THÈSE Fabrice Vavre

N° d’ordre 45-2000 Année 2000
THÈSE
présentée
Devant l' Université Claude Bernard Lyon I
pour l'obtention du
DIPLOME DE DOCTORAT
Spécialité : Génétique des Populations
Formation Doctorale : Analyse et Modélisation des Systèmes Biologiques
par
Fabrice Vavre
Les Wolbachia, bactéries endosymbiotiques
parasites de la reproduction des Arthropodes :
Circulation, diversité et évolution des effets
dans un complexe parasitaire
Soutenue le 25 Février 2000 devant la commission d'examen :
MM Boulétreau M. Prof. Univ. Lyon I Directeur
Combes C. Prof. Univ. Perpignan Rapporteur
Fleury F. MdC Univ Lyon I Co-directeur
Gautier C. Prof. Univ Lyon I Président
Gouyon P.H. Prof. Univ. Orsay Examinateur
Hochberg M. D.R. CNRS Examinateur
Rigaud T. C.R. CNRS Rapporteur
Stouthamer R. Prof. Univ. Wageningen Rapporteur
LABORATOIRE DE BIOMÉTRIE ET BIOLOGIE EVOLUTIVE-UMR CNRS
5558
UNIVERSITE CLAUDE BERNARD - LYON I
43 bd du 11 Novembre 1918
69622 Villeurbanne

Naître, c'est à la portée de tout le monde...
Même moi je suis né !
Mais il faut devenir, ensuite ! Devenir !
Grandir, croître, pousser, grossir (sans enfler), muer (sans muter), mûrir (sans blettir),
évoluer (en évaluant), s'abonnir (sans s'abêtir), durer (sans végéter), vieillir (sans trop
rajeunir), et mourir sans râler, pour finir !
Un gigantesque programme ! Une vigilance de chaque instant...
Daniel Pennac
"Monsieur Malaussène"
à ma Coco,
à ma famille,

Je remercie tout particulièrement Michel Boulétreau de m'avoir ouvert les portes
de son laboratoire il y a sept ans déjà pour un simple stage de DEUG. L'histoire s'est
poursuivie et il m'a proposé un sujet de thèse qui me convenait tout à fait et qui m'a
amené jusqu'ici. Que ce soit par les conseils qu'il m'a prodigués, par la confiance qu'il
m'a accordée ou par les responsabilités qu'il m'a laissées, il a pris une part prépondérante
dans ma formation de jeune chercheur. Je souhaite à tout thésard un chef comme lui.
Frédéric Fleury a co-encadré mon premier stage au laboratoire alors qu'il n'était
qu'un jeune thésard ! Il m'a déjà à l'époque communiqué son enthousiasme pour la
recherche. Il a également co-encadré cette thèse et m'a encore été d'un grand soutien, que
ce soit pour la recherche ou l'enseignement. J'ai particulièrement apprécié nos "prises de
bec" scientifiques et nos réconciliations gastronomiques et œnologiques. Je lui adresse
toute mon amitié.
Malgré la difficulté de la langue, Richard Stouthamer a bien voulu accepter d'être
rapporteur de cette thèse. Je tiens à l'en remercier d'autant plus sincèrement qu'il a porté
dès le début une attention particulière à mon travail, notamment en m’accueillant dans son
laboratoire.
Messieurs Claude Combes et Thierry Rigaud ont également accepté la lourde tâche
d'être rapporteurs de ce travail. Je tiens à leur exprimer toute ma reconnaissance.
Je remercie également Messieurs Christian Gautier, Pierre Henry Gouyon et
Michaël Hochberg qui m'ont fait l'honneur de participer à ce jury.
Messieurs Pierre Couble et Philippe Normand m'ont accueilli dans leur laboratoire
pour mettre en place la technique de PCR. Qu'ils soient assurés de toute ma gratitude.
Sans lui, ce travail ne serait pas ce qu'il est, et il n'aurait pas été aussi agréable
d'aller travailler. C'est bien dans les vieux pôts que l'on fait les meilleurs fromages ! Que
Pierre Fouillet reçoive ici toute ma reconnaissance et mon amitié.
Je remercie également Sonia et Odette qui ont pallié mes problèmes d'organisation
en me fournissant tubes d'élevage, œufs, larves, pupes et adultes de Drosophiles ainsi
que de nombreux coups de main bienvenus.
Je laisse à Franck le soin de poursuivre le travail sur Wolbachia. Je lui fais
entièrement confiance pour élaborer des théories fantasmagoriques. Je compte sur Nicolas
et son scepticisme légendaire pour le faire redescendre sur Terre. Bonne thèse à tous les
deux.
Merci à Roland, Jocelyne, Jeanine, Jean-Marie, Sophie, Misou et tous les autres
d'avoir construit un nid douillet où il m'a été agréable de rester au chaud durant quelques
années.
Merci également aux stagiaires qui ont essuyé les plâtres d'un enseignant en
formation et pour avoir contribué à ce travail. Une attention particulière va à Marie et
Julien dont la bonne humeur a raisonné bien fort dans les couloirs vides de l'été.
J'aimerais remercier du fond du cœur mes parents pour leur soutien moral et
matériel. Qu'ils soient assurés de ma profonde reconnaissance. Que tous mes proches, et
mes sœurs en particulier, reçoivent une avalanche de bisous en remerciement de toute
l'attention qu'ils m'ont portée.
Enfin, que ma Coco reçoive tout mon amour pour son soutien constant, pour son
ardoise remonte-moral, pour sa patience, pour ses petits plats..., et surtout pour sa
présence (même loin d'ici).

Résumé
Les Wolbachia sont des bactéries endosymbiotiques d'Arthropodes spécialisées
dans la manipulation de la reproduction de leurs hôtes. Malgré leur transmission
maternelle, elles ne confèrent généralement pas d'avantage à leur hôte, ce qui constitue à
première vue un paradoxe puisque la théorie prévoit pour ce type de transmission une
évolution de l'association vers le mutualisme. Cette étude a eu pour objectif de
caractériser la diversité phylogénétique et phénotypique des Wolbachia au sein d'un
complexe parasitaire composé des Drosophiles et de leurs parasitoïdes, et d'analyser les
composantes de la dynamique démographique et évolutive des associations Wolbachia-
insecte.
L'analyse de la diversité moléculaire des Wolbachia au sein du complexe
drosophile-parasitoïdes montre que les parasitoïdes sont plus sensibles que les
Drosophiles à l’infection par Wolbachia, la majorité des espèces étant infectées et même
multi-infectées. La similitude entre les Wolbachia symbiotiques d’espèces écologiquement
interconnectées suggère que les transferts des hôtes vers les parasitoïdes ou entre
parasitoïdes sont fréquents et permettent aux Wolbachia la capture de nouveaux hôtes.
La diversité des effets de l’infection sur la reproduction des est beaucoup plus
étendue que ce que l'on pouvait penser. Le phénotype exprimé par l’association est
différent pour chaque espèce parasitoïde étudiée, et deux types d’incompatibilité
cytoplasmique jusqu’alors inconnus chez les insectes ont été observés. Des études sur le
contrôle du coût physiologique par les deux partenaires ainsi que sur l'évolution théorique
de l'association, permettent d'interpréter cette diversité comme le résultat d'une évolution
conjointe du génome des deux partenaires. Les conséquences de cette évolution
pourraient être une réduction de la densité bactérienne conduisant à une réduction de
l'intensité des effets de Wolbachia sur la reproduction, pouvant aboutir à la perte de
l'infection par Wolbachia.
L'ensemble de ces résultats permet de proposer que l'état actuel de l'infection à
Wolbachia chez les Arthropodes pourrait correspondre à un cycle continuel d'acquisition
de la bactérie par transfert horizontal puis de perte après coévolution des partenaires et
réduction des effets. Cette dynamique d'acquisition-perte à l'échelle d'un grand nombre
d'espèces pourrait permettre le maintien d'une proportion stable du nombre d'espèces
infectées par la bactérie.

Summary
Wolbachia are endosymbiotic bacteria that infect numerous species of Arthropods
and that are specialized in manipulation of host reproduction. Despite their maternal
transmission, they generally do not increase the fitness of their host. This is paradoxal
since theory predicts that such vertically-transmitted symbionts should evolve toward
mutualism. In this study, the phylogenetic and phenotypic diversity of Wolbachia is
studied in a parasitic complex associating Drosophila and parasitoid species, and the
epidemiologic and evolutionary dynamics of insect –Wolbachia associations are analysed.
The study of molecular and phylogenetics diversity of Wolbachia in the Drosophila-
parasitoid complex shows that parasitoids are more susceptible to Wolbachia infection
than Drosophila : most species are infected and even multi-infected. The similarity of
Wolbachia infecting ecologically connected species suggests frequent horizontal transfers
from Drosophila or parasitoids to parasitoids, that may allow host capture by Wolbachia.
In all parasitoid species studied, Wolbachia has a different effect on host
reproduction. Moreover, two types of cytoplasmic incompatibility sofar unobserved in
insects have been evidenced. Studies on the regulation of the infection cost by the host
and by Wolbachia, together with theoretical studies on the evolution of the association,
suggest that this diversity is a consequence of the genome evolution of both partners.
This evolution could lead to a decrease in bacterial density and a correlated decrease in the
effect on host reproduction, resulting in the infection loss.
Results can help in explaining the pattern of Wolbachia infection in Arthropods by
unceasing cycles of acquisition of the bacterium by horizontal transfer and loss due to
reduction of reproduction manipulation after coevolution of the two partners. This
acquisition-loss dynamics may allow the maintainance of a stable frequency of infected
species in communities.