Cette thèse aborde les relations entre différents groupes d’arthropodes (principalement araignées) et les variations spatiales de température mesurées sur la ville de Rennes et ses alentours. En particulier, l’effet du réchauffement sur les arthropodes est comparé entre diverses échelles spatiales, s’étendant du micro¬-habitat au paysage. La diversité taxonomique est négativement reliée à l’intensité de l’ICU. Cette réduction du nombre d’espèces en ville correspond notamment à une exclusion des espèces les plus sensibles à la chaleur. En plus de leurs affinités thermiques, les espèces sont filtrées selon leurs caractéristiques morphologiques. La taille corporelle moyenne au sein des communautés diminue avec une intensité d’ICU croissante. Les espèces de taille relativement importante sont effectivement les plus sensibles aux réchauffements, possiblement en raison de leur cycle de vie plus long, ou encore de leur capacité limitée à disperser par voie aérienne (ballooning). Cependant, la qualité structurelle et thermique du micro-habitat peut atténuer ces effets négatifs en favorisant la diversité fonctionnelle et l’abondance. Les micro-habitats prairiaux, bien qu’exposés à des conditions thermiques diurnes extrêmes en ville, peuvent atténuer, voire compenser le réchauffement nocturne induit par l’ICU atmosphérique à l’échelle des arthropodes. Bien que le réchauffement atmosphérique à l’échelle du paysage urbain constitue un filtre environnemental fort sur les espèces, des mesures de gestion locales visant à optimiser la qualité thermique des micro-habitats peuvent constituer un levier efficace pour la conservation de la biodiversité urbaine.

La caractérisation des mécanismes qui sous-tendent l'isolement reproductif entre des lignées divergentes est essentielle pour comprendre le processus de spéciation. Au cours de leur évolution, les populations développent progressivement un isolement reproductif (IR) en passant par des étapes intermédiaires, souvent appelées "zone grise de la spéciation". L'établissement de l'IR se manifeste par l'apparition de régions génomiques qui agissent comme des barrières réduisant le flux de gènes local par rapport au reste du génome. Les approches de génomique des populations impliquent donc l'identification de locus avec des signatures spécifiques, différentes du reste du génome. Cependant, d'autres processus peuvent créer des signatures similaires, ce qui fait de la détection des barrières une tâche difficile. Dans ma thèse, j'ai développé un nouvel outil, RIDGE - Reproductive Isolation Detection using Genomic Polymorphisms – un nouvel outil libre et portable adapté en particulier aux approches comparatives. RIDGE utilise une approche ABC (Approximate Bayesian Computation) et de “model averaging” basée sur des “random forest” pour prendre en compte divers scénarios de divergence entre lignées. Il prend en compte l'hétérogénéité du taux de migration, de la sélection en liaison et de la recombinaison le long du génome, estimant la proportion de barrières et effectuant des tests par locus pour détecter les barrières au flux génique. Des simulations et des analyses de jeux de données publiés sur des paires d'espèces de corbeaux indiquent que RIDGE est efficace pour détecter la migration en cours et identifier les locus barrières, même pour des temps de divergence récents. De plus, la contribution des statistiques résumées varie en fonction du jeux de données, ce qui met en évidence la complexité des signaux génomiques des barrières et l’intérêt de combiner plusieurs statistiques résumées. Par la suite, j'ai appliqué RIDGE à des paires de populations sauvages/domestiques : le maïs (allogame) et le millet (autogame), les deux ayant été domestiquées il y a environ 9 000 ans. Des flux de gènes entre les formes ont été documentés dans ces deux systèmes. Les modèles avec migration continue au cours du temps et hétérogène le long du génome sont clairement ressortis comme dominants. RIDGE a également démontré sa capacité à distinguer les locus barrière des locus de domestication (qui ont subi des balayages sélectifs au sein des formes domestiques). Les perspectives de ce travail comprennent l'application de RIDGE à de multiples paires population/espèce englobant un large spectre de divergence afin de déterminer les bases génomiques de l’IR au cours de la spéciation, de tester la théorie de «l’effet boule de neige” formulée par Orr en 1995 ou de déterminer la nature des gènes de spéciation.

Dans une période de changements climatiques et de destructions des zones humides, l'étude des tourbières apparaît cruciale du fait de la riche biodiversité qu’elles hébergent et des archives sédimentaires et biologiques qu’elles constituent. La dynamique des tourbières peut s'étudier à travers plusieurs disciplines et sur des échelles de temps variées. Afin de traiter cette complexité, les qualités bioindicatrices de la végétation et des arthropodes ont été comparées. En néoécologie, nous avons étudié les effets paysagers en appliquant une approche multimétrique sur les araignées et les plantes. Nous avons observé, à travers la diversité taxonomique et fonctionnelle, alpha et bêta ainsi que les ordres de diversité de Hill, les reponses de la diversité des tourbières. Une grande complémentarité des taxons et des métriques a été mise en évidence. En paléoécologie, le potentiel des Acariens Oribatides comme indicateurs de reconstruction climatique a été étudié. Cela a été réalisé en croisant les assemblages actuels d'oribates avec le climat actuel afin d’évaluer les erreurs de reconstruction. Cela a permit de souligner le manque de données disponibles sur les oribates pour ce genre de methode. Enfin, nous avons étudié la dynamique des habitats et du climat au cours des deux derniers millénaires à travers l’analyse paléoécologique d’une tourbière de Saint-Pierre en croisant les oribates, les macrofossiles végétaux et le pollen. Une dynamique de variation hydrologique et climatique conformes aux spécificités régionales a été observée. Cette approche pluridisciplinaire a permis d'accroître les connaissances sur la dynamique des tourbières et d’évaluer et renforcer les indicateurs utilisés, métriques comme taxons, en fonction des hypothèses testées.