Adaptation, régression et expansion en limite d’aire de répartition
(Adaptation, regression and expansion among the range)

URL d'accès : http://ori-nuxeo.univ-lille1.fr/nuxeo/site/esupver...

Auteur(s):  Latron, Mathilde
Date de soutenance : 10/07/2019
Éditeur(s) : Université Lille1 - Sciences et Technologies 

Langue : Français, Anglais
Directeur(s) de thèse :  Arnaud, Jean-François ; Duputié, Anne
Laboratoire : Evolution, Ecologie, Paléontologie (EVO-ECO-PALEO)
Ecole doctorale : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq)

Classification : Sciences de la vie, biologie, biochimie
Discipline : Biologie de l’Environnement, des Organismes, des Populations, Ecologie
Mots-clés : Autofécondation
Phénologie
Phénotype
Adaptation (biologie)
Changement global de l'environnement
Génétique des populations
Plantes -- Distribution géographique
Plantes -- Dispersion
Plantes des rivages

Résumé : Les changements globaux observés au cours des dernières décennies peuvent être à l'origine de déplacements de l'aire de répartition géographique d’espèces biologiques. L'adaptabilité et la plasticité phénotypique conditionnent ces changements. La démographie des espèces et leurs capacités de dispersion déterminent leur capacité à coloniser des sites nouvellement favorables. Dans le cas de modification de répartition géographique, on peut s'attendre à observer le long de l’aire de répartition une variation des traits d’histoire de vie en relation avec la dynamique observée. En effet, la survie, la reproduction ainsi que la capacité de dispersion déterminent la réussite ou l’échec de l’implantation et du maintien d’une population. Les attendus théoriques prévoient alors qu’elles soient maximisées sur des fronts de colonisation. De fait, un faible taux de recrutement, une limitation en partenaires sexuels et la dépression de consanguinité, parmi d’autres facteurs, peuvent entrainer un déclin des populations, des extinctions locales, ou des échecs de colonisation. Sur des fronts de colonisation, on s’attend donc à observer une augmentation des capacités de dispersion et du taux d’autofécondation, une phénologie avancée, ainsi qu’une fécondité supérieure par rapport au centre de l’aire de répartition. Sur des fronts de rétractation, on peut s’attendre à une augmentation du taux d’autofécondation et à un investissement supérieur dans la survie, par rapport aux populations centrales. Comprendre l’évolution des traits d’histoire de vie en fonction de la dynamique des aires de répartition des espèces est donc primordial pour mieux comprendre l’évolution future de la biodiversité. Dans ce contexte, les variations spatiales de traits d’histoire de vie ont été caractérisées pour quatre espèces végétales en expansion ou en retrait dans le nord de la France : la Claytonie perfoliée (Claytonia perfoliata), la Cochléaire du Danemark (Cochlearia danica), le Crithme maritime (Crithmum maritimum) et la Pensée des dunes (Viola tricolor subsp. curtisii). Ces variations de traits d’histoire de vie ont été étudiées du centre vers la limite de leurs aires de répartition par le biais de mesures phénotypiques en milieu naturel et en jardin commun, et d’analyses de structure génétique spatiale pour deux espèces. La dynamique de répartition de ces quatre espèces s’explique par des facteurs qui sont propres à la biologie de chacune, en interaction avec leur environnement. La Claytonie et la Cochléaire, toutes deux en expansion, présentent une forte pression de propagules sur leurs fronts de colonisation : tandis que la Claytonie présente un taux de germination plus important en limite d’aire de répartition, la Cochléaire présente quant à elle une augmentation de ses capacités de dispersion dans les populations de limite d’aire. Le Crithme maritime, en expansion dans la région, ne montre aucune variation de ses traits d’histoire de vie le long de son aire de répartition. De fait, toutes les populations montrent une forte capacité de colonisation, et l’analyse de la structure génétique spatiale de l’espèce indique un apport conséquent de migrants depuis et vers toutes les populations, via une dispersion à longue distance des diaspores. La Pensée des dunes, espèce en rétractation, montre une augmentation des niveaux d’autofécondation dans ses populations de limite d’aire, ce qui pourrait lui conférer une certaine assurance pour la reproduction. Toutefois, l’investissement reproducteur moins important dans ces populations pourrait, à long terme, nuire à leur persistance. Au final, si chaque espèce montre des variations de traits d’histoire de vie conformes aux prédictions théoriques, aucune de ces prédictions ne s’applique à toutes les espèces. Il n’existe donc pas de syndrome évolutif de limite de répartition géographique et les réponses des espèces dépendent de leur biologie. Ces résultats ont donc des implications particulièrement appliquées en biologie de la conservation ainsi que pour la réalisation de projections de changements d’aire de répartition géographique.


Résumé (anglais) : Ongoing global changes may lead to shifts in the geographical range of biological species. Adaptive evolution and phenotypic plasticity will determine these shifts. The demography of the species and their dispersal capacities will also determine their ability to colonize newly favourable habitats. When geographical distributions are shifting, one can expect a variation in life history traits across the geographic range. Indeed, survival, reproduction and dispersal capacity will determine the success or failure of population establishment and persistence. These traits are thus theoretically expected to be maximized on colonization fronts because low recruitment rates, mate limitation and inbreeding depression, among other factors, can lead to population decline, local extinction, or colonization failure. On colonization fronts, we therefore expect to observe an increase in dispersal capacities and self-fertilization rate, advanced phenology, and higher fertility compared to populations located in the central part of the range. On retraction fronts, mate limitation can also drive selection for increased self-fertilization, and worsening habitat conditions can lead to higher investment in survival as compared to central populations. Understanding the evolution of life history traits in relation to species range dynamics is therefore essential to better understand the future evolution of biodiversity in the Anthropocene. In this context, spatial variations of life history traits were characterized for four plant species that show expansion or retraction fronts in northern France: Miner’ lettuce (Claytonia perfoliata), Danish scurvygrass (Cochlearia danica), Rock samphire (Crithmum maritimum) and Dune pansy (Viola tricolor subsp. curtisii). Variations of life history traits were surveyed from the core to the edge of their geographic ranges by using phenotypic measurements in the natural environment and in the common garden and by analysing the spatial genetic structure for a subset of two species. The geographical range dynamics of these focal species were explained by species-specific factors in interaction with their respective environment. Miner’s lettuce and Danish scurvygrass, both expanding in northern France, showed high propagule pressure on their colonization fronts: while Miner’s lettuce exhibited a higher germination rate at the edge of its range, marginal populations of Danish scurvygrass showed an increase in dispersal capacities. Rock samphire, which is expanding northwards, showed no variation in its life history traits along its geographical range. All populations may show a high capacity for successful colonization and analyses of spatial genetic structure indicated large amount of gene flow among populations via long-distance dispersal events of diaspores. Lastly, the retracting populations of Dune pansy showed an increase in selfing rate that may provide some reproductive assurance. However, their lower reproductive output could threaten their long-term persistence. Altogether, while each species shows variations in life history traits consistent with theoretical predictions, trait variations appeared to be idiosyncratic. This suggested that no common evolutionary syndrome occurred in expanding or receding range edges and that species' responses mostly depend on their specific biology. These results have therefore important implications relevant to conservation biology and to forecasting of geographical range shifts under rapidly changing environments.


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