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.

Le séquençage du génome entier d'une seule cellule (scWGS) pour étudier les bactéries s'est développé ces dernières années. Les microbiologistes sont particulièrement intéressés par cette approche pour accéder à l'échelle de la population de l'organisation des bactéries et évaluer le potentiel d'évolution et d'interaction de ces structures bactériennes. Le scWGS devrait également accélérer la découverte de bactéries inconnues et fournir un contenu génomique plus précis que la métagénomique traditionnellement utilisée, qui n'est pas adaptée à la description des communautés bactériennes à des échelles organisationnelles fines. Dans la pratique, les scWGS sont peu utilisés en raison de leurs limites en termes de coût, d'équipement nécessaire, de temps de manipulation long et de génomes récupérés partiels et contaminés. J’ai développé une préparation de librairies génomique unicellulaire afin de proposer une approche facile à utiliser avec un coût limité et discute ses possibles améliorations futures. Pour compenser le manque de procédures de décontamination universelles pour de tels jeux de données, un pipeline de décontamination automatisé a été développé et permet l'unification du traitement des données unicellulaires. Je démontre, sur des souches bactériennes pures et environnementales, la nécessité d'une procédure de décontamination systématique et souligne les avantages du scWGS par rapport à la métagénomique. Enfin, je discute des perspectives techniques et écologiques que cette approche a à offrir à la microbiologie.

Le changement climatique engendre une augmentation de la fréquence des phénomènes de température extrême, ce qui a des conséquences sur la physiologie des individus et les fonctions des écosystèmes. Des études antérieures ont montré que les phénomènes de température extrême modifient la hiérarchie de dominance de trois espèces de pucerons des céréales coexistantes (Rhopalosiphum padi, Sitobion avenae, Metopolophium dirhodum). Nous émettons l'hypothèse que ce phénomène est étroitement lié à leur tolérance thermique basale différente, résultant de tolérances physiologiques distinctes au stress thermique. L'accumulation de cytoprotecteurs et l'expression de gènes de protéines de choc thermique (hsps) sont les mécanismes biochimiques et moléculaires les plus importants pour accroître la tolérance physiologique au stress thermique, respectivement. Dans cette thèse, nous avons constaté que: 1) les trois espèces de pucerons ont montré des variations interspécifiques significatives en termes de tolérance à la chaleur et au froid, ce qui pourrait entraîner des lésions thermiques différentes sur le terrain. 2) les espèces tolérantes à la chaleur avaient plus d'hsps inductibles par la chaleur et des niveaux d'expression plus élevés d'hsps pendant le stress que les autres espèces. Les espèces tolérantes au froid avaient plus de gènes inductibles par le froid. 3) les espèces tolérantes à la chaleur ont montré des niveaux incroyablement plus élevés de polyols par rapport aux autres espèces lorsqu'elles étaient exposées à la chaleur pendant la même durée. 4) les espèces tolérantes au froid ont affiché des niveaux accrus de cryoprotecteurs après avoir récupéré du stress causé par le froid.

Depuis l’essor des nanoparticules d’oxydes de fer (NPs-OxFe), leur application a rapidement été étendue à la gestion environnementale car leurs propriétés physico-chimiques leur confèrent une affinité spécifique pour l'adsorption des éléments traces. Dès lors, les recherches sur la nanoremédiation se sont accrues pour tenter d’améliorer les processus de phytoremédiation existants. La première partie de cette thèse étudie l’impact à long terme des NPs-OxFe sur une culture de tournesol dans un contexte de sol pollué par le plomb. Leur phytotoxicité, nanofertilisation, mobilité, ainsi que leur potentiel de nanoremédiation y sont examinés. Dans cette étude, nous montrons que les NPs-OxFe ne génèrent aucune phytotoxicité, réduisent le stress oxydatif et sont peu mobiles dans le sol. De plus, elles améliorent la phytoextraction du plomb tout en limitant le lessivage de celui-ci vers la solution du sol. Dans un second temps, des travaux étudiant l’effet sur les plantes d’un cocktail d’éléments traces associés à l’application de NPs-OxFe sont menés. Le cocktail de contaminants n’induit pas de phytotoxicité. La réponse des plantes à l’exposition des NPs-OxFe se traduit par une augmentation de la biomasse végétale, une amélioration de la phytoextraction du cadmium et cuivre ainsi que de la réduction de l’accumulation de l’arsenic. L’ajout de NPs-OxFe enrobées à l’acide citrique induisent des effets similaires en toutes proportions à ceux des NPs-OxFe seules. À l’ensemble de ses résultats s’ajoute également une observation et quantification de l’amélioration de la tolerance au stress hydrique chez les plantes de tournesol traitées aux NPs-OxFe.

Ici, grâce au séquençage petits ARNs, nous avons découvert la présence de miARNs dans la rhizosphère d’Arabidopsis thaliana et Brachypodium distachyon. A travers le séquençage 16S/ITS des communautés microbiennes des racines et de la rhizosphère de plantes mutantes, affectées dans la biosynthèse des petits ARNs, nous avons observé le rôle structurant de ces derniers sur le microbiote. Nous avons d’ailleurs confirmé ce rôle en utilisant une approche plus fine, à base de miRNA-endoded peptides (miPEPs), qui permettent d’augmenter la production spécifique d’un miARN in planta. Cette méthodologie a démontré l’impact que peut avoir un unique miARN rhizosphérique sur la composition du microbiote. Afin d’évaluer le mécanisme moléculaire derrière ce shift taxonomique, nous avons mis au point au outil de prédiction des cibles de miARNs de plantes dans des génomes bactériens. La confirmation biologique de certains gènes cibles a été faite, d’abord en explorant le transcriptome, en confrontant une culture bactérienne à un mélange de miARNs synthétiques, imitant ceux de la rhizosphère ; puis, de façon plus fine, en applicant le miPEP159c sur des plantules d’A. thaliana, parallèlement inoculées avec Variovorax paradoxus EPS et en quantifiant les gènes cibles par qPCR. L’ensemble de ces résultats démontre que les miARNs de plantes retrouvés dans la rhizosphère ont un rôle de modulation de la composition et de l’activité du microbiote racinaire et rhizosphérique.

Les antibiotiques sont devenus omniprésents dans l'environnement en raison de leur utilisation généralisée en médecine humaine et vétérinaire, ainsi qu'en agriculture. Ces composés peuvent persister dans les sédiments pendant de longues périodes, impactant potentiellement les processus microbiens et le fonctionnement des écosystèmes. Cependant, les effets des polluants antibiotiques sur les bactéries peuvent être atténués par des minéraux naturels, tels que les oxydes de manganèse. Par conséquent, cette thèse se concentre sur les effets des antibiotiques sur les bactéries et les processus de dénitrification dans les écosystèmes sédimentaires fluviaux, en mettant l'accent sur l'interaction entre les antibiotiques, les minéraux et les bactéries. Dans la première partie, la résistance aux antibiotiques d'une bactérie dénitrifiante non pathogène, Pseudomonas veronii, a été étudiée ainsi que l’effet de plusieurs antibiotiques représentatifs sur son activité dénitrifiante. Dans la deuxième partie, les mécanismes de transformation de la ciprofloxacine et de la tétracycline par un minéral commun du sol, la birnessite (MnO2), ont été étudiés pour déterminer les effets des sous-produits de transformation sur la croissance et l'activité de la mêmee bactérie dénitrifiante. La troisième partie s'est concentrée sur le transport de la ciprofloxacine et de la tétracycline dans les sédiments de l'estuaire de la Seine (France), dans des conditions de réduction de nitrate. Ces résultats améliorent notre compréhension de l'activité antimicrobienne et de la toxicité des antibiotiques et de leurs sous-produits d'oxydation, en particulier contre les bactéries environnementales, ce qui a des implications importantes pour l'agriculture durable, la gestion de la qualité de l'eau et des sédiments, et les cycles biogéochimiques globaux.

Les pucerons des céréales transmettent les virus de la jaunisse nanisante de l’orge (JNO) dans les cultures de céréales à l’automne et en hiver, responsables de dégâts importants. Avec le réchauffement climatique et l’interdiction récente du traitement des semences aux néonicotinoïdes, considérés comme les insecticides les plus efficaces, on s’attend à une augmentation de l’abondance des pucerons à cette période et donc de l’incidence des virus de la JNO. Une alternative à la lutte chimique consiste à manipuler la diversité végétale pour favoriser la lutte biologique des pucerons en fournissant refuge et nourriture à leurs ennemis naturels (parasitoïdes et prédateurs). Cependant, ce service de régulation des pucerons est très rarement associé à la dynamique des virus qu’ils transmettent. L’objectif de la thèse est donc de déterminer si l’implantation de couverts fleuris en hiver est favorable aux ennemis naturels et permet de réduire les densités de pucerons, l’incidence des virus et les dégâts dans la parcelle de céréales adjacente. Elle vise également à apporter de nouvelles connaissances sur l’épidémiologie des virus de la JNO en hiver. La densité de pucerons et l’incidence des virus sont réduites à proximité du couvert mais sans conséquence sur les dégâts et les rendements. Ces travaux fournissent un premier exemple illustrant comment la manipulation de la diversité végétale en bordure de champs permet de réduire l’incidence des virus. Associer l’aménagement de ces infrastructures agro-écologiques avec d’autres pratiques culturales, comme le décalage des dates de semis, permettrait de maintenir l’incidence de la JNO en dessous du seuil tolérable de dégâts.

Beaucoup arthropodes se nourrissant des arbres. Pour réussir, ces arthropodes doivent concorder aux caractéristiques des arbres. Nous avons émis l'hypothèse que les arthropodes concordent mal lorsque les arbres sont entourés de voisins phylogénétiquement éloignés, en raison de la réduction des échange d'arthropodes entre les arbres voisins. Plus précisément, l'isolement phylogénétique empêche les arthropodes de profiter (i) des arbres riches en ressources, (ii) des arbres qui débourrent rapidement, et (iii) des arbres avec un microclimat chaud. Nous avons étudié si : (i) il y a plus d'herbivorie sur les arbres avec des feuilles plus grandes et de meilleure qualité (utilisation proportionnelle des ressources), (ii) les chenilles sont plus grandes sur les arbres avec des bourgeons qui éclatent plus tôt, et se nymphosent plus tôt sur les arbres avec des feuilles qui mûrissent plus tôt (concordance phénologique), et (iii) les arthropodes de petite taille dominent sur les arbres avec un microclimat chaud permettant d'atteindre la maturité à une petite taille (règle température/taille). Nous avons prédit que ces relations disparaissent parmi les arbres phylogénétiquement isolés. Nous nous sommes concentrés sur l'espèce d'arbre la plus diversifiée en arthropodes d'Europe occidentale, Quercus petraea (hybridé avec Q. robur), dans une forêt de l'ouest de la France. Nous avons constaté que lorsque les arbres hôtes étaient phylogénétiquement isolés (i) l'herbivorie n'augmentait plus proportionnellement à la taille des feuilles, (ii) la concordance phénologique diminuait, en particulier sur les arbres à éclatement rapide, et (iii) la relation température/taille changeait. Nous suggérons que l'isolement phylogénétique empêche les arthropodes de choisir efficacement les arbres avec des ressources abondantes, une phénologie et un microclimat approprié. Nos résultats suggèrent donc que pour éviter une herbivorie excessive, les arbres devraient pousser loin des espèces phylogénétiquement proches (ou alternativement débourrer lentement).

Les proliférations végétales sont une source majeure de préoccupations pour les gestionnaires. Les herbiers denses de macrophytes peuvent entraver les activités humaines telles que la navigation de plaisance, la pêche, etc. Afin de limiter ces nuisances, l’arrachage mécanique est la mesure de gestion généralement utilisée. Néanmoins, ces herbiers aquatiques constituent des habitats pour la faune et un potentiel support de biodiversité. Les effets des herbiers denses de macrophytes et de leur arrachage sur la biodiversité ne sont pas clairement connus. Nous supposons que les herbiers denses de macrophytes ont un impact positif sur la richesse et l'abondance du zooplancton, du phytoplancton et des macroinvertébrés. Ainsi, notre hypothèse est que l’arrachage réduise la biodiversité dans les sites gérés. Nos résultats ont démontré que la présence des herbiers de macrophytes est favorable à la biodiversité et ce pour les trois groupes étudiés. Toutefois l’effet est site dépendant. Nous avons mis en évidence par ailleurs qu’une pression d'échantillonnage plus importante est nécessaire au sein des herbiers par comparaison avec l’eau libre. Nous avons également établi que le zooplancton est influencé par la présence de plantes mais que l’effet varie en fonction du type biologique de l’espèce de macrophyte. L' arrachage mécanique des macrophytes affecte négativement la biodiversité globale, en particulier le zooplancton et les assemblages de macroinvertébrés. En revanche, il a un effet positif sur le phytoplancton. L’impact de l’arrachage sur les communautés est plus marqué une semaine après mais diminue avec le temps. Il est également site dépendant. Cette thèse souligne l'importance de considérer les impacts de la gestion sur les services écosystémiques (rôle d’habitat) et sur la biodiversité dans le cadre du développement durable.