Les lacs et les fjords du nord de l’Île d’Ellesmere, au Nunavut, renferment des écosystèmes uniques qui dépendent de la glace pour le maintien de leur structure. Certains de ces « cryo-écosystèmes » sont stratifiés en permanence, formés d’une couche d’eau douce flottant sur une couche d’eau de mer. Ces stratifications sont entre autres dues à la limitation du brassage par le vent en raison de la présence d’un couvert de glace permanent. Les travaux présentés ici ont comme objectif principal d’évaluer la diversité limnologique et biologique des lacs côtiers du nord de l’Île d’Ellesmere afin de mieux comprendre leur réponse aux changements environnementaux et climatiques à deux échelles temporelles : leurs variations à long terme à l’échelle de l’Holocène et leur réponse récente au climat dans le cours des dernières décennies. D’abord, les différents environnements sont présentés comme faisant partie d’une chronoséquence limnologique d’évolution du paysage à l’échelle de l’Holocène, à partir d’un fjord stratifié jusqu’à un lac d’eau douce en passant par un lac méromictique stratifié en permanence. Les facteurs de changements des environnements sont ensuite explorés en observant leur réponse aux changements climatiques récents. Puis, une étude de l’écologie microbienne de ces lacs et de ces fjords est présentée, insistant sur la dominance des picocyanobactéries dans leurs eaux de surface, en contraste avec les eaux de l’Océan Arctique, d’où sont issus ces milieux aquatiques. Une analyse moléculaire de la diversité génétique des cyanobactéries a été également effectuée et celle-ci met en valeur les grandes tolérances des cyanobactéries. Enfin, les communautés de zooplancton présentes dans ces environnements sont étudiées, afin d’élargir le portrait de ces environnements, et d’établir un point de base pour les études futures des transformations causées par les changements climatiques. Cette région du globe est très sensible aux changements climatiques, et les propriétés de ces écosystèmes tels que décrits ici sont un point de départ pour l’évaluation des changements futurs. / The lakes and fjords of northern Ellesmere Island, Nunavut, harbor unique ice-dependant ecosystems. Some of these “cryo-ecosystems” are permanently stratified, with a freshwater layer overlying sea water. This extreme stratification is due in part to the limitation of wind-derived mixing because of the presence of a perennial ice-cover. The main objective of the work presented here was to evaluate the limnological and biological diversity of coastal lakes of northern Ellesmere Island in order to better understand their response to environmental change at two timescales: their long term variations over the Holocene and their recent responses to climate over the last few decades. The environments were shown to form a limnological chronosequence that reflected landscape evolution at the Holocene timescale, from stratified fjords to freshwater lakes, via phases in which the water bodies were stratified, meromictic lakes with different degrees of wind-induced mixing depending on the duration of ice cover, from perennial to seasonally open water conditions under warmer climates. Each of these phases is represented today in northern Nunavut. The sensitivity of these stratified ecosystems to environmental change at shorter timescales was then explored, by observing the limnological impacts of current climate change in the Ellesmere Island region. As a first step towards addressing the question of biodiversity and microbial community structure in these ecosystems, a molecular ecology analysis of the lake and fjord biota was made, and underscored the dominance of picocyanobacteria in their surface waters, in contrast with the low abundance of these microbes in the Arctic Ocean, from which those aquatic environments originate. The DNA analysis of the picocyanobacteria implied broad tolerances among these organisms, with the same genetic groups found in a great variety of environments, both on a local and a planetary scale. Finally, a study was undertaken of the zooplankton communities in a lake and fjord of northern Ellesmere Island to develop a broader portrait of these unique ecosystems, and to establish a baseline for future studies of the ongoing impacts of climate changes. This region of the globe is highly sensitive to climate change, and the properties of these ecosystems as discovered and described here are likely to undergo great transformations in the years to come.

Les conséquences de l’hybridation dans les processus évolutifs demeurent, en grande partie, inexplorées chez les animaux. Sachant qu’il y a hybridation entre les anguilles américaines (Anguilla rostrata) et européennes (A. anguilla), l’objectif de cette étude était de documenter la dynamique de l'hybridation afin de mieux comprendre son importance évolutive pour les deux espèces. Les génotypes AFLP de 1127 anguilles furent utilisés afin d’identifier les individus hybrides et évaluer la dynamique de l’hybridation. Les résultats démontrent que i) une proportion importante (15.5%) des anguilles islandaises sont hybrides, ii) les hybrides de première génération sont fertiles et se reproduisent, iii) en Islande, la proportion d’hybride est plus importante dans le stade de vie anguille jaune et iv) la distribution des hybrides est quasi-exclusive à l’Islande où leur proportion augmente avec la latitude. Ainsi, les résultats démontrent que l'hybridation peut influencer les processus évolutifs chez les animaux et qu’elle devrait être considérée plus formellement. / Since only few studies have evaluated fitness beyond the first hybrid generation, the evolutionary processes as well as the potential outcome of natural hybridization remain largely unexplored in animals. Knowing that hybridization occurs between American and European eels (Anguilla rostrata and A. anguilla), this study aimed at documenting the dynamics of natural hybridization in order to better understand its potential evolutionary impact for the two species. AFLP genotypes of 1127 eels were used to identify hybrid individuals and evaluate dynamics of hybridization. Results provide evidence for i) an overall hybrid proportion of 15.5% in Iceland, ii) the occurrence of viable later generation hybrids, iii) a higher proportion of hybrids in the yellow eel samples, and iv) quasiexclusive distribution of hybrids in Iceland where they tend to increase in proportion with latitude. This study thus demonstrates that natural hybridization can have an influence on evolutionary processes in animals and should be considered more formally.

Lors de l’accouplement, les mâles lépidoptères transfèrent deux types de spermatozoïdes, les eupyrènes et les apyrènes. Dans les heures qui suivent, les femelles des papillons de nuit cessent généralement de produire la phéromone sexuelle. Ceci suggère que l’inhibition de la production de la phéromone, un état physiologique nommé phéromonostasie, est régulé, du moins en partie, par la migration temporelle des spermatozoïdes à l’intérieur du système reproducteur de la femelle. L’objectif principal de cette thèse visait à déterminer l’importance relative des deux types de spermatozoïdes dans la phéromonostasie en examinant leur migration dans les différentes parties du système reproducteur de la femelle dans les jours suivant l’accouplement. L’impact d’un, deux ou trois accouplements du mâle a aussi été examiné sur le nombre de spermatozoïdes transférés à la femelle, sur la migration subséquente des deux types de spermatozoïdes ainsi que sur la fécondité et la fertilité des femelles inséminées. L’ensemble des résultats montrent qu’il est peu probable que les spermatozoïdes soient directement responsables de la phéromonostasie à court et à long terme chez Choristoneura fumiferana et C. rosaceana. / At mating lepidopteran male transfer two types of spermatozoa: the eupyrene and apyrene sperm. In the hours that follow, female moths usually stop producing sex pheromone (pheromonostasis). It has been suggested that the temporal migration of the spermatozoa within the female reproductive system may play a role in this physiological process. The general objective of this thesis was to determine the relative importance of the two sperm types in pheromonostasis by examining their migration in the days following mating. We also examined the impact of multiple mating by males on the number of spermatozoa transferred to the female, the subsequent migration of the spermatozoa in the female reproductive tract, as well as the females’ fecundity and fertility. Overall, the results suggest that the spermatozoa play a minor role, if any, in the short and long term pheromonostasis of Choristoneura fumiferana and C. rosaceana.

La diversité génétique participe au potentiel évolutif des populations et des espèces. Sa conservation est un enjeu majeur dans la sauvegarde de la biodiversité. La diversité génétique peut aussi être importante pour l'individu. Cependant, il est souvent considéré que le niveau d'hétérozygotie a peu d'impact sur la fitness individuelle en nature. Toutefois, la relation entre l'hétérozygotie et la fitness a généralement été mesurée au niveau global (tout le génome), une approche potentiellement inadéquate. L'analyse de la relation hétérozygotie-fitness, à 30 marqueurs microsatellites et cinq indicateurs de fitness, dans une population sauvage d'épinoches à trois épines, révèle que des effets locaux de l'hétérozygotie importants et consistants ne se traduisent pas nécessairement en un effet global important, puisque l'effet à chaque marqueur génétique peut être opposé ou absent. Cette étude démontre l'importance de considérer les effets locaux de l'hétérozygotie pour obtenir une évaluation correcte de son impact dans les populations peu consanguines.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2005-2006 / Le but principal de ce projet consistait à mesurer les effets de la diminution de la qualité de l’alimentation d’hiver sur la sélection et la prise alimentaire, le budget d’activité, la survie et la détérioration de la condition corporelle du cerf de Virginie de l’île d’Anticosti. Nous avons suivi la perte de masse de faons au cours de l’hiver et évalué leur condition corporelle à l’aide de métabolites urinaires. Bien que nous ayons montré qu’une diète plus riche en épinette blanche (diète expérimentale) que celle observée présentement en nature (diète témoin) était plus riche en produits secondaires et plus fibreuse, ceci n’a pas influencé de façon marquée le budget d’activité, la perte de masse, le catabolisme des protéines musculaires, tel que mesuré par les métabolites urinaires, et la survie des faons. Cependant, les faons de la diète témoin ont diminué leur prise alimentaire pendant l’hiver contrairement aux faons de la diète expérimentale qui l’ont maintenue constante et plus élevée que les faons de la diète témoin. La masse corporelle au début de l’hiver s’est avérée le facteur déterminant pour la survie des cerfs. / The main goal of this project was to evaluate the effects of the deterioration of winter diet quality on the food preference and intake, time budget, body mass loss, muscle protein catabolism and survival of white-tailed deer fawns on Anticosti Island. We evaluated body condition with the monitoring of body mass and snow-urine analyses throughout winter. Although a diet richer in white spruce than that presently observed in nature contains more fibre and secondary plant compounds, this diet did not influence the activity budget, body mass loss, catabolism of body protein, measured with urine analyses, and survival of white-tailed deer fawns. However, fawns on a natural control diet decreased their forage intake over winter, while those on a poorer diet maintained a constant intake at a higher level than those on the control diet. Body mass at the onset of winter was critical for the winter survival of deer on Anticosti.

Cette thèse doctorale est la première étude systématique d'une classe d’écosystèmes extrêmes nouvellement découverts dans l'environnement arctique : les communautés de tapis microbiens et leurs habitats sur les plates-formes de glace nordiques. L'objectif principal était d’examiner la structure et la dynamique de ces cryo-écosystèmes à plusieurs échelles et d'étudier l'interaction entre les aspects physiques et biologiques sur les cinq plates-formes de glace principales trouvées dans le Haut Arctique canadien. Cette étude comprend une large gamme de méthodologies, soit : l’énumération microscopique des algues ; la quantification des pigments avec la chromatographie liquide de haute performance ; les mesures automatisées de salinité, d'éclairement et de température ; des survols en hélicoptère accompagnés de prise d’échantillons ; et l’analyse d’images de télédétection. La limnologie chimique et physique des cryo-habitats à travers cet écosystème est hétérogène et une communauté diversifiée de phototrophes a été retrouvée dans les tapis microbiens. La fragmentation de l’habitat a eu peu d'effet sur la biodiversité du cryo-écosystème. Cependant, des gradients environnementaux ont été associés à la structure de la communauté des tapis microbiens. L'hypothèse stipulant que les organismes des tapis microbiens des plates-formes de glace subsistent dans des conditions sub-optimales a été évaluée en examinant des réponses métaboliques aux changements de salinité, d’éclairement et de température. Les micro-organismes hétérotrophes se sont avérés spécialisés aux conditions extrêmes répandues sur la glace, tandis que les micro-organismes photosynthétiques ont toléré une plus large gamme de conditions, suggérant ainsi qu’ils étaient des extrêmotrophes (terme défini dans cette étude comme la tolérance des microbes aux conditions locales mais possédant une croissance in situ en dehors de leurs optimums physiologiques) plutôt que des extrêmophiles (la spécialisation aux conditions locales, avec une croissance in situ près des limites physiologiques). Un assemblage de pigments accessoires et photoprotecteurs a été associé à la communauté autotrophe, ce qui peut expliquer la gamme de tolérance plus large des extrêmotrophes. Le rapport entre la couverture du tapis microbien et la perte de masse de la surface de la plate-forme de glace a été examiné. Une concentration élevée de sels nutritifs dans les tapis microbiens a indiqué que ce micro-environnement différait considérablement de l'écosystème entier. Ces résultats soulignent l'importance du couplage biotique-physique sur la plate-forme de glace autant que dans le reste de la cryosphère. Pendant la période d'étude, un événement de détachement d’une partie de la plate-forme de glace Ward Hunt ainsi que le drainage d'un lac épiplate-forme (eau douce barrée par la glace flottant sur l’océan) ont été observé. Une analyse supplémentaire a suggéré que le réchauffement du climat ait contribué à cet événement, ce qui souligne la vulnérabilité des habitats dépendants des plates-formes de glace et de leur valeur comme indicateurs des changements climatiques. Ces cryo-écosystèmes fournissent également de nouvelles connaissances reliées à la vie microbienne dans les milieux polaires extrêmes, ouvrant de nouvelles avenues sur la survie, la croissance et l'évolution pendant les périodes glaciaires du passé, y compris l'ère précambrienne. / This doctoral thesis is the first systematic study of a newly discovered class of extreme ecosystems in the arctic environment: microbial mat communities and their habitats on northern ice shelves. The overarching objective was to examine the structure and dynamics of these cryo-ecosystems at several scales and to examine the interaction between physical and biological aspects on the five major ice shelves found in the Canadian High Arctic. This study made use of a broad range of methods including: microscopic enumeration of algal taxa; quantification of pigments with high performance liquid chromatography; automated over-winter measurements of salinity, irradiance and temperature; helicopter-assisted surveys and sampling; and analysis of satellite imagery. The chemical and physical limnology of the cryo-habitats across this entire ecosystem was found to be heterogeneous and a diverse community of phototrophic microorganisms was found within the microbial mats. Habitat fragmentation was shown to have little effect on the biodiversity of the cryo-ecosystem, however environmental gradients were significantly associated with microbial mat community structure. The hypothesis that ice shelf microbial mat organisms subsist in sub-optimal conditions was tested by examining metabolic responses to changes in salinity, irradiance and temperature. Heterotrophic microbiota were found to be optimized for the extreme conditions prevalent on the ice shelf, whereas photosynthetic micro-organisms tolerated a broader range, suggesting they were extremotrophic (defined by this study as tolerance by microbiota to local conditions but with in situ growth well outside their physiological optima) rather than extremophilic (a more narrow specialization to local conditions, with in situ growth close to physiological maxima). An assemblage of sunscreening and accessory pigments was associated with the autotrophic community, which may account for the extended tolerance range of the extremotrophs. The relationship between microbial mat cover and the surface ablation of the ice shelf was examined and a high concentration of nutrients within the microbial mats indicated that this microenvironment differed greatly from the properties of the bulk ecosystem. These results underscore the importance of biotic-physical coupling on the ice shelf, and in the cryosphere in general. A break-up event on the Ward Hunt Ice Shelf and the drainage of an epishelf lake (ice-dammed freshwater overlying seawater) was discovered during the study period. Further analysis suggested that climate warming contributed to this event, which highlights the vulnerability of ice shelf dependent habitats and their value as indicators of climate change. These cryo-ecosystems also provide new insights into microbial life under extreme polar conditions, with implications for survival, growth and evolution during glacial periods in the past, including the Precambrian Era.