Quelques modèles probabilistes pour l'étude de l'hétérogénéité lors de la diversification de l'arbre du vivant

Exploring heterogeneity in diversification patterns across the tree of life using probabilistic models

• Auteur / Autrice : Odile Maliet
• Direction : Hélène Morlon, Nicolas Loeuille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie et évolution
• Date : Soutenance le 20/09/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie de l'École normale supérieure (Paris ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Marianne Elias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michaël Blum
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rudolf Philippe Rohr, Franck Jabot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biodiversité

Modèles mathématiques

Évolution (biologie)

Analyse cladistique

Phylogénie

Mots clés libres

Biodiversité

Diversification

Modèles probabilistes

Réseaux d'interaction

Diversité phylogénétique

Modèle de naissances-morts

Diversification

Birth-death model

Interaction networks

Résumé

Dans cette thèse, je présente différentes approches pour quantifier et expliquer les variations dans le processus de diversification au sein de l’arbre du vivant. Toutes les approches présentées s’appuient sur des modèles probabilistes. Le premier chapitre s’intéresse à la forme générale des phylogénies, et propose une nouvelle mesure de la relation entre la richesse spécifique et la profondeur des clades au sein d’une phylogénie. Nous montrons que, dans les phylogénies empiriques, cette mesure s’écarte de la valeur attendue pour un processus de diversification homogène entre les lignées, possiblement à cause de la présence de variations du taux de diversification au sein des groupes étudiés. Dans le deuxième chapitre, je m’intéresse à une description à plus fine échelle de ces variations de taux, et présente une nouvelle méthode pour estimer des vitesses de diversification lignée-spécifiques dans les phylogénies empiriques. Contrairement aux méthodes existantes, qui considère que les taux de diversifications varient par des sauts rares et de grande amplitude, la nôtre propose une vision plus graduelle de l’évolution de la vitesse de diversification. Nous appliquons notre méthode à un jeu de données empirique et montrons que la variabilité du taux de diversification est aussi forte au sein des clades qu’entre les clades, ce qui s’accorde bien avec cette vision d’une évolution progressive des taux de diversification. Enfin, le troisième chapitre se concentre sur une des explications possibles à la présence de variabilité dans les vitesses d’accumulation d’espèces, en présentant un modèle individu-centré permettant d’étudier l’effet de différent types d’interactions écologiques sur le processus de diversification. Nous étudions les prédictions de ce modèle pour la diversité obtenue, ainsi que sur plusieurs mesures caractérisant la structure des réseaux d’interactions. Notre modèle génère des réseaux d’interactions écologiques réalistes, avec des réseaux plus modulaires et moins emboités dans les communautés antagonistes que dans les communautés mutualistes. La présence d’interactions antagonistes favorise la diversification de la communauté, du point de vue de la variabilité en traits comme de celui du nombre d’espèces, tandis que les interactions mutualistes entravent la création de diversité, du fait d’une forte sélection stabilisante.

In this PhD thesis, I present different approaches based on probabilistic models for quantifying and explaining heterogeneity in the diversification process across the tree of life, all in the probabilistic modeling framework. In the first chapter, we focus on the general shape of phylogenetic trees, and propose a new metric for the quantification of the age-richness relationship of the subclades within a tree. The study of this metric in a dataset of empirical phylogenies shows that they diverge from the expectation under an homogeneous speciation model, possibly because of within-clade speciation rates variations. In the second chapter of the thesis, I focus on a finer scale description of diversification rates variations, and introduce a new method to estimate lineage-specific diversification rates within a phylogeny. Compared to previously existing methods that aim at identifying a few diversification rate shifts with large effect, ours propose a more gradual view of diversification rate evolution. We apply our approach to a dataset of empirical phylogenies, and show that Intra-clade variations accounts a large part of the rate variations in the whole dataset, suggesting suggest that models with many gradual changes may be more appropriate than models with few punctuated shifts for describing the evolution of diversification rates. Finally, the last chapter considers more directly one of the possible cause of variation in diversification rates, which is the presence of inter-species ecological interaction. We build an eco-evolutionary model for the emergence of mutualistic, antagonistic and neutral bipartite interaction communities, and study it prediction on species and trait diversity, as well as on several key network structure metrics. Our model generates realistic network structures, antagonistic communities being more modular and less nested than mutualistic ones. We find that antagonistic interactions foster both species and trait diversity, while mutualistic interactions generate strong stabilizing selection, with a negative impact on both diversity measures.