Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2018-2019 / Dans l’Arctique canadien, la pression des changements climatiques s’accroît, alors que le développement anthropique et les impacts qui en découlent sont de plus en plus importants. Toutefois, nos connaissances sur l’assemblage des poissons demeurent limitées. En assurant le transfert d’énergie entre le zooplancton et les prédateurs supérieurs arctiques, certaines espèces de poissons jouent un rôle clé dans l’équilibre de cet écosystème marin. L’objectif principal de cette thèse doctorale est de documenter les variations spatio-temporelles du recrutement de la morue arctique Boreogadus saida dans l’Arctique canadien ainsi que les facteurs environnementaux et biologiques influençant celles-ci. Basé sur des valeurs d’abondance et biomasse de poissons estimées à partir de données acoustiques validées par des filets et chaluts entre 2005 et 2017, j’étudie: (1) les impacts d’une débâcle des glaces plus hâtive et de températures de surface de la mer plus chaudes sur la survie et le recrutement des jeunes stades de morue arctique dans différentes régions de l’Arctique canadien; (2) le rôle de la productivité de l’écosystème dans le recrutement de la morue arctique et les différences de productivité à travers trois provinces océanographiques de l’Arctique canadien; et (3) la codistribution de la morue arctique et de ses prédateurs aviaires à travers la zone marginale de glace de la mer de Baffin. Une débâcle des glaces hâtive dans l’Arctique canadien entraine des températures printanières et estivales plus chaudes, une floraison hâtive de phytoplancton ainsi qu’une productivité de l’écosystème supérieure durant l’été. Une débâcle hâtive augmente également la biomasse de juvéniles de morue arctique à la fin de l’été en permettant la survie des larves écloses durant l’hiver et le printemps. À la lumière des résultats, il apparait que deux facteurs permettent aux jeunes morues arctiques de l’année de bénéficier d’une fonte des glaces hâtive, du moins jusqu’à présent; soit des températures plus chaudes et, surtout, une ressource alimentaire plus abondante. Durant la période d’étude, la productivité de l’écosystème était similaire dans le sud de la mer de Beaufort et dans le complexe polynique Eaux du Nord/détroit de Lancaster, toutefois la biomasse de juvéniles de morues arctique était supérieure dans la mer de Beaufort. Une prédation aviaire intense pourrait expliquer la biomasse de juvéniles de morue arctique plus faible dans le complexe polynique, confirmant sa réputation comme point chaud biologique pour le transfert d’énergie vers les niveaux trophiques supérieurs. Néanmoins, aucune association spatiale claire n’a été trouvée entre la distribution de la morue arctique et celle de ses prédateurs aviaires à travers la zone marginale de glace de la mer de Baffin, ce qui pourrait être expliqué par une absence de formation de bancs de poissons chez la morue et une stratégie efficace de celle-ci pour éviter la prédation en se cachant sous la glace. Les résultats de cette thèse mettent en évidence la sensibilité de la morue arctique face à son environnement en changement et sa capacité à l’exploiter au maximum à court terme. / In the Canadian Arctic, climate change pressure is increasing, while anthropogenic activities and the resulting human impacts on the ecosystem are intensifying. However, fish communities remain poorly documented despite their pivotal role in the ecosystem equilibrium in transferring the energy from zooplankton to top arctic predators. The main objective of this PhD thesis is to document spatial and temporal variations in polar cod Boreogadus saida recruitment in the Canadian Arctic, and the environmental and biological factors influencing these variations. Based on fish abundance and biomass estimated with hydroacoustic data validated by nets and trawls from 2005 to 2017, I investigate: (1) the impacts of an earlier ice breakup and warmer sea surface temperatures (SST) on the survival and recruitment of age-0 polar cod in different regions of the Canadian Arctic; (2) the role of ecosystem productivity in age-0 polar cod recruitment and differences in productivity across three oceanographic provinces of the Canadian Arctic; and (3) the co-distribution of polar cod and its seabird predators across the marginal ice zone in Baffin Bay. Earlier ice breakup in the Canadian Arctic resulted in warmer SST in spring-summer, earlier phytoplankton bloom and higher ecosystem productivity in summer. Early ice breakup also increased juvenile polar cod biomass at the end of summer by allowing the survival of larvae hatched in winter and spring. In light of these results, it seems that both warm temperatures and, mostly, abundant food resource allow age-0 individuals to benefit from an earlier ice breakup, at least for the time being. During the period of the study, ecosystem productivity was similar in the southern Beaufort Sea and the North Water/Lancaster Sound polynya complex, but juvenile polar cod biomass was higher in the Beaufort Sea. Intense avian predation could explain the lower biomass of juvenile cod in the polynya complex, confirming its reputation as a biological hotspot for the transfer of energy to higher trophic levels. Nevertheless, no strong spatial match was found between the distribution of polar cod and that of its avian predators across the marginal ice zone in Baffin Bay, which could be explained by a lack of schooling behavior in polar cod and a successful strategy to avoid predation by hiding under the ice. The results of this thesis highlight the sensitivity of polar cod to its changing environment and its ability to exploit it to the fullest in the short term.

La connectivité des populations marines est un élément majeur de la démographie des métapopulations, car elle constitue le lien entre les sous-populations. Chez les invertébrés marins ayant un cycle vital bentho-pélagique, la connectivité se produit au cours de la dissémination larvaire, laquelle est principalement dirigée par les courants marins. L’objectif principal de cette étude est de mettre en évidence la variabilité de la connectivité dans les métapopulations marines, et particulièrement pour les populations de Mytilus spp. dans l’estuaire maritime du Saint-Laurent. L’objectif secondaire consiste à analyser les variations spatiotemporelles de la colonisation et du recrutement dans ce système, car ils représentent des processus essentiels de la connectivité. (1) Les différentes méthodes pour mesurer la connectivité et sa variabilité sont exposées, ainsi que leur applicabilité dans différents systèmes. Après avoir décrit les principaux facteurs influençant la connectivité, les éléments moteurs d’une telle variabilité et leurs implications pour les métapopulations marines et la gestion de la biodiversité sont discutés. (2) Par ailleurs, des études sur le terrain ont été effectuées et ont révélé une variabilité saisonnière et interannuelle de la colonisation de Mytilus spp. dans l’écosystème boréal du Saint-Laurent. Ces observations ont montré que la colonisation, faisant suite à la phase initiale de dissémination larvaire (c.-à-d. large échelle spatiale), se déroule sur une ou deux courtes périodes (de 1 à 2 semaines) au cours de la saison de reproduction. De plus, une phase de colonisation secondaire effectuée par des stades post-métamorphiques (juvéniles) a été démontrée tout au long de la saison de reproduction. Cette phase constitue une part importante de l’ensemble de la colonisation observée, particulièrement dans les semaines suivant les évènements de recrutement primaire larvaire et les périodes de tempête. (3) Finalement, une méthode géostatistique, basée sur la relation entre la biomasse d’adultes et le recrutement dans les différentes sous-populations, a permis de mettre en évidence un couplage démographique homogène à une distance de 12-24 km au cours des cinq années d’études, dans la direction du courant dominant. Dans l’ensemble, cette étude confirme de manière empirique l’importance des fluctuations de la biomasse d’adultes, de la colonisation et du recrutement pour déterminer la variabilité de la connectivité des métapopulations marines et supporte ainsi les études théoriques considérant ces fluctuations. / Connectivity of marine populations represents a key element of metapopulation demography, as it links local populations. For marine invertebrates with a bentho-pelagic life cycle, connectivity occurs during the dispersive larval stage, which is primarily driven by marine currents. The main objective of this study was to show the variability of connectivity within marine metapopulations, especially for Mytilus spp. populations in the St. Lawrence maritime estuary. The secondary objective was to further analyse the spatiotemporal variations of settlement and recruitment in this system, since these processes are essential for connectivity. (1) Different methods to assess the variability of connectivity are described, as well as their applicability to different systems. Following a description of the main factors influencing connectivity, the drivers of variability and their implications for marine metapopulations and biodiversity management are discussed. (2) In addition, field studies were conducted and revealed seasonal and inter-annual variability of Mytilus spp. settlement in the boreal St. Lawrence marine ecosystem. These observations showed that settlement, following the initial larval dispersal phase (i.e. large spatial scale), occurred during one or two short periods of time (1 to 2 weeks) during the reproductive season. Moreover, there was also evidence for a secondary post-metamorphic settlement phase (juneniles) that extended over the entire reproductive season and represented a major part of the total settlement, particularly during weeks following primary larval settlement events and storms. (3) Finally, a geostatistic method, based on the relationship between adult biomass and recruitment in different local populations, identified homogeneous demographic coupling at scales from 12-24 km over a five year study, in the direction of the main current. Overall, this study empirically confirms the importance of variations in adult biomass, settlement, and recruitment in determining the variability of connectivity in marine metapopulations and supports theoretical studies considering such fluctuations.