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.

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.

Les recherches présentées ici ont été motivées par la nécessité de mieux comprendre le concept d’holobionte appliqué aux plantes et, dans ce cadre, d’examiner l’interaction entre les plantes et leur microbiote. Notre objectif principal était de comprendre les processus par lesquels le microbiote influence les phénotypes des plantes. Ce travail de recherche a révélé plusieurs résultats clés. Premièrement, nous avons démontré un recrutement sélectif de communautés rhizosphériques microbiennes à partir du compartiment microbien du sol, composées majoritairement de Bacteroidetes et de Proteobacteria. Ce résultat souligne le rôle essentiel des processus opérant au niveau de la rhizosphère dans la formation des communautés microbiennes associées aux plantes. Deuxièmement, les plantes cultivées en monoculture pendant plusieurs années présentent de la fusariose. Cette sensibilité aux pathogènes peut s'expliquer par une plus forte diversité bactérienne et une diminution de la diversité fongique dans la rhizosphère, soulignant l'importance de l'équilibre microbien pour la santé des plantes. Troisièmement, le greffage de plants de pastèque conduit à une modification des effets de rétroaction plante-sol.Les plantes greffées présentent une meilleure croissance lorsqu’elles sont cultivées dans un sol conditionné par des cultures conspécifiques, contrairement aux plantes non greffées présentant une meilleure performance sur des sols issus de culture hétérospécifique. Il est démontré que cette différence est liée à des modifications de la composition microbienne du sol et des voies métaboliques qui y sont associées. Quatrièmement, le microbiote de l’endosphère racinaire des plantes greffées a été analysé pour tester la validité des concepts d’holobionte/hologénome. L'étude fournit une validation expérimentale formelle de ces concepts. Ainsi, l’assemblage non aléatoire observé de communautés bactériennes suggère la nécessité de considérer la plante avec son microbiote comme un niveau d’organisation biologique. En conclusion, ces résultats mettent en lumière les interactions complexes et nuancées entre les plantes et leur microbiote. Ils fournissent ainsi un aperçu des mécanismes à l’origine de ces relations. Ces travaux offrent de nouvelles perspectives pour le développement de pratiques agricoles plus résilientes pour la santé des plantes.

L’importante croissance démographique humaine à l’échelle mondiale s’accompagne d’une expansion des terres agricoles qui empiètent de plus en plus sur les habitats des animaux sauvages. La flexibilité comportementale des animaux est essentielle pour s’adapter rapidement à ces modifications de l’environnement. Pour de nombreuses espèces, cela implique notamment d’inclure des aliments cultivés dans leurs régimes. En raison des dommages que cela entraîne pour les agriculteurs, des conflits émergent entre humains et faune sauvage, entraînant parfois de graves répercussions pour les populations d’espèces menacées. Le magot (Macaca sylvanus) est un macaque en danger d’extinction dont les habitats sont de plus en plus affectés par des mutations agricoles et dont la persistance est menacée par les conflits avec les agriculteurs, qu’il est urgent de mitiger. Il est aussi essentiel, pour répondre aux menaces pesant sur l’espèce, de comprendre comment la démographie des populations est affectée par les variations de l’environnement, et d’avoir accès à des paramètres démographiques fiables pouvant être utilisés dans des programmes de conservation. Le premier objectif de cette thèse est donc de comprendre pourquoi et comment les magots adaptent leurs comportements en réponse à la présence de cultures dans leurs habitats, et face aux conflits avec les humains. Comprendre cela est essentiel pour développer des méthodes efficaces de mitigation des conflits. Cette thèse vise aussi à estimer des paramètres démographiques fiables de populations de magots, et à comprendre comment ils sont affectés par des variations naturelles de l’environnement. Ces paramètres sont ensuite utilisés pour construire un modèle de viabilité destiné à estimer les risques d’extinction d’une population à réintroduire dans une zone d’où l’espèce a disparu, dans le but d’en renforcer les effectifs globaux. Mes résultats, basés sur des observations d’une population vivant dans une zone agricole et de deux populations vivant dans des habitats préservés, montrent que les magots font preuve d’une remarquable flexibilité comportementale pour s’adapter à différents types de milieux. Dans la zone agricole, leur importante consommation d’aliments cultivés semble due à un manque de ressources naturelles lié à la forte dégradation de la forêt. L’emploi de gardes pour surveiller les cultures est efficace pour dissuader les magots d’y pénétrer. Dans les habitats préservés, la survie infantile, contrairement à la survie adulte, est fortement affectée par les variations environnementales, face auxquelles les populations font preuve de résilience démographique. L’analyse de viabilité offre des perspectives très encourageantes pour le succès de la réintroduction d’une population de magots. Ce type de réintroduction peut permettre de renforcer rapidement les effectifs de magots. Cependant, il est essentiel, en parallèle, de s’appliquer à protéger et restaurer les habitats actuels de l’espèce, et leurs connectivités. Pour que les méthodes de dissuasion d’exploitation des cultures soient efficaces, il est important de les combiner à une revalorisation de la productivité des habitats forestiers. Dans le contexte actuel d’expansion des zones anthropiques, la coexistence entre humains et faune sauvage s’impose comme une nécessité.

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.