Betty Courquin - Etude des adaptations locales chez une espèce menacée

Séminaire étudiant :Modélisation en Ecologie Evolutive

session : Écologie évolutive dans l’espace et évolution de la dispersion

2 juin 2010

Par Betty Courquin, 1e année de Thèse en biologie de la conservation Sous la direction de Yves Piquot, Nina Hautekeete, Xavier Vekemans

Etude des adaptations locales chez une espèce menacée : dépression hybride et correspondances entre différences phénologiques et distances géographiques, génétiques et

écologiques

étude expérimentale

Introduction

Principal objectif de la conservation d’une espèce menacée : Préserver et/ou augmenter la diversité génétique au sein des populations pour diminuer les risques liés à la consanguinité

Renforcement Transfert d’individus Non prise en compte de l’adaptation locale

Vortex d’extinction au sein d’une petite population (Lacy & Lindenmayer 1995)

IntroductionL’adaptation locale est le résultat du processus par lequel les populations divergent génétiquement en réponse à la sélection naturelle habitat-spécifique.Elle favorise les traits qui apportent un avantage sous les conditions environnementales locales.Le résultat de ces adaptations serait un patron tel que les génotypes résidant dans un habitat donné présenteraient en moyenne une valeur sélective supérieure dans leur habitat local que les génotypes non natifs de ce site ou une valeur sélective supérieure que dans un autre habitat.

Isolement par la distance ou par des obstacles naturels à la dispersion

Contraintes écologiquesdifférentielles /environnement hétérogène

+ fitness relative des génotypes locaux supérieure par rapport aux non-natifs à un site donné ou que dans un autre site

Adaptations locales/différences génétiques adaptatives

+

Potentiel évolutif/diversité génétique

Sélection

naturelle

Introduction

Conséquences potentielles du renforcement :- Contre sélection des génotypes transférés- Dépression hybride

•Lo

tus

scop

ariu

s (Fa

bace

ae) -

Cal

iforn

ie

dépression hybride intrinsèque =dissociation de gènes coadaptés

dépression hybride extrinsèque = ‘dilution’ des génotypes localement adaptés après hybridation

Introduction

Mix or match :

On peut donc résumer le problème du renforcement à la question suivante : Mélanger ou respecter les adaptations locales ?

Il faut composer avec le risque lié à la consanguinité dans des populations de faibles effectifs et le risque de rupture des adaptations locales.

Détecter les adaptations locales et leur patron

Déterminer si elles conduisent à de la dépression hybride

IntroductionBiscutella neustriaca Micro-endémique de la vallée de la Seine menacée d’extinction Xérophile, héliophile et oligotrophe, Hermaphrodite, allogame et entomogame auto-incompatible

2880 individus présents dans 9 populations

deux grands ensembles : un pool «Nord » et un pool « Sud »

Groupement Nord

Groupement Sud

Pool Nord

Pool Sud

Introduction

9 marqueurs microsat.: Analyses de paternité (CERVUS)

Flux de pollen contemporains très retreints Majoritairement intra-population (75-90 %) Migration entre populations voisines (10-25%) Peu de migration longue distance (< 1%)

Faibles capacités de dispersion du pollen

Leducq 2010, Gosset 2010, Siniarski 2009

Nord

1000 m

Sein

e riv

er

Seine river

9 marqueurs microsat.: 1751 individus (C. Siniarsky, C. Gosset)

NORD

SUD

Introduction

STRUCTURE K = 4

Forte structuration génétique des populations : Peu d’échanges génétiques entre les populations intra pool. Très peu d’échanges génétiques entre les deux pools nord et sud.

Pressions de sélections marquées entre les différentes populations

On peut s’attendre à trouver des adaptations locales

Introduction Objectif Elaborer un plan de renforcement qui prenne en compte les adaptations locales potentielles chez Biscutella neustriaca

1- Etudier les patrons des différences phénotypiques entre populations en serre et populations naturelles

Détecter des différenciations génétiques significatives entre populations

Tester leurs corrélations avec les distances géographiques, génétiques et écologiques

2- Transplantations réciproques Evaluer si les différences génétiques observées précédemment confèrent une meilleure fitness des individus dans des conditions environnementales proches de leur habitat

3- Evaluer la dépression d'outbreeding Déterminer si les adaptations locales conduisent à de la dépression hybride par des croisements entre individus plus ou moins proches génétiquement

1-Distribution de la diversité génétique


a Identifier les différences phénotypiques des populations

b Distinguer les différences liées à la plasticité phénotypique et les différences d’ordre génétique

c Tester la corrélation entre les différences phénotypiques et distances géographiques, génétiques et écologiques

Etudes des traits d’histoires de vie en conditions contrôlées et en pop nat:

phénologie de la germination

phénologie de la floraison

taille rosette

1-a) Étude des différences phénotypiques entre populations, en milieux naturels

Phénologie de la floraison

Estimations de dates des premières floraisonsChaque point représente un individu

In situ

1-b)Étude des différences phénotypiques entre populations, en milieux contrôlés

dates de début de floraison chez B. neustriaca

bn1a bn2a bn3 bn4a bn5a0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

629

651

531

1285

26

floraisonmontaison

populations

tem

ps (j

)

En serre

Comparaison des temps de floraison et de montaison par population



Taille de la rosette

diamètre de la rosette mesurée en conditions environnementales contrôlées chez B. neustriaca

Bn1a Bn3 Bn4a Bn5a Bn6a0

5

10

15

20

25

30

55

66

55

66

66

populations

dia

mèt

re r

ose

tte

(cm

) B

B

ABAB A

individus de 1e année

Effet de la population sur les tailles de rosette des individus ( (F=6.32 ; p<0.001) ;Les barres dont les lettres diffèrent ont une durée entre montaison et floraison sont significativement différentes (test de tuckey),


Phénologie de la germination

bn1a bn2a bn3 bn4a bn5cg bn5fh bn5i bn6a0

10

20

30

40

50

60

14190

10123

568

11195

345

11164

690

10150

populations

tem

ps d

e ge

rmin

ation

(j)

a


Phénologie de la germination

bn1a bn2a bn3 bn4a bn5cg bn5fh bn5i bn6a0

10

20

30

40

50

60

14190

10123

568

11195

345

11164

690

10150

populations

tem

ps d

e ge

rmin

ation

(j)

Histogramme des temps de germinationLes niveaux connectés par une barre +étoile sont significativement différents ; a serre (H=13.13, p=0.069) ; b bailleul en automne (F=3.79 ; p=0.002)

Env conon discriminant

Env codiscriminant

phén

otyp

e

genotype1

genotype2

Environnement

a

Tem

ps d

e ge

rmin

ation

(j)






1e étape dans la démonstration de l’adaptation locale:mise en évidence de différences d’ordre génétique , mais pas directement de l’adaptation locale (on ne montre pas que les différences génétiques confèrent une meilleure fitness des individus). Si on émet l’hypothèse d’une relation entre les traits étudiés et la fitness et tester la correspondance entre la variation des traits étudiés et des facteurs environnementaux (ce qui suggère mais ne prouve pas une divergence adaptative sur le terrain).

1-c) corrélations entre les différences phénotypiques et distances géographiques, génétiques et écologiques





Calcul des distances

- géographiques,

- génétiques FST /(1- FST) (Rousset, 1997),

- phénotypiques = valeur absolue de la différence du trait moyen

- écologiques*

Test des corrélations entre les distances- Réalisation de matrices - Test de Mantel (N=n! permutations; max 10000)


Caractérisation des milieux1- Etudes des facteurs écologiques,

a priori discriminants distance « habitat »

- le recouvrement herbacé

- le recouvrement arbustif

- la pente

- l’orientation

- la température

- l’humidité de l’air

- les caractéristiques du sol

2- Etudes des communautés-phytosociologiques

Coefficients d’abondance distance « communauté »

-échelle de Braun-Blanquet transformée selon(Leps et Smilauer 2003)

-transformation Hellinger (Legendre,2001)

3- Ordination des sites par ACP

Exposition Sud(Les

Andelys)

M.Diore, 2009


distance "communauté"

distance "habitat"


temps de germination taille de la rosette

distance "habitat" -0,099 (5) 0,736 (5)

distance "habitat"axe1 -0,232 (5) 0,9* (5)

distance "habitat"axe2 0,149 (5) -0,288 (5)

distance "communauté" -0,12 (5) 0,711 (5)

distance "communauté"axe1 0,123 (5) 0,294(5)


distance géographique 0,244* (8) 0,399 (6)

distance génétique 0,227 (6) 0,451 (5)

Matrice de corrélation de Pearson

Les niveaux de significativité sont basés sur N=n! permutations, (max 10000) *p<0,05(n)=nombre de populations


temps de germination taille de la rosette

distance "habitat" -0,099 (5) 0,736 (5)

distance "habitat"axe1 -0,232 (5) 0,9* (5)

distance "habitat"axe2 0,149 (5) -0,288 (5)

distance "communauté" -0,12 (5) 0,711 (5)



distance géographique 0,244* (8) 0,399 (6)

distance génétique 0,227 (6) 0,451 (5)



CaractèreAdaptatif ?

Paramètre écologiquemanquant?Dérive?


Objectif 1: Evaluer l’existence de différences phénotypiques en populations

naturelles & déterminer s’il s’agit de plasticité ou de différences génétiques

Différences génétiques : taille de rosette et phénologie de la germination- Taille rosette : gradient Nord Sud- Temps de germination: populations plus tardives au Nord ;Bn6a significativement plus tardive que pop Sud et que Bn4a

Plasticité phénotypique : phénologie de la floraison : floraison plus précoce au Sud ; ns en serre à nuancer : échantillonnage 1 seule pop Sud


Taille rosette & distance écologique Habitat axe 1 (pente et orientation): Hypothèse caractère adaptatif

Temps de germination & distances géographiques(+Ø corrélation avec les distances génétiques neutres) Dérive ou caractère adaptatif

Objectif 2: Tester la corrélation entre distances phénotypiques

(génétiquement déterminées) et les distances génétiques neutres, géographiques, écologiques


Limite de l’approche : Pour qu’un trait soit considéré comme adaptif, il faut que :

1) le trait ait une base génétique conditions (semi)-contrôlées

2) la variabilité dans l’expression du trait soit associée à la variabilité dans la survie, le succès reproducteur ou d’autres composants de la fitness transplantations réciproques

l’expérimentation en conditions contrôlées ne permet pas de déterminer si la divergence résulte de la dérive (différences non adaptatives) ou de la sélection naturelle.

2- Transplantations en conditions semi-contrôlées

hab 1pop 1

hab 3pop 3

hab 2pop 2

hab 4pop 4 ‘‘local vs. foreign’’

Kaw

ecki

et E

bert

, 20

04

‘‘home vs. away’

Principe des Transplantations réciproques

Mesures de la fitness 2 critères :

‘‘local vs. foreign’’, (local vs étranger) ‘‘home vs. away’’ (chez soi vs ailleurs)


2-Transplantations dans 2 sites d’introduction ; Etude de traits écologiquement importants en sites d’introduction

a Mesurer et comparer la fitness des individus dans les deux sites d’introduction

b Tester la corrélation entre la diminution de la fitness et les distances géographiques, génétiques et écologiques

Deux sites d’introduction : -un site dans le pool Nord, SI1 - un site dans le pool sud SI7

Introduction sous forme de: - semis de graines - transplantations de jeunes plantules

Même suivi phénologique que précédemmentMême test des corrélations

dernière étape dans la démonstration de l’adaptation locale on montre que les différences génétiques observées précédemment confèrent une meilleure fitness des individus dans des conditions environnementales proches de leur habitat

Expérience en cours :

E

Site 1 d’introduction Exposition Nord

(Romilly/Andelle)

Site 7 d’introduction Exposition Sud(Les Andelys)

Semis et transplantations de jeunes adultes

Caractères mesurés:- Taux de germination- Survie- Taille rosette- Taux de floraison

Critères testés : - « Local vs. Foreign »- « Home vs. Away »


3-Mix or match: genetic rescue vs outbreeding depression

- Objectif : -Le croisement d’individus issus de différentes populations de

biscutelles conduit-il à du « genetic rescue » ou à de l’ « outbreeding depression » ?

- En cas de dépression hybride, de quelle nature est-elle ?

Méthodes - croisements contrôlés entre individus plus ou moins proches génétiquement et suivis en sites d’introduction et en conditions contrôlées

dépression hybride extrinsèque dépression hybride intrinsèquetester la corrélation entre une diminution d’une composante de la valeur sélective et les distances environnementales entre parents

Tester la diminution d’une composante de la valeur sélective en fonction des distances génétiques entre parents

sites d’introduction conditions contrôlées

=mesurer la perturbation de l’adaptation locale

=tester la base génétique de la dépression hybride


Etudes des traits d’histoires de vie en conditions contrôlées et en SI:

largeur du fruit à sept jours, nombre de graines par fruits,

taille des individus à 3 semaines

phénologie de la germination

phénologie de la floraison

taux germination, taux mortalité

taille rosette

Calcul des distances

- géographiques,

- génétiques FST /(1- FST) (Rousset, 1997),

- phénotypiques = valeur absolue de la différence du trait moyen

- écologiques (distance moyenne des parents au site)

Test des corrélations entre les distances génétiques et écologiques- Réalisation de matrices - Test de Mantel (N=n! permutations; max 10000)


Intra-popu-lation

Intra-pool Inter-pool8.68.8

99.29.49.69.810

10.210.4

12 15 1512 12 12

NordSud

Type de croisement

Taill

e de

s fr

uits

à 7

jour

s (m

m)

AB AB

Hypothèse : la taille des fruits est corrélée à la valeur sélective


Intra-popu-lation


99.29.49.69.810

10.210.4

12 15 1512 12 12

NordSud

Type de croisement

Dépression de consanguinité

Dépression hybride

Taill

e de

s fr

uits

à 7

jour

s (m

m)

AB AB

Hypothèse : la taille des fruits est corrélée à la valeur sélective

Hypothèse à tester avec le suivi des germinations

4-Stratégies de renforcement proposées

Trouver un équilibre entre éviter la dépression de consanguinité et empêcher la dépression hybride

Croisements intra pools à favoriser

Isolement par la distance & isolement temporel & dépression d’outbreeding Echanges inter pools à éviter, en particulier les transferts Nord vers Sud

Taux d’incompatibilité intra-population & dépression d’inbreedingAuto-renforcement à éviter

Histogrammes cumulés à 100 % compatibilité ou incompatibilité des croisements au niveau intra-population, intra-pool et inter-pool. χ² = 7.76 P = 0.021


Trouver un équilibre entre éviter la dépression de consanguinité et empêcher la dépression hybrideAllorenforcement vs autorenforcement

Auto-renforcement lorsque risque de dépression hybride élevée: augmentation de la densité en individus augmentation des probabilités de rencontre entre partenaires augmentation de la reproduction entre individus (réduction de l’effet Allee « Mate finding Allee effect» qui correspond à la diminution du succès reproducteur avec la diminution de la densité)

Allo-renforcement lorsque risque de dépression hybride faibleaugmentation de la densité en individus + introduction de diversité génétique.

5-Conclusions et Perspectives

Résultats préliminaires

Poursuite de l’étude avec :- des données écologiques complémentaires

-un échantillonnage plus complet des populations

-transplantations

- résultats supplémentaires avec le semis et suivis en serre et in situ des descendants des croisements


bn1a bn2a bn3 bn4a bn5a bn5f,h

bn5i bn60

1

2

3

4

5

6

59 9 25 19 32 83 40 46

populations

stade de floraison8-fruits

7-fl fan. + fruits

6- fl fan. + fruits

5-fl ouv. + fl fan. + fruits

4-boutons + fl ouv + fl fan + 1e fr

3-boutons + fl ouv+ fl fan

2-boutons et 1e fl ouv

1-montaison

bn1a bn2a bn3 bn4a bn5a bn5fh bn5i bn6bn1a ns ns ns * * * *bn2a ns ns ns ns ns nsbn3 ns ns ns * nsbn4a ns ns * *bn5a ns ns nsbn5fh ns nsbn5i nsbn6


Stade de floraison moyen pour chaque population ( ; Kruskal Wallis H=85.12; p<0.001 et résultats du test de comparaison 2à 2Les étiquettes de données indiquent l’effectif des individus pour chaque population.

In situ


Taille de la rosette

diamètre de la rosette mesurée en conditions environnementales contrôlées chez B. neustriaca

Bn1a Bn3 Bn4a Bn5a Bn6a0

5

10

15

20

25

30

55

66

55

66

66

populations

dia

mèt

re r

ose

tte

(cm

) B

B

ABAB A

Bn1a Bn2a Bn3 Bn4a Bn4m Bn5a0

5

10

15

20

25

728

752

742

1686

116

37

populations

B

A AC ACC

AC

AC

individus de 1e année individus de 2e année

Effet de la population sur les tailles de rosette des individus (a) individus de 1année (F=6.32 ; p<0.001) ; b) individus de 2e année (F=2.54 ; p=0.037) Les barres dont les lettres diffèrent ont une durée entre montaison et floraison sont significativement différentes (test de tuckey),


Distance géographique

Distance génétique

distance "habitat"

" habitat axe 1"

" habitat axe 2"

distance génétique 0,917* (7)

distance "habitat" 0,267 (6) 0,012 (6)

" habitat axe 1" 0,228 (6) 0,069 (6)

" habitat axe 2" 0 ,333 (6) 0,101 (6)

distance communauté 0,232 (6) 0,134 (6) 0,761* (6) 0,841 (6) 0,098 (6) " communauté axe 1" 0,241 (6) 0,627 (6) 0,732 (6) 0,888 (6) 0,035 (6)

" communauté axe 2" 0,659* (6) 0,537 (6) 0,363 (6) 0,240 (6) 0,1137 (6)




Distance géographique


distance "habitat"

" habitat axe 1"

" habitat axe 2"

distance génétique 0,917* (7)

distance "habitat" 0,267 (6) 0,012 (6)

" habitat axe 1" 0,228 (6) 0,069 (6)

" habitat axe 2" 0 ,333 (6) 0,101 (6)

distance communauté 0,232 (6) 0,134 (6) 0,761* (6) 0,841 (6) 0,098 (6) " communauté axe 1" 0,241 (6) 0,627 (6) 0,732 (6) 0,888 (6) 0,035 (6)

" communauté axe 2" 0,659* (6) 0,537 (6) 0,363 (6) 0,240 (6) 0,1137 (6)



Gradient écologique?

Isolement par la distance?

Les communautés végétales intègre les facteurs à priori discriminants


Intra-popu-lation


99.29.49.69.810

10.210.4

12 15 1512 12 12

NordSud

Type de croisement


Dépression hybride

Taill

e de

s fr

uits

à 7

jour

s (m

m)

AB AB

Intra-popu-lation

Intra-pool Inter-pool1

1.11.21.31.41.51.61.71.81.9

2

Type de croisement


Dépression hybride

Nom

bre

de g

rain

es

ABA

B

Hypothèse 1: la taille des fruits est corrélée à la valeur sélective

Tableau récapitulatif des ANOVAS réalisées pour la largeur du fruit à 7 jours et le nombre moyen de graines.


0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.38

8.5

9

9.5

10

10.5

Bn1aBn1a Bn1aBn3cd

Bn1aBn4a

Bn1aBn5a

Bn1aBn6a

Bn3cdBn1a

Bn3cdBn3cd

Bn3cdBn4a

Bn3cdBn5aBn3cdBn6a

Bn4aBn1a

Bn4aBn3cd

Bn4aBn4a Bn4aBn5aBn4aBn6a

Bn5aBn1aBn5aBn3cd

Bn5aBn4a

Bn5aBn5a

Bn5aBn6a

Bn6aBn1a

Bn6aBn3cdBn6aBn4a

Bn6aBn5aBn6aBn6a


Taill

e de

s fr

uits

à 7

jour

s (m

m)

Hypothèse 1: la taille des fruits est corrélée à la valeur sélective

Hypothèse à tester avec le suivi des germinations


0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.38

8.5

9

9.5

10

10.5

Bn1aBn1a Bn1aBn3cdBn1aBn4a

Bn1aBn5a

Bn1aBn6a

Bn3cdBn1a

Bn3cdBn3cd

Bn3cdBn4a

Bn3cdBn5aBn3cdBn6a

Bn4aBn1a

Bn4aBn3cd

Bn4aBn4a Bn4aBn5aBn4aBn6a

Bn5aBn1aBn5aBn3cd

Bn5aBn4a

Bn5aBn5aBn5aBn6a

Bn6aBn1a

Bn6aBn3cdBn6aBn4a

Bn6aBn5aBn6aBn6a


Taill

e de

s fr

uits

à 7

jour

s (m

m)

6a6a>1a1aFruits plus granddans le pool Sud

6a1a>1a6aLa taille de la graine

est liée principalement à la mère

Hypothèse 2: la taille des fruits est corrélée à la taille de la mèreHypothèse 1: la taille des fruits est corrélée à la valeur sélective


mesure du fruit à 7 jours mère S

mesure du fruit à 7 jours mère N

mesure du fruit à 7 jours mère N 0,655*

Distance géographique -0,075 -0,372Distance « Habitat » -0,774** -0,440

Distance « Habitat axe1 » -0,950*** -0,638*Distance « Communautés » -0,748* -0,540

Distance génétique 0,054 -0,391

* p<0,05; ** p<0.01; *** p<0.001

Bn1a

Bn2a

NBn1a

Bn2a

NSens de pollinisation

Bn3Bn3

o+

o+

Test des corrélations de la taille des graines avec les distances écologiques génétiques et géographiques.

Exemples de résultats


Objectif 3: Tester l’existence d’une dépression hybride extrinsèque ou

intrinsèque, i.e. diminution de la fitness des descendants des croisements

Corrélations significatives taille fruits & distances écologiques Dépression hybride extrinsèque

Pas de corrélation significative taille fruits & distances génétiquesDépression hybride intrinsèque non observée


Exemple d’allorenforcement chez Bn5a

Augmentation de la densité par auto renforcement augmentation du succès reproducteur des individus natifs de la zone renforcée

Néanmoins taux de mis à fruit inférieur à la capacité de l’espèce(figure 2), ce qui suggère un problème de dépression de consanguinité

5-Discussion

Remise en question de la méthode d’estimation de la valeur sélective qui vise à utiliser des traits d’histoire de vie comme la taille du corps, la croissance des racines ou le nombre de feuilles,…

Problème de l’estimation des distances écologiques

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