Diversité et phylogéographie des asteries de l'Océan Austral (Asteroidea)

Diversity and phylogeography of Southern Ocean sea stars (Asteroidea)

• Auteur / Autrice : Camille Moreau
• Direction : Thomas Saucède, Bruno Danis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie des populations et écologie
• Date : Soutenance le 15/10/2019
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec Université libre de Bruxelles (1970-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biogéosciences (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Mardulyn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Saucède, Thierry Rigaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elie Poulin, Anton Van de putte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pôle Sud

Péninsules -- Antarctique

Îles -- Nouvelle-Zélande

Fonds marins

Phylogéographie

Échinodermes

Biogéographie

Mots clés libres

Biogeographie

Echinodermata

Connectivité

Océan Austral

Phylogéographie

Biogeography

Echinodermata

Connectivity

Southern Ocean

Phylogeography

Résumé

Comment les espèces sont-elles distribuées sur les fonds marins de l’Océan Austral ? Quels sont les facteurs qui peuvent expliquer leur distribution ? Ces questions, centrales en macroécologie sont d’autant plus pressantes que les régions polaires sont actuellement soumises à de rapides changements environnementaux. L’objectif principal de cette thèse était de décrire et de caractériser les grands patrons de distribution des espèces d’étoiles de mer à l’échelle de l’Océan Austral tout en considérant un trait d’histoire de vie en particulier : la stratégie de reproduction. Dans ma thèse, je teste l’hypothèse que les capacités de dispersion contrastées entre espèces à développement direct (incubantes) et celles à stade larvaire pélagique dans leur développement (dispersantes) induisent des motifs de distribution distincts, permettant ainsi de mettre en évidence un facteur déterminant de leurs distributions. J’ai utilisé à la fois des approches biogéographique (basée sur un jeu de données de 14 000 occurrences) et phylogéographique (pour cinq genres : Diplasterias, Notasterias, Lysasterias, Bathybiaster, Psilaster) à l’échelle de l’Océan Austral et mes résultats montrent que 1) de manière générale, les étoiles de mer présentent les mêmes motifs biogéographiques que ceux déjà mis en évidence chez d’autres groupes d’invertébrés marins benthiques tels que l’isolement de la Nouvelle Zélande, la forte richesse spécifique dans la région de l’Arc de la Scotia chez les espèces incubantes, la différenciation entre les faunes Est et Ouest Antarctiques, et les affinités fauniques entre le sud de l’Amérique du Sud et les iles subantarctiques. Les astéries présentent un niveau d’endémisme moins élevé que précédemment avancé, avec 29% d'espèces endémiques dans la Zone Antarctique seulement. Les patrons de distribution sont fortement influencés par la stratégie de reproduction et diffèrent en fonction du niveau taxonomique considéré, mettant en évidence le rôle sous-jacent de certains facteurs historiques. 2) La stratégie de reproduction ne semble pas affecter les niveaux de diversité génétique ni la richesse spécifique elle-même mais plutôt leur structuration spatiale. L’histoire évolutive des espèces est le résultat de leur stratégie de reproduction. Les patrons phylogéographiques des espèces dispersantes peuvent être expliqués par différents scénarios impliquant des voies de colonisation profondes, de la bipolarité ou du cosmopolitisme, et l'émergence en zone subantarctique pour le genre Bathybiaster ; des échanges fauniques entre Antarctique et Nouvelle Zélande à travers le Front Polaire pour le genre Psilaster. Les motifs présentés par les espèces incubantes suggèrent l'existence d’un passage trans-antarctique précédemment étendu entre les mers de Ross et de Weddell pendant le Plio-Pléistocène. Ces résultats mettent aussi en évidence, pour la première fois, que la Mer de Weddell est peuplée d’un mélange de faunes originaires d’Est et Ouest Antarctique. Enfin, j’utilise une approche exploratoire pour analyser la phylogénie et la phylogéographie de toute la classe des Asteroidea afin de comprendre son origine et son évolution dans l’Océan Austral. Je mets en évidence la variété des chemins évolutifs suivis par les étoiles de mer pour coloniser, se diversifier et évoluer dans l’Océan Austral. Je démontre par la même occasion que leur richesse spécifique n’est pas correctement évaluée dans l’Océan Austral, ce qui est également très certainement le cas aussi dans les autres océans. Je démontre aussi que la diversité des étoiles de mer australes actuelles est en grande partie le résultat de diversifications récentes. L’ensemble de ces résultats m’amène à remettre en question plusieurs grands principes biogéographiques jusqu'ici reconnus pour les faunes de l’Océan Austral, soulignant également la nécessité d'adopter des approches à très large échelle dans ce genre d'étude.

How is life distributed on the Southern Ocean sea floor? How can we explain species distribution patterns, their origin and the underpinning drivers? These questions are central to macroecological studies, especially in regions facing fast environmental changes. The main objective of this thesis was to describe and characterise distribution patterns of sea stars species (Echinodermata: Asteroidea) with regards to reproductive strategy (i.e. brooding versus broadcasting), a key life history trait for species dispersal. I tested whether contrasting dispersal abilities between direct developers (brooders) and species with pelagic larvae in their development (broadcasters) result in distinct diversity and distribution patterns. At the scale of the Southern Ocean, I used both biogeographic (14,000 occurrence records) and phylogeographic approaches (five genera – Diplasterias, Notasterias, Lysasterias, Bathybiaster, Psilaster) to show that 1) biogeographic patterns are highly linked to reproductive strategy but these patterns also vary according to taxonomic levels, revealing the importance of historical factors. 2) Main biogeographic patterns are congruent with results obtained in previous works for other benthic taxa highlighting the prevalence of common biogeographic patterns like: the isolation of New Zealand fauna from the Antarctic, the high richness in the Scotia Arc region (particularly in brooders), the differentiation between East and West Antarctic species, and faunal affinities between southern South America and sub-Antarctic Islands. Overall, asteroids show low endemism levels compared to previously reported values, with 29% of species only occurring in the Antarctic Zone. 3) Phylogeographic patterns indicate that reproductive strategy is not directly related to the levels of genetic diversity nor to species richness but rather to the spatial structure of species distribution. Phylogeographic patterns analysed in broadcasters can be explained by different scenarios including deep‐sea colonisation routes, bipolarity or cosmopolitanism, and sub‐Antarctic emergence for the genus Bathybiaster; faunal exchanges between the Antarctic and New Zealand across the Polar Front for the genus Psilaster. Phylogeography of brooders support the hypothesis of a past trans‐Antarctic seaway established between the Ross and the Weddell seas during the Plio‐Pleistocene. These results also show, for the first time, that the Weddell Sea is composed of a mixed asteroid fauna originating from both the East and West Antarctic. Finally, I use an exploratory approach to investigate the phylogeny and phylogeography of the entire class Asteroidea and try to reveal their origin and evolution in the Southern Ocean. I demonstrate that species richness in asteroids has been overlooked and misunderstood in the Southern Ocean and possibly also all around the world. I then argue that modern Southern Ocean sea star fauna result, for the most part, from recent diversifications. These results, altogether, raise questions about commonly accepted principles on biogeographic patterns in the Southern Ocean. This stresses the need for more global and integrative approaches for such studies.