UPThèses

L'un des objectifs majeurs en écologie est de comprendre les déterminants de la distribution des organismes. La répartition des espèces est le produit d'une réponse dynamique face à l'environnement biotique et abiotique. Il est primordial d'élaborer des inférences solides sur les contraintes pour identifier les facteurs proximaux de la distribution des espèces. Chez les ectothermes, la température corporelle est directement dépendante de la température ambiante qui va affecter la physiologie, le budget d'activité et par conséquent la plupart de leurs traits d'histoire de vie. La prévalence des facteurs abiotiques (climat) sur la distribution des espèces est largement pressentie notamment sur les espèces spécialisées dans l'économie d'énergie. Seul un petit nombre d'espèces d'ectothermes est capable d'exploiter des milieux froids ce qui soulève des questions sur leurs spécificités physiologiques et leurs réponses face aux changements globaux. Nous avons étudié l'écophysiologie et la distribution d'une espèce boréale, la vipère péliade (Vipera berus) dont l'aire de répartition très vaste trouve sa limite sud de répartition en France, dans le Massif Central. Nous avons réalisé des suivis comparatifs avec la vipère aspic (Vipera aspis), espèce sœur à répartition parapatrique limitée au Sud-ouest de l'Europe. Nos travaux sur la thermorégulation, le métabolisme, la sensibilité hydrique et la phénologie de reproduction montrent que l'espèce boréale présente des adaptations spécifiques au froid qui la rendent particulièrement vulnérable aux températures élevées notamment en période estivale. Nos résultats de modélisation corrélative soulignent clairement que le climat est suffisant pour prédire la majeure partie de la répartition des espèces. En parallèle, les modèles de niches physiologiques démontrent l'importance de la dépendance thermique des coûts de maintenance et de la phénologie de la reproduction. En effet, les limites Sud de distributions des deux espèces seraient liées à des contraintes énergétiques et hydriques trop fortes alors que l'altération des performances reproductrices limiterait V aspis au Nord. Les variations climatiques passées (cycles glaciaire/interglaciaire) ont largement impacté la structuration génétique des populations de vipère péliade. Les scenarios de changements climatiques futurs pourraient avoir un impact majeur sur la persistance de l'espèce d'ici 2100 dans les landes et tourbières en zone amont de la Loire.

Les invasions biologiques de crustacés représentent une sérieuse menace pour les espèces natives d'Europe. Ma thèse porte sur les écrevisses non-indigènes introduites en Europe et sur leur parasite Aphanomyces astaci, le pathogène de la peste de l'écrevisse. Les chapitres I-V portent sur la diversité génétique des écrevisses d'Amérique du Nord. Nous avons montré que chez deux espèces avérées invasives, la variabilité génétique varie significativement. Orconectes limosus a été introduite en Europe probablement en une seule fois, avec peu d'individus. La variabilité de l'ADN mitochondrial en Europe est relativement basse (chapitre I), même si une variation modérée des marqueurs nucléaires dans ses populations d'Europe centrale (chapitre II). Par contre, Pacifastacus leniusculus a été introduite en plusieurs fois, avec un grand nombre d'individus. Ses populations européennes sont génétiquement très diverses (chapitre III). Le chapitre V montre que la méthode du code barres génétique est utile pour une identification des nouvelles espèces introduites en Europe. Le parasite A. astaci est apparu en Europe en 1859 et a largement réduit les populations d'écrevisses natives. Les écrevisses d'Amérique du Nord peuvent être porteuses du pathogène et le transmettre aux espèces européennes. Les informations sur l'infestation par A. astaci chez les écrevisses invasives sont donc importantes pour la protection des espèces natives. Dans le chapitre VI, nous confirmons que P. leniusculus est un réservoir du pathogène en France et représente un danger sérieux pour les espèces natives. Dans le chapitre VII, nous validons que la méthode de real-time PCR est très appropriée pour la détection du pathogène.

L'adaptation des populations aux pressions environnementales peut se traduire par des changements morphologiques qui peuvent résulter de deux mécanismes non exclusifs, la sélection génétique et la plasticité phénotypique. L'objectif de cette thèse était d'identifier les mécanismes impliqués dans l'adaptation d'une population de ray-grass anglais soumis à la défoliation et de mettre en évidence l'effet de ces mécanismes sur l'évolution morphologique et génétique de cette population au cours d'une génération. Nous avons étudié, sous deux rythmes de défoliation, une population, de 240 génotypes, issue d'un croisement entre un individu de variété gazon et un individu de variété fourrage. Nous avons pu mettre en évidence le rôle majeur de la plasticité phénotypique dans l'évolution de la morphologie. Cette plasticité a entraîné une homogénéisation morphologique de la population, limitant ainsi l'expression de la variabilité génotypique et maintenant une certaine diversité génétique cryptique. Mais cette plasticité de caractères morphologiques était variable entre individus et relativement dépendante des valeurs initiales de ces caractères. Nous avons pu mettre en évidence une base génétique de ces caractères et de leur plasticité. Nous avons détecté des signatures génomiques de la sélection sur ces régions QTL, l'action de la sélection était visible et variable sur la diversité moléculaire, mais son intensité ne semblait pas assez forte pour être visible morphologiquement d'une génération à l'autre. La plasticité phénotypique des caractères étudiés ne paraissait pas impacter la valeur sélective des individus et en ce sens, peut interagir avec le processus de sélection...

Les êtres vivants sont exposés aux variations environnementales (notamment thermiques) à l'échelle journalière, saisonnière ou annuelle. Chez les ectothermes, la température du milieu affecte directement la température corporelle et donc la physiologie, les performances locomotrices, l'activité et de façon ultime la "fitness" des individus. Le développement embryonnaire est une étape très sensible aux fluctuations thermiques et les ectothermes ont déployé une diversité de moyens pour en atténuer les effets. Chez les espèces à pontes annuelles multiples, la reproduction s'étale sur une période étendue pendant laquelle les conditions thermiques saisonnières varient fortement. Ces fluctuations peuvent profondément contraindre l'activité des individus et affecter les trajectoires de développement. Les déterminants du succès reproducteur impliquent donc la prise en compte des contraintes environnementales mais aussi de l'ontogénie des individus. En effet, chez les espèces à croissance indéterminée, la nature des compromis d'allocation devrait fortement dépendre de la taille et de l'âge des individus. Des changements ontogéniques dans les stratégies d'allocation de la ressource sont attendus en permettant une optimisation du succès reproducteur. Au cours de cette thèse, nous avons examiné les stratégies de reproduction chez une espèce à pontes multiples, le lézard des murailles (Podarcis muralis) dans un contexte thermique contraignant (climat océanique, Centre Ouest de la France). A l'aide d'une approche expérimentale, nous avons mis en évidence le fort impact des conditions thermiques sur la qualité du développement embryonnaire et l'importance de la phénologie...

Les organismes sont soumis aux fluctuations de l'environnement et les stades précoces (vie embryonnaire) sont particulièrement sensibles aux perturbations qui peuvent modifier les trajectoires développementales. La sensibilité thermique des embryons est une caractéristique générale chez les vertébrés et aurait constitué une force sélective majeure dans l'évolution des soins parentaux (hypothèse de Farmer, 2000). Par ailleurs, le développement embryonnaire est un processus complexe et les influences environnementales peuvent avoir des effets très différents selon la période d'exposition. Pourtant cette variabilité est insuffisamment prise en compte en écologie évolutive et dans l'étude des soins parentaux. L'environnement maternel peut constituer une interface entre l'environnement extérieur et les embryons. La régulation des conditions thermique du développement est très répandue chez les vertébrés. Si les ectothermes produisent une chaleur métabolique négligeable, ils ont développé une diversité de stratégies comportementales et physiologiques pour protéger les embryons des variations thermiques. Les soins parentaux prénataux sont associés à un changement du comportement maternel avec une augmentation des activités de thermorégulation, ainsi qu'à de profondes modifications énergétiques et physiologiques. Nous avons examiné l'importance de la régulation maternelle des conditions prénatales chez deux espèces de serpents aux modes de reproduction contrastés, une ovipare (python de Children, A childreni) et une vivipare (la vipère aspic, V aspis). L'originalité de ce travail repose sur la prise en compte du caractère dynamique de la sensibilité embryonnaire...

Comment peut-on étudier des organismes aux moeurs cryptiques ? Quand l'observation directe d'animaux sauvages est compromise, des approches indirectes, comme celle des isotopes stables, qui visent à tracer le flux de molécules dans les chaînes alimentaires deviennent attractives. Ce travail de thèse s'est donc intéressé à l'utilisation des isotopes stables pour dévoiler l'écologie alimentaire d'un prédateur de l'océan austral : l'éléphant de mer (Mirounga leonina). Ce phoque passe moins d'un cinquième de sa vie à terre et dépend entièrement du milieu marin pour son alimentation. Prenant avantage de l'existence d'un gradient latitudinal naturel en isotopes stable du carbone, nous nous sommes efforcés de relier au moyen d'outils statistiques adaptés, localité d'alimentation et valeur sélective chez cette espèce à reproduction sur capital. Nous avons privilégié une approche bayésienne. Les données isotopiques concordent avec les résultats d'études télémétriques, les éléphants de mer utilisent deux zones principales pour s'alimenter : la zone polaire frontale et une zone aux abords du continent antarctique. Les valeurs en carbone issues d'échantillons sanguins et analysées au moyen de modèles statistiques dit de mélange suggèrent que les femelles s'alimentant en zone antarctique parviennent à sevrer un jeune de meilleure qualité. Chez les mâles, l'analyse des isotopes du carbone issus de stries dentaires au moyen d'un modèle statistique couplant données longitudinales et survie, révèle quant-à elle une corrélation entre fidelité à une stratégie d'alimentation et longévité, un paramètre clé de l'histoire de vie chez cette espèce.

La symbiose constitue une force évolutive majeure permettant entre autre l'adaptation et la réponse des hôtes aux agents pathogènes. Chez le crustacé isopode Armadillidium vulgare, la présence de Wolbachia altère l'immunocompétence de son hôte en diminuant le taux d'hémocytes circulants (THC) et en augmentant la septicémie naturelle. La présence de Wolbachia dans les hémocytes et les organes hématopoïétiques a soulevé de nombreuses questions quant aux conséquences que cela entraîne sur le fonctionnement du système immunitaire et sur l'immunocompétence d'A. vulgare. Nous avons donc étudié l'impact de cette symbiose sur les hémocytes, l'immunocompétence et l'expression de gènes de l'immunité. Ainsi Wolbachia est présente dans plus d'un tiers des hémocytes et sa présence diminue la proportion d'hémocytes granulaires circulants chez les animaux âgés d'un an, sans affecter le THC à cet âge. L'activité phénoloxydase diminue avec l'âge et le statut symbiotique. En revanche, la présence de Wolbachia semble protéger les hémocytes de l'apoptose et augmenter l'immunocompétence d'A. vulgare lors d'une infection par Listeria ivanovii. Enfin, la quantification de l'expression des gènes de l'immunité a révélé une tendance à la sous-expression au niveau de l'animal entier et des ovaires mais à la sur-expression dans les tissus immunitaires. La présence de Wolbachia modifie donc les caractéristiques du système immunitaire aux niveaux cellulaire et humoral, ainsi que l'immunocompétence d'A. vulgare. L'étude de nouveaux paramètres permettra d'établir si la présence de Wolbachia constitue réellement un avantage pour son hôte ou si au contraire la bactérie présente un coût parasitaire...

Les Procellariiformes sont des oiseaux marins présentant des caractéristiques les rendant particulièrement attractifs pour la recherche. Ces oiseaux constituent le groupe d'oiseaux marins le plus diversifié et probablement le plus menacé, 44.7% des espèces de Procellariiformes étant classées Vulnérables ou En Danger d'Extinction par l'UICN. Comme d'autres oiseaux marins, les Procellariiformes constituent des modèles fascinants pour l'étude des patrons de différentiation des populations et des espèces puisqu'étant confrontés à l'action de forces évolutives opposées : d'un côté leur extrême mobilité leur permet de disperser très loin, ce qui est supposé permettre et augmenter le flux de gènes entre populations et donc atténuer la différentiation des populations ; de l'autre côté, étant extrêmement philopatriques ils reviennent généralement se reproduire dans leur colonie de naissance, une caractéristique censée promouvoir la différentiation des populations. Ajoutées au fait qu'ils vivent dans l'océan, ces caractéristiques les rendent particulièrement intéressants pour étudier les processus de différentiation en l'absence de barrières physiques aux flux de gènes. Par ailleurs, la taxonomie et les relations phylogénétiques chez les Procellariiformes sont complexes et mal établies, entre autres en raison de l'action opposée des forces évolutives citées précédemment. Les limites d'espèces et la taxonomie de cet ordre ont donc continuellement changé au fil des années. Au cours des 20 dernières années, les développements observés dans le domaine de la biologie moléculaire ont fournis des outils de plus en plus puissants pour élucider certaines incertitudes phylogénétiques, comprendre les patrons phylogéographiques observés et avoir une meilleure compréhension des processus promouvant la différentiation des populations chez ces oiseaux. Ces outils permettent aussi de mieux comprendre la structuration des populations et les relations entre ces dernières ce qui peut grandement aider à la définition des actions de conservation entreprises pour ces organismes et à leur ordre de priorité. Dans cette thèse, à l'aide d'outils de biologie moléculaire, j'ai étudié les relations phylogénétiques et la phylogéographie de plusieurs taxons de la famille des Procellariidae, la plus riche en espèce chez les Procellariiformes. Cette étude à portée sur deux niveaux taxonomiques : premièrement, au niveau générique, cette étude décrit les relations phylogénétiques du genre Pseudobulweria, probablement le genre d'oiseaux marins le plus menacé au monde ; deuxièmement, au niveau du taxon et des populations l'accent a été porté sur les ptérodromes de Macaronésie et sur le pétrel de Gould, en particulier concernant les relations entre ses sous-espèces australiennes et néo-calédoniennes. L'utilisation d'analyses multilocus pour chacune de ces investigations a permis d'améliorer notre compréhension et connaissances des ces taxons : chez Pseudobulweria la construction d'un " arbre d'espèce " a permis de définir les relations phylogénétiques au sein du genre et de résoudre la question du statut taxonomique du pétrel de Beck ; chez les ptérodromes de Macaronésie, j'ai montré que la séparation des trois taxons est beaucoup plus récente que précédemment estimée et que ces populations doivent être considérées comme des Unités Evolutives Significatives ; chez le pétrel de Gould, cette étude a montré que les deux sous espèces ne sont pas différenciées génétiquement et que ces deux lignées ne sont pas séparées. L'ensemble de ces résultats obtenus par l'utilisation de plusieurs gènes nucléaires en plus de gènes mitochondriaux souligne l'importance de ce type d'approche pour l'étude des patrons phylogénétiques et phylogéographiques pour les comprendre dans toute leur complexité.

Breeding at the right time is a key-component of fitness, and requires flexible responses to environmental conditions and physiological state. However, the proximate mechanisms underlying this pattern remain poorly understood. This doctoral research aims to explore the hormonal mechanisms that mediate the onset of egg-laying in two polar seabirds, the blacklegged kittiwake and the snow petrel. First of all, a food-related stress during the pre-laying period allowed us to associate a late-breeding year with high levels of corticosterone (stress hormone) and with low levels of LH (luteinizing hormone that triggers reproduction). Moreover, an experimentally delayed breeding promoted an accentuated stress response, a decline of parental effort, and a high reproductive failure. Descriptive and experimental approaches supported the role of corticosterone in the individual adjustment of egg-laying dates and in the non-breeding decision, through the inhibition of LH release. However, this functional action of corticosterone differed between sex and between species. At last, we investigated the effects of age (7-45 years old) and senescence on the dynamics of corticosterone and LH, since very young and very old birds did not breed or bred late in the season. We discussed the possible hormonal orchestration of reproductive henology, as an interaction between environmental stress and individual state, in the theoretical framework of evolutionary strategies.

L'éducation à l'environnement est indispensable pour pallier l'érosion de la biodiversité. Les médias et l'école ont une place importante dans la sensibilisation du public, mais ils diffusent presque exclusivement des images et des messages basés sur une biodiversité spectaculaire, exotique et lointaine (ours polaire, baleinzs...). L'éducation scolaire a donc un rôle important pour étendre la connaissance des enfants vers une gamme étendue d'organismes. Grâce à des questionnaires écrits diffusés dans dix pays en Europe (7), Afrique (1), et Asie (2), nous avons sondé chez des écoliers (âgés de 7 à 14 ans) leur perception des animaux. Le constat est alarmant : les enfants sont déconnectés de leur environnement local. Miroirs des médias, les enfants ont une vision restreinte de la biodiversité à protéger, limitée à quelques animaux qu'ils ont vu sur des écrans de TV ou d'ordinateur. Mais l'enquête réalisée sur la perception des serpents pour les enfants montre que ceux-ci ont une aversion modérée et que la plupart expriment leur envie de les protéger, ce qui est très encourageant. Nous avons emmené près de 600 élèves découvrir sur le terrain les espèces locales de serpents. Grâce à l'activation du canal affectif, la grande majorité des enfants sont prêts à protéger préférentiellement les serpents, au même titre que les pandas. L'ensemble de ces résultats montre tout d'abord une nette défaillance du système éducatif qui favorise l'information dogmatique et virtuelle au détriment des sorties de terrain et des expériences concrètes avec la nature. Celles-ci sont pourtant essentielles pour connecter les enfants avec l'environnement local et favoriser des comportement positifs nécessaires à la préservation de la biodiversité. Pour faire des progrès et étendre l'intérêt des enfants pour un maximum d'espèces, il est essentiel de travailler avec des espèces soit disant impopulaires telles que les serpents, que les enfants adoptent très vite.