Thèse de doctorat : Sciences agronomiques : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Ecologie : Toulouse 3 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin des parties.

La variation génétique des poissons d’eau douce de l’Amérique du Nord a été analysée aux niveaux intraspécifique et interspécifique afin d’approfondir les connaissances actuelles sur l’évolution de la biodiversité et de faciliter la conservation de cette richesse. Premièrement, une banque de données de séquence d’ADN mitochondrial (codes-barres génétiques) a été générée pour 5674 individus représentant 752 espèces dans le but d’établir un outil d’identification moléculaire et de fournir une calibration de l’incertitude taxonomique. Cette analyse démontre que 90 % des espèces peuvent être délimitées à l’aide de codes-barres génétiques. De plus, il apparait que la taxonomie actuelle pourrait largement sous-estimer la diversité des poissons d’eau douce dans son ensemble tout en surestimant la diversité spécifique de certains groupes particuliers. Deuxièmement, les niveaux de divergences génétiques intraspécifique et interspécifique ont été étudiés afin d’identifier les mécanismes évolutifs responsables des patrons généraux de répartition de la biodiversité. L’hypothèse suggérant un rôle combiné des cycles glaciaires du Pléistocène et de l’activité métabolique influençant les taux de mutation est appuyée par les données représentant la presque totalité des poissons d’eau douce de l’Amérique du Nord. Troisièmement, les patrons de variation aux niveaux de l’ADN mitochondrial et de l’ADN nucléaire (AFLP) ont été analysés parmi plusieurs paires de lignées évolutives codistribuées dans le nord-est de l’Amérique afin de vérifier l’importance du processus de spéciation allopatrique. Les résultats indiquent que l’est du bassin des Grands Lacs représente une zone de suture impliquant plusieurs taxons et que les niveaux de divergence sont variables d’une paire de lignées à l’autre. Parmi ces paires de races glaciaires, celles divergeant par plus de 2 % au niveau de l’ADN mitochondrial présentent d’importants signes d’isolement reproducteur. En décrivant les diverses étapes du processus de spéciation allopatrique au sein de différentes espèces d’une même région, cette étude démontre que le processus de spéciation allopatrique a joué un rôle important parmi les poissons d’eau douce de l’Amérique du Nord. L’ensemble de ces travaux aura donc permis de fournir un nouvel outil d’identification et d’appuyer l’hypothèse stipulant que la spéciation allopatrique est le principal moteur de diversification pour les poissons d’eau douce. / Intraspecific and interspecific genetic variation has been studied among North America’s freshwater fishes in order to improve our current knowledge on the evolution of biodiversity and to facilitate the conservation of this richness. Firstly, we generated a standard reference library of mitochondrial DNA sequences (DNA barcodes) for 752 North American freshwater fish species to provide an independent calibration of taxonomic uncertainty and to establish a more accessible molecular identification key for its application. This study demonstrates that 90% of known species can be delineated using barcodes. Results further suggest that current North American freshwater fish taxonomy at the species level significantly conceals diversity in some groups, while artificially creating diversity in others. Secondly, we studied intraspecific and interspecific genetic divergence in order to describe and identify the underlying evolutionary causes of general patterns of biodiversity distribution. This study supports a dual role involving both the late Pliocene-Pleistocene climatic fluctuations and metabolic rate in determining latitudinal gradients of genetic divergence. Thirdly, patterns of mitochondrial DNA and nuclear DNA (AFLP) have been studied among different codistributed pairs of glacial lineages in order to verify the generality of allopatric speciation. This study shows that the Eastern Great-Lakes drainage represents a multi-species suture zone for glacial lineages of freshwater fishes with variable levels of genetic divergence. AFLP analyses among four pairs of lineages indicate that lineages with relatively deep levels of mitochondrial DNA sequence divergence (> 2 %) developed strong reproductive barriers. By describing different levels of divergence and reproductive isolation in different co-occurring fishes, we offer strong evidence that allopatric speciation has contributed significantly to the diversification of North Eastern American freshwater fishes. This thesis therefore offers a new molecular identification tool for freshwater fish of North America and brings strong evidences that allopatric speciation has played a predominant role in generating biodiversity.

L'ADN environnemental (ADNe) est une approche très prometteuse pouvant faciliter le suivi des espèces aquatiques, ce qui est crucial pour la gestion des ressources aquatiques. À ce jour, relativement peu d'études se sont intéressées à l'écologie de l'ADNe, en particulier en ce qui concerne les processus influençant la détection de l'ADNe. Le manque de connaissances à propos de l'écologie de l'ADNe empêche l'utilisation de cet outil à son plein potentiel. Dans cette étude, nous avons évalué expérimentalement l'impact de plusieurs facteurs biotiques et abiotiques sur le taux de production et de dégradation de l'ADNe. Trois espèces de poissons d'eau douce ayant des caractéristiques très différentes ont été placées dans deux types d'eau ayant des caractéristiques physicochimiques distinctes et à trois différentes températures. Des échantillons d'eau ont été filtrés à des intervalles de temps prédéterminés et la PCR quantitative a été utilisée pour quantifier l'ADNe dans chaque échantillon. Nous avons trouvé que la température, l'espèce, les différentes masses d'eau, ainsi que certaines interactions entre les facteurs avaient un effet marqué sur la production et la dégradation de l'ADNe. Les résultats de cette étude vont approfondir nos connaissances sur l'écologie de l'ADNe, et donc amélioreront l'interprétation des données d'ADNe pour la gestion et la conservation des poissons d'eau douce. / Environmental DNA (eDNA) is a very promising approach to facilitate and improve the aquatic species monitoring, which is crucial for their management and conservation. In comparison with the plethora of monitoring studies in the fields, relatively few studies have focused on experimentally investigating the "ecology" of eDNA, in particular pertaining to processes influencing the detection of eDNA. The paucity of knowledge about its ecology hampers the use of eDNA analysis to its full potential. In this study, we experimentally evaluated the impact of several biotic and abiotic factors on the rate of production and degradation of eDNA. Individuals of three freshwater fish species (Brown Bullhead, Tench and Yellow Perch) with distinct ecology were placed in two types of water from the St. Lawrence River (Québec, Canada) with very distinct physicochemical characteristics and at three different temperatures. Water samples were then filtered at predetermined time intervals and quantitative PCR was used to quantify the eDNA in each sample. We found that temperature, species, water types, and some interactions between these factors hada strong effect on the production and degradation of eDNA. The results of this study enhance our knowledge about the ecology of eDNA, thus improving eDNA data interpretation.

Saprolegnia parasitica est une moisissure aquatique responsable des infections fongiques chez les poissons d’eau douce. Auparavant, ces infections étaient traitées au vert de malachite jusqu’à qu’il soit interdit à cause de ses propriétés cancérigènes. Les nouveaux enjeux de la recherche sont donc le développement de produits naturels pour prévenir et contrôler S. parasitica. Les expériences, in vitro, consistaient à déterminer la concentration minimale d’inhibition (CMI) par la méthode de graines de chanvre. Les expériences par bain, in vivo, consistaient à évaluer l’efficacité des produits sur des alevins infectés par S. parasitica. Le Neemazal WSP 5%, le Rhus typhina JN02141A et la bactérie Burkholderia cepacia ont présenté une activité antifongique contre S. parasitica. Cependant, le Rhus typhina JN02141A s’est avéré inefficace en présence d’alevins infectés par S. parasitica. Les prochaines étapes seraient donc la recherche des ingrédients actifs et de les tester sur des alevins infectés par S. parasitica. / Saprolegnia parasitica is a water mold responsible of the fungal infections of fish in fresh water environments. Previously, these infections were treated with malachite green until it is banned due to its carcinogenic properties. Novel research avenues include the development of natural products to prevent and control S. parasitica. The purpose of the experiments in vitro was to determine the minimum inhibitory concentration (MIC) by the Hempseed MicroPlate (HeMP) – method. Experiments in bath in vivo were to assess the effectiveness of products on fry infected with S. parasitica. Neemazal WSP 5%, Rhus typhina JN02141A, and Burkholderia cepacia showed antifungal activity against S. parasitica. However, Rhus typhina JN02141A was ineffective on fry infected with S. parasitica. The further research is to identify the active ingredients and test them on fry infected with S. parasitica.

Les changements climatiques et leurs impacts sur la biodiversité font aujourd'hui l'objet d'une attention croissante de la part de la communauté scientifique et des gestionnaires des écosystèmes naturels. En effet, le climat influence la biologie et l'écologie des espèces animales et végétales, depuis leur physiologie jusqu'à leur répartition. Les modifications climatiques pourraient donc avoir des répercussions importantes sur les espèces et les assemblages. Au sein des écosystèmes aquatiques continentaux, les poissons de rivière sont des organismes incapables de réguler leur température corporelle et soumis à une variabilité hydrologique importante ainsi qu'à de fortes pressions anthropiques. Leur réponse aux modifications du climat actuelles et à venir a pourtant été encore peu abordée. L'objectif de ce travail de thèse est donc d'évaluer les impacts potentiels du changement climatique sur les poissons des rivières françaises, et plus particulièrement sur la distribution des espèces et la structure des assemblages. Des données fournies par l'Office National de l'Eau et des Milieux Aquatiques ainsi qu'une approche de modélisation basée sur les niches écologiques des espèces (i.e., modèles de distribution) ont été utilisées. Différentes sources d'incertitude ont également été testées dans une approche d'ensembles afin de prendre en compte la variabilité entre les impacts projetés et fournir ainsi une évaluation robuste de ces impacts. La première partie de ce travail a consisté en l'identification des principaux déterminants environnementaux qui structurent la répartition spatiale des espèces de poisson au sein des réseaux hydrographiques. Globalement, il apparaît qu'une combinaison de facteurs climatiques et de variables décrivant l'habitat local et la position des habitats au sein des réseaux hydrographiques est importante pour expliquer la distribution actuelle des espèces. De plus, les espèces ont toutes des réponses différentes aux facteurs de l'environnement. Dans un second temps, nous avons mis en évidence que le choix de la méthode statistique de modélisation de la niche écologique est crucial, les patrons actuels et futurs de distribution prédits étant fortement contrastés selon la méthode de modélisation considérée. Cette dernière s'avère même être la principale source d'incertitude dans les projections futures, bien plus encore que les modèles climatiques de circulation générale et les scénarios d'émission de gaz à effet de serre. La variabilité entre les prédictions issues de plusieurs techniques de modélisation peut être prise en compte par une approche de consensus. Un modèle consensuel basé sur la valeur moyenne de l'ensemble de prédictions est capable de prédire correctement la distribution actuelle des espèces et la composition des assemblages. Nous avons donc choisi de retenir cette approche pour évaluer au mieux les impacts potentiels du changement climatique sur les poissons des rivières françaises à la fin du 21ème siècle. Nous avons montré que la majorité des espèces de poisson pourrait être affectée par les futures modifications du climat. Seules quelques espèces d'eau froide (e.g. truite fario, chabot) pourraient restreindre leur distribution aux parties les plus apicales des réseaux hydrographiques. Au contraire, les espèces tolérant des températures plus élevées pourraient coloniser de nouveaux habitats et étendre ainsi leur répartition. Ces modifications de la distribution des espèces pourraient conduire à un réarrangement des assemblages au niveau taxonomique et fonctionnel. Une augmentation de la diversité locale et de la similarité régionale (i.e., homogénéisation) sont ainsi prédites simultanément. L'ensemble de ces résultats apporte donc des éléments sur la compréhension de la distribution des poissons d'eau douce et sur les conséquences du changement climatique qui peuvent être envisagées. Ce travail fournit ainsi une base aux acteurs de la gestion de la biodiversité afin d'initier des mesures de conservation concrètes. De plus, les considérations méthodologiques développées dans cette thèse sont une contribution importante à l'amélioration des projections issues de modèles statistiques de distribution et à la quantification de leur incertitude. / Climate change and its impact on biodiversity are receiving increasing attention from scientists and people managing natural ecosystems. Indeed, climate has a major influence on the biology and ecology of fauna and flora, from physiology to distribution. Climate change may thus have major consequences on species and assemblages. Among freshwater ecosystems, stream fish have no physiological ability to regulate their body temperature and they have to cope with streams' hydrological variability and strong anthropogenic pressures. Yet their response to current and future climate change has been poorly studied. The aim of this PhD thesis is to assess the potential impact of climate change on fish in French streams, mainly on species distribution and assemblages' structure. Data provided by the Office National de l'Eau et des Milieux Aquatiques combined with a modelling approach based on species' ecological niche (i.e., distribution models) have been used. Several sources of uncertainty have also been considered in an ensemble modeling framework in order to account for the variability between projected impacts and to provide reliable estimates of such impact. First, we have identified the main environmental factors that determine the spatial distribution of fish species within river networks. Overall, it appears that a combination of both climatic variables and variables describing the local habitat and its position within the river network is important to explain the current species distribution. Moreover, each fish species responded differently to the environmental factors. Second, we have highlighted that the choice of the statistical method used to model the fish ecological niche is crucial given that the current and future patterns of distribution predicted by different statistical methods vary significantly. The statistical method appears to be the main source of uncertainty, resulting in more variability in projections than the global circulation models and greenhouse gas emission scenarios. The variability between predictions from several statistical methods can be taken into account by a consensus approach. Consensual predictions based on the computation of the average of the whole predictions ensemble have achieved accurate predictions of the current species distribution and assemblages' composition. We have therefore selected this approach to assess the potential impacts of climate change on fish in French streams at the end of the 21st century with the highest degree of confidence. We have found that most fish species could be sensitive to the future climate modifications. Only a few cold-water species (i.e., brown trout, bullhead) could restrict their distribution to the most upstream parts of river networks. On the contrary, cool- and warm-water fish species could colonize many newly suitable habitats and expand strongly their distribution. These changes of species distribution could lead to a rearrangement of fish assemblages both at the taxonomic and functional levels. An increase in local diversity together with an increase in regional similarity (i.e., homogenization) are therefore expected. All these results bring new insights for the understanding of stream fish species distribution and expected consequences of climate change. This work thus provides biodiversity managers and conservationists with a basis to take efficient preservation measures. In addition, methodological developments considered in this PhD thesis are an important contribution to the improvements of projections by statistical models of species distribution and to the quantification of their uncertainty.

Les animaux infectés ont une odeur, une apparence, un comportement et/ou un son différent de leurs congénères non infectés. Ces différences peuvent servir d'indices pour reconnaître et éviter les individus infectés. Des études récentes montrent que les hôtes potentiels peuvent utiliser les indices visuels et/ou chimiques pour éviter les individus infectés et minimiser les risques d'infection. Par ailleurs, la prévalence d’un parasite dans l’environnement peut influencer l’apprentissage ainsi que la force de sélection pour la reconnaissance et l’évitement de ce parasite. Bien qu'il existe des preuves que les poissons utilisent des comportements d’évitement pour réduire le risque d'infection, les mécanismes sous-jacents restent peu connus. Nous avons examiné la capacité de deux populations (naïves et expérimentées aux parasites) de crapets-soleil (Lepomis gibbosus) à distinguer les congénères infectés par des vers parasites et les congénères non infectés (c.-à-d. expériences de choix binaires) en utilisant séparément les indices visuels et chimiques. En présence d’indices visuels, les crapets ont montré une forte préférence pour leurs congénères, quel que soit le niveau d'infection, plutôt que d'être seuls. À l’inverse, les crapets évitaient leurs congénères et restaient seuls en présence d’indices chimiques. Nous suggérons que les indices visuels et chimiques ne sont pas redondants et que les crapets utilisent les deux pour prendre des décisions sociales adéquates. Les poissons des deux populations n'ont montré aucune préférence en présence d’indices visuels de congénères infectés et non infectés. Cependant, en présence d’indices chimiques, il existait une grande variation en termes de préférence : certains préférant les congénères non infectés et d'autres préférant les congénères infectés. En moyenne, notre population naïve a évité les congénères infectés alors que notre population expérimentée n'a montré aucune préférence, ce qui suggère une habituation aux signaux d'infection dans la population expérimentée. Nous proposons que les crapets utilisent des indices chimiques plutôt que visuels pour discriminer leurs congénères infectés et non infectés. Notre étude souligne l'importance de prendre en compte différents indices sensoriels ainsi que la charge parasitaire lors de l'étude des comportements d'évitement et de formation de bancs. Ceci est particulièrement important sachant que l'environnement chimique et visuel ainsi que l'abondance des parasites sont modifiés par les changements globaux tel que les pluies acides, le brunissement et l’eutrophisation des écosystèmes d’eau douce. / Infected animals smell, look, behave and/or sound different from uninfected conspecifics. These differences can serve as cues used to recognize and avoid infected individuals. Recent studies show that visual and/or chemical cues of infected individuals can be used by potential hosts to modify their movement behaviours and minimize risks of infection. Furthermore, the prevalence of a parasite in the environment can influence learning and the strength of selection for parasite recognition and avoidance. Although there is some evidence that fishes use prophylactic behaviours to reduce infection risk, the underlying mechanisms remain unknown. We investigated the ability of two populations (naive and experienced to parasites) of wild caught pumpkinseed sunfish (Lepomis gibbosus) in distinguishing between conspecifics infected with parasitic worms versus uninfected individuals (i.e. binary choice experiments) using visual and chemical cues separately. Pumpkinseeds showed a strong preference for conspecifics, regardless of their infection level, over being alone when given visual cues but avoided conspecifics and remained alone when given chemical cues. We suggest that visual and chemical cues are not redundant, and that pumpkinseeds use both to make relevant social decisions. Fish of both populations did not show any preferences when given visual cues of infected and uninfected conspecifics. However, in the presence of chemical cues, there was a great variation in terms of preference: some preferring uninfected conspecifics while others preferring the infected ones. On average, our naive population avoided infected conspecifics whereas our experienced one did not show any preferences, suggesting habituation to infection cues in the experienced population. We propose that pumpkinseeds use chemical rather than visual cues to discriminate between infected and uninfected conspecifics and make a shoaling decision. Our study highlights the importance of considering different sensory cues as well as parasite load when studying avoidance and shoaling behaviours. This is particularly important in a time of modifying chemical and visual environment as well as parasites abundance through global change such as acid rain, browning and eutrophication of freshwater ecosystems.