Evolution expérimentale de la diversité en milieu hétérogène

Experimental evolution of diversity in heterogeneous environments

• Auteur / Autrice : Patrick A. Venail
• Direction : Michael Hochberg, Nicolas Mouquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie des populations et écologie
• Date : Soutenance le 24/03/2010
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de l'évolution (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Godelle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michael Hochberg, Nicolas Mouquet, Bernard Godelle, Thomas Bell, Andrew Gonzalez, Sylvain Gandon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Bell, Andrew Gonzalez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Évolution

Bactéries

Gestion des écosystèmes

Diversité des espèces

Mots clés libres

Evolution expérimentale

Métacommunautés

Bactéries

Milieu hétérogène

Adaptation

Experimental evolution

Metacommunities

Bacteria

Heterogeneous environment

Adaptation

Résumé

Dans ce travail de thèse j'aborde d'un point de vue expérimental le rôle de l'hétérogénéité environnementale (spatiale et temporelle) comme moteur de diversification biologique. Il comporte une synthèse générale sur les principales thématiques abordées pendant ma thèse suivie d'une présentation des publications dérivées de mes propres recherches et de collaborations. Dans la synthèse je commence par présenter la biodiversité, je souligne l'importance d'étudier les conditions qui favorisent son émergence et son maintien pour mieux comprendre son organisation. Je présente le type de diversité biologique sur lequel se concentre mon travail ainsi que l'échelle d'organisation que j'ai considérée: la metacommunauté. J'évoque aussi l'intérêt croissant des écologistes pour prendre en considération les échelles évolutives dans les approches modernes des communautés. Plus loin, je présente l'évolution expérimentale comme l'outil qui m'a permis d'explorer les aspects écologiques et évolutifs du maintien et de l'émergence de la diversité en milieu hétérogène avant d'explorer certains de ces aspects théoriques. Pour finir, j'explore la relation diversité-fonctionnement comme une approche pour étudier les conséquences de l'actuel déclin de la biodiversité. Les trois premiers articles explorent différents aspects de la diversification de la bactérie Pseudomonas fluorescens SBW25 dans un environnement spatialement hétérogène (métacommunauté) après ~500 générations d'évolution. Les résultats des trois articles sont issus d'une même expérience d'évolution. Dans un premier article, j'ai exploré l'effet du niveau de dispersion sur la diversité régionale. Cette dernière s'est révélée maximale pour des niveaux de dispersion intermédiaires. Ce gradient de diversité à l'échelle régionale était lié avec une plus forte productivité résultant d'une meilleure complémentarité écologique. Dans le deuxième, j'ai mesuré la diversité à l'échelle locale (communautés) et j'ai montré une augmentation de la diversité pour des niveaux de dispersion intermédiaires (mass-effect) mais qui n'aboutit pas à une plus forte productivité. Cet article souligne l'importance de considérer l'échelle ainsi que les mécanismes de coexistence pour comprendre la relation entre diversité et fonctionnement des écosystèmes. Dans le troisième (en préparation) j'explore l'effet de la dispersion sur le patron d'adaptation locale. Les résultats préliminaires montrent qu'un patron d'adaptation locale n'est pas un résultat obligé de l'évolution en milieu spatialement hétérogène. Le niveau de dispersion semble modifier considérablement le patron d'adaptation avec une plus forte adaptation locale moyenne pour des niveaux de dispersion intermédiaire. Le quatrième article présente une nouvelle expérience d'évolution avec laquelle j'ai exploré le rôle du grain environnemental dans l'émergence et le maintien de la diversité dans un environnement temporellement fluctuant. Après ~300 générations d'évolution j'ai constaté que les traitements de grain intermédiaire présentaient la plus haute diversité. En temps que collaborateur j'ai également participé à la rédaction d'un article de revue sur le concept de spécialisation en écologie. Cet article inclut une synthèse des différentes définitions de ce concept ainsi que des méthodes pour la mesurer. Pour finir j'ai participé à la réalisation d'une expérience avec des bactéries marines Méditerranéennes visant à explorer la dynamique évolutive de la relation biodiversité-fonction dans des conditions favorisant soit la spécialisation écologique soit l'émergence de généralistes. Après 64 jours d'évolution, le résultat général est une relation positive entre productivité et richesse spécifique des assemblages. L'évolution de généralistes aboutit à une productivité moyenne plus forte que chez les spécialistes alors que la pente de la relation diversité –fonction est plus forte pour des spécialistes.

In this work I propose an experimental approach to the study of the impact of spatial and temporal environmental heterogeneity on biological diversification. It is composed of two main parts: first, a general review of the principal subjects I have explored during my thesis and then a presentation of the manuscripts from my own research and from different collaboration projects. In the synthesis I first present what is biological diversity (Biodiversity) and I underline the importance of considering the conditions to its emergence and maintenance in the understanding of its organization. I present the kind of diversity I'm interested in and the scale of organization I have considered: metacommunities. I also present the interest of current ecology research in including evolutionary processes on the modern concept of communities. Then, I present experimental evolution as a tool allowing the exploration of the ecological and evolutionary aspects of the maintenance and emergence of diversity in heterogeneous environments and I also present some of its theoretical aspects. Finally, I explore the biodiversity-ecosystem functioning relationship as a way to explore the consequences of diversity erosion. The first three manuscripts explore different aspects of a ~500 generation experiment of diversification of the bacteria Pseudomonnnas fluorescens SBW25 in a spatially heterogeneous environment (metacommunities). On the first manuscript, I have explored the effect of dispersal on regional diversity. The results show that diversity was maximal for intermediate dispersal levels. This gradient of diversity at the regional scale was positively related to a higher productivity as a result of higher ecological complementarity among genotypes. In a second article, I have measured the local diversity. The result was a higher increase in diversity at intermediate dispersal levels (mass-effect) but with no impact on productivity. This article underlines the importance of considering the mechanisms of coexistence when studying the diversity-ecosystem functioning relationship. Then, I present the preliminary results on the impact of dispersal on the pattern of local adaptation. The results show that a pattern of local adaptation is not an obligate outcome of evolution in spatially heterogeneous environments. Intermediate dispersal levels enhanced the emergence of local adaptation patterns. On a fourth article, I present the results of an experimental test of effect of the environmental grain on the emergence and maintenance of diversity in a temporally fluctuating environment by using Pseudomonas fluorescens SBW25. After ~300 generations of evolution, I have found that diversification was maximal at an intermediate environmental grain. I have also collaborated in the writing of a review about ecological specialization concept. This synthesis includes the different available definitions of ecological diversification and the different methods used to measure it. Finally, I have participated in an experiment using Mediterranean Sea bacteria exploring the dynamics of the diversity-ecosystem functioning relationship under too different selective scenarios favoring either specialization or the evolution of generalists. After 64 days of evolution, the result was a positive relationship between species richness and productivity for both specialists and generalists. Generalists performed better than specialists for any species richness level while the steepness of the relationship was higher for specialists.