L’ADN environnemental pour décrire les patrons de diversité des poissons à large échelle et informer la conservation

Environmental DNA to describe large-scale fish distribution patterns and inform conservation

• Auteur / Autrice : Laëtitia Mathon
• Direction : Stéphanie Manel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie et biodiversité
• Date : Soutenance le 26/01/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'écologie fonctionnelle et évolutive (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Barthélémy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucie Zinger, Anik Brind'Amour, David Mouillot, Laurent Vigliola
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maud Mouchet, Simon Blanchet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biodiversité marine

Poissons -- Distribution géographique

ADN environnemental

Mots clés libres

ADN environnemental

Distribution poissons

Diversité alpha

Diversité beta

Planification spatiale 3D

Environmental DNA

Fish distribution

Alpha diversity

Beta diversity

3D conservation spatial planning

Résumé

L’accélération des changements globaux et les impacts humains menacent la survie des communautés de poissons à l’échelle mondiale. Or ces communautés sont indispensables au bon fonctionnement des écosystèmes marins et aux populations dépendantes de la pêche. Seul un suivi efficace et rapide des communautés de poissons à petite et grande échelle pour comprendre leurs distributions, les règles d’assemblage et les impacts des pressions humaines et environnementales peut permettre d’implémenter des mesures de conservation optimales. L’ADN environnemental (ADNe) est une méthode récente, dont l’efficacité a été démontrée à échelle locale et régionale pour étudier les communautés de poissons côtiers. Cette méthode permet de pallier certains biais induits par les méthodes de suivi conventionnelles (pêche, plongée, caméras). Le but de cette thèse est d’utiliser l’ADNe pour étudier les distributions des poissons à diverses échelles spatiales, en réponse à des facteurs environnementaux, géographiques et socio-économiques, puis de nourrir les approches de planification de conservation. J’ai d’abord comparé les outils bio-informatiques fréquemment utilisés pour l’analyse des données d’ADNe, identifié les meilleurs programmes et pipelines et construit un pipeline optimal pour identifier les espèces contenues dans un échantillon, dans le cas d’une base de référence complète. Cependant, à large échelle, les bases de références sont largement incomplètes pour le gène mitochondrial 12S que nous utilisons et ne permettent donc pas l’assignation taxonomique de tous les fragments d’ADNe. Les autres études de cette thèse reposent ainsi sur une méthode de regroupement des séquences en unités taxonomiques moléculaires (MOTUs). À partir d’un jeu de données échantillonné à large échelle dans trois océans (Indien, Pacifique, Atlantique), j’ai comparé les estimations de diversité de poissons de récifs coralliens obtenues avec l’ADNe et avec des données de recensements visuels en plongée, à l’échelle de plusieurs biorégions. J’ai démontré que l’ADNe estimait une plus grande diversité de familles et de MOTUs que les plongées, tout en retrouvant les grands patrons de distributions connus (gradient longitudinal, isolation de la faune des Caraïbes). Puis, à l’échelle globale, j’ai étudié l’influence de facteurs environnementaux, géographiques et socio-économiques sur plusieurs indices de diversité alpha et bêta, à partir de plus de 500 échantillons d’ADNe prélevés dans 11 régions du monde. Les résultats montrent un effet dominant de l’environnement (température et productivité) sur la diversité alpha et bêta, mais aussi une diminution de ces diversités dans les zones proches des populations humaines et notamment dans les pays dépendant des ressources marines. Enfin, à une échelle régionale en Nouvelle Calédonie, en combinant l’ADNe avec des méthodes plus conventionnelles (caméras appâtées et échosondeur acoustique), j’ai estimé et modélisé plusieurs métriques de diversité des poissons sur les pentes externes et monts sous-marins, jusqu’à 600m de profondeur, que j’ai ensuite intégrées dans une planification de conservation en trois dimensions. Ces résultats indiquent de fortes richesses, abondances et biomasses sur les monts sous-marins peu profonds et isolés, ainsi que sur les pentes externes des îles et atolls éloignés des zones urbanisées, qui sont donc à prioriser dans les plans de conservation. L’ensemble des travaux de cette thèse démontrent l’utilité du metabarcoding de l’ADNe pour étudier la distribution des poissons à fine et large échelles spatiales, étudier l’impact des conditions environnementales et socio-économique sur la diversité et la distribution des communautés de poissons et informer les gestionnaires sur les zones de priorité de conservation.

Accelerating global changes and human impacts threaten the survival of fish communities worldwide, which are critical to the functioning of marine ecosystems and fisheries-dependent populations. Only an effective and rapid monitoring of fish communities at small and large scales to understand their distributions, assembly rules and impacts of human and environmental pressures can enable the implementation of optimal conservation measures. Environmental DNA (eDNA) is a recent method that has been demonstrated to be effective at local and regional scales for studying coastal fish communities. This method makes it possible to overcome some biases induced by conventional monitoring methods (fishing, diving, cameras). The goal of this thesis is to use eDNA to study fish distributions at various spatial scales in response to environmental, geographic, and socioeconomic factors, and then to feed conservation planning approaches. I first compared frequently used bioinformatics tools for eDNA data analysis, identified the best programs and pipelines, and constructed an optimal pipeline for identifying species contained in a sample, in the case of a complete reference database. However, at a large scale, the genetic reference databases are largely incomplete for the 12S mitochondrial gene we use, and thus do not allow for taxonomic assignment of all eDNA fragments. The other studies in this thesis therefore rely on a method of clustering sequences into molecular taxonomic units (MOTUs). From a large-scale dataset sampled in three oceans (Indian, Pacific, Atlantic), I compared estimates of coral reef fish diversity obtained with eDNA and with visual census data, at the scale of several bioregions. I demonstrated that eDNA estimated a higher diversity of families and MOTUs than visual census, while recovering the known major distribution patterns (longitudinal gradient, isolation of the Caribbean fauna). Then, on a global scale, I investigated the influence of environmental, geographical and socio-economic factors on several alpha and beta diversity indices, using more than 500 eDNA samples collected in 11 regions of the world. The results show a dominant effect of the environment (temperature and productivity) on alpha and beta diversity, but also a decrease of these diversities in areas close to human populations, and in particular in countries depending on marine resources. Finally, at a regional scale in New Caledonia, by combining eDNA with more conventional methods (baited cameras and acoustic echosounder), I estimated and modeled several metrics of fish diversity on deep outer slopes and seamounts, down to 600m depth, which I then integrated into three-dimensional conservation planning. These results indicate high richness, abundance and biomass on shallow and isolated seamounts, as well as on the deep slopes of islands and atolls far from urbanized areas, which should be prioritized in conservation plans. All this thesis work demonstrates the utility of eDNA metabarcoding to study fish distribution at fine and large spatial scales, to study the impact of environmental and socio-economic conditions on the diversity and distribution of fish communities, and to inform managers on priority areas for conservation.