Thesis (Ph. D.)--College of William and Mary. / Vita. Includes bibliographical references.

L’aire de distribution des espèces est conditionnée à la fois par des facteurs biotiques et abiotiques et ses frontières dépendent généralement des limites physiologiques de l’espèce. Ainsi, en bordure d’aire de répartition, les populations se caractérisent par une diversité génétique moindre ainsi qu’une forte différentiation génétique et leur existence dépend d’un équilibre fragile entre événements de colonisation et d’extinction.Depuis les années 1970, l’augmentation et l’accélération des pressions anthropiques exercées sur les écosystèmes bouleversent ces équilibres et des modifications de l’aire de répartition sont observées chez certaines espèces dont le bivalve Macoma balthica, espèce clé des écosystèmes littoraux en Europe, dont la limite sud de répartition s’est décalée vers le nord-est au cours des quarante dernières années.Afin d’évaluer les capacités adaptatives de M. balthica et dans un but de conservation, deux approches complémentaires ont été menées dans des environnements contrastés qui ont permis de mettre en évidence des signes d’adaptation locale.D’une part, l’étude du génome neutre à l’aide des outils méthodologiques et concepts de la génétique des populations a permis d’inférer l’histoire démographique de l’espèce avec une attention particulière portée sur une baie en limite d’aire de répartition (Baie de Marennes Oléron, France) et sur une baie soumise à de fortes pressions physico-chimiques (Baie de Gdansk, Pologne). Nous avons mis en évidence notamment :(i) un polymorphisme significatif dans les populations en limite d’aire en opposition avec les attendus théoriques(ii) des ruptures au flux de gènes dans le golfe de Gascogne soumis au réchauffement des eaux de surface mais aussi le long d’un gradient environnemental dans la baie de Gdansk. D’autre part, l’étude moléculaire de la sélection a été menée par la méthode de pyroséquençage sur le transcriptome d’individus prélevés en milieux contrastés. Cette étude a permis de mettre en évidence des tendances d’expression différentielle de gènes de réponse générale au stress selon le milieu considéré. / Species distribution is conditioned by biotic and abiotic factors and its borders depend generally on physiological limits of species. At the edge of their distribution, populations are characterized by a less genetic diversity as well as a strong genetic differentiation and their existence depends on a fragile balance between colonization and extinction.Since the 1970s, the increase and the acceleration of the anthropological pressures exercised on ecosystems upset this balance. As a consequence, modifications of many species distributions are observed. As an example, the south end of the distribution of the bivalve Macoma balthica, a key species of the european littoral ecosystems has moved towards the northeast during the last forty years.In order to conserve this species, we need to estimate the adaptive capacities of M. balthica. Two complementary approaches were undertaken in contrasting environments. The neutral genome was studied using population genetics methods to the demographic history of the species with a particular attention at the edge of its distribution (Bay of Marennes Oléron, France) and in a bay subjected to strong physico-chemical pressures (Bay of Gdansk, Poland). We brought to light in particular:1) A significant polymorphism in the populations at the edge of the distribution in contrast to theoretical predictions.2) A geneflow rupture correlated with high sea surface temperature (in the Bay of Biscay) and also along an environmental gradient ( derived from multiple parameters) in the bay of Gdansk.The molecular study of natural selection was conducted by the method of pyroséquençage using transcriptome from individuals at specific locations. This study allowed us to bring to light tendencies of differential gene expression implicated in the general response to stress.

In order to improve the knowledge about polluted areas in Sweden, Naturvårdsverket has compiled a list of all establishments and other anthropological activities, so called MIFOobjects, which emit harmful chemicals. Those activities which are placed on land might, depending on factors such as closeness to the sea, water solubility, degradability and toxicity of the chemicals have an impact on the biota in the Baltic Sea. In this study, spatial and statistical methods were used to explore potential relations between the abundance of three indicator organisms (Macoma balthica, Marenzelleria and Monoporeia affinis), closeness and a second variable built risk class of MIFO-objects and local environmental factors (e.g., sea depth, salinity) at the coast of Blekinge. The impact of MIFO-objects on the abundance of the indicator organisms was analyzed with both graphical and numerical multivariate analysis methods such as spearman analysis, principal component analysis and canonical component analysis. Four types of variables were created to enable the analysis. The first two variables were based one distance from emission locations to the study sites. The other pair of variables comprised on variable built on the cumulative risk assessment of the MIFO-objects given by Naturvårdsverket and another that was based on a classification of the emitted pollutants according to their chemical toxicity. The analysis showed that the abundance of Marenzelleria was positively correlated with MIFO-objects both in terms of risk assessment and chemical toxicity. This was probably a result of the fact that Marenzelleria is less sensitive to pollutants and therefore more competitive than other species in its habitat. Since the abundance of Macoma balthica covaried a lot with environmental factors such as salinity it was difficult to distinguish the impact of MIFO-object on the mussel. The statistical base of the abundance of Monoporeia affinis was too small to make any conclusions about what is describing the abundance.

<p> Large high density populations, up to 3,000/m^2 of the bivalve Macoma balthica inhabit the muddy intertidal areas in the Bay of Fundy, Nova Scotia. The fecal pellets produced by Macoma b. are resistant to breakdown. Off Spencer's Point, the pellets are transported via small intertidal channels away from the shore onto a sand bar, at low tide. At high tide the channels act as traps for fecal pellets. The pellets breakdown over the sand bar at high tide, but a large proportion of the pellet remains in suspension as a mucous bound mud agglomerate. In an area of 2000 Macoma b./m^2, the rate of fecal pellet production is approximately 1 Kg dry wt/m^2/yr. </p> <p> The rate of pseudofecal production increases with water turbidity. The rate of sediment reprocessing is approximately 9 Kg dry wt. of sediment/m^2/yr., or a layer of wet sediment approximately 3.3 cm. deep. </p> <p> The Macoma b. in Cobequid Bay are largely deposit feeding. In areas of high population density and coarser sediment, this depletes the surface of sediment mud and fine sand. The influx of sediment necessary to sustain such a population is, in part, pseudofecal material from Macoma b. populations higher on the mud flats. </p> / Thesis / Bachelor of Arts (BA)

Les médicaments sont fréquement retrouvés dans les effluents de STEP relargués dans l’environnement aquatique. Dans le but de prévenir et de mieux comprendre les impacts des médicaments sur les écosystèmes aquatiques, il semble pertinent d’évaluer les perturbations comportementales, physiologiques et transcriptomiques des psychotropes sur les organismes aquatiques. Dans ce contexte, l’objectif de cette étude a été d’évaluer les perturbations induites par 4 psychotropes (oxazépam, carbamazépine, cyamémazine et sertraline) chez deux organismes, Radix balthica et Schmidtea polychroa. Pour ce faire, des embryons de Radix au stade trochophore et des planaires adultes ont été exposés à chaque psychotrope (du μg/L jusqu’à 100 μg/L). Il en ressort que les psychotropes allongent la durée du développement embryonnaire du Radix et perturbent le déplacement, la reproduction et la digestion, mais pas la régénération de la planaire. D’un point de vue transcriptomique, nous avons réalisé le séquençage du transcriptome en conditions différentielles chez le Radix. Ainsi, nous avons obtenu d’une part les séquences du transcriptome et d’autre part, après analyse en différentiel, 144 contigs différentiellement exprimés par l’oxazépam parmi lesquels 94 ont été vérifiés en RT-qPCR chez des Radix exposés à chaque psychotrope. Il ressort de cette analyse que les psychotropes impactent principalement la voie de signalisation Notch, mais aussi les voies de biosynthèse des polyamines et des catécholamines. Les psychotropes modulent aussi l’expression de gènes codant des protéines de la Matrice Extra Cellulaire (MEC), comme la Matriline ou encore la Dentine sialophosphoprotéine. Chez la planaire, nous avons analysé l’expression de 87 gènes impliqués dans différentes fonctions. Il ressort de cette étude que les 4 psychotropes modulent l’expression de nombreux gènes impliqués dans la mobilité ciliaire et musculaire et dans les systèmes nerveux, reproducteur, excréteur et digestif. / Pharmaceuticals are often found in WWTP effluents realesed in surface water. In order to prevent and to understand the pharmaceuticals impact on aquatic ecosystems, it seems relevant to evaluate behavioural, physiological and transcriptomic disturbances of psychotropics on freshwater organisms. The aim of this study was thus to analyse disturbances of 4 psychotropics (oxazepam, carbamazepine, cyamemazine and sertraline) on 2 freshwater organisms, Radix balthica and Schmidtea polychroa. In our experiments, both Radix embryos at the trochophore stage and mature planarian were exposed to each psychotropic (from 1 to 100 μg/L). This psychotropic exposure results in an increase of the duration of Radix embryonic development and a disturbance of the mobility, the reproduction and the digestion but not the regeneration of planarian. Regarding the transcriptomic impact, we performed RNA sequencing in differential conditions of Radix embryos exposed or not to oxazepam. On one hand, this analysis allowed us to obtain the transcriptome sequences and, on the other hand, 144 contigs differentially expressed among which 94 genes were verified by RT-qPCR. The results showed that psychotropics impact mainly the Notch signalling pathways, but also the biosynthetic pathways of polyamines and catecholamines. Psychotropics also disturb the gene expression encoding some Extra Cellular Matrix (ECM) protein such as Matrilin and Dentin sialophosphoprotein. Regarding the molecular study of the psychotropics impact on planarian, we analysed the expression of 87 genes involved in different functions. The results showed that the 4 psychotropics modulate expression of genes involved in ciliary and muscular motility and in the nervous, reproductive and excretory systems. Genes from the digestive system are also impacted by the psychotropics. All the observed impacts on the 2 organisms suggest a possible disturbance on the population fitness and therefore on the freshwater ecosystems.

Stable isotope analysis (SIA) is a valuable tool in ecotoxicology because δ13C and δ15N may provide insights into the trophic transfer of contaminants in a food web. The relationship between a species’ trophic position (TP, determined from δ15N) and internal concentration of biomagnifying contaminants can be established and used for regulatory purposes. However, the exposure of organisms to xenobiotics incurs physiological costs, and the stable isotope signature of a consumer reflects not only diet but also a physiological state. The latter raises questions regarding the interpretation of stable isotope signatures in contaminated areas. Therefore, the aim of this Thesis was to evaluate the behaviour of consumers’ stable isotope signatures in stressed systems, with a primary focus on the effects of environmental contaminants. In paper I, the physiological costs of chemical exposure were found to alter incorporation rates of dietary nitrogen and carbon in a consumer by influencing both growth and metabolic turnover, with resulting changes in isotope signatures relative to a control system. In paper II, the diet-consumer discrimination factors for 15N and 13C were confirmed to increase under chemical exposure mediated via increased metabolic costs. However, the physiological response was low and translated into only minor shifts in the δ13C and δ15N. The predictability of exposure effects on the stable isotope signature was demonstrated in paper III, in which animals exposed to a chemical with a known mode of action presented expected effects on elemental composition, body size, biomarkers of oxidative stress and the stable isotope signatures. Moreover, consumers’ oxidative balance was found to be related to their δ15N values, thus providing evidence of the kinetic isotope effect on the oxidative status. However, despite the alterations in stable isotope signatures observed in laboratory settings (papers I-III), the effect of xenobiotics on the TP estimates was nil or minor in the field-collected animals. Moreover, the TP values were not significantly different between the animals in the contaminated and the reference habitats because of the high overall uncertainties in the TP estimates (paper IV). Also, the TP estimates based on δ15N in bulk material were more similar between the contaminated and the reference systems than TP estimates based on δ15N values in amino acids. Therefore, the latter method appears more sensitive towards xenobiotics (and, possibly, other environmental stressors) and thus less suitable for TP assessment in contaminated areas. This Thesis improved the overall understanding of the applicability of SIA in stressed systems by establishing relationships between various exposure regimes, physiological responses and the stable isotope signatures in consumers. In model species at low trophic levels, the exposure to xenobiotics was found to significantly affect δ13C and δ15N values, which can be expected whenever physiological responses are detected. However, because of the overall high uncertainty in TP estimates, no significant differences between contaminated and control systems were detected, although the estimated TP were consistently higher in the contaminated systems. Future research should focus on higher trophic levels, in which effects of a greater magnitude can be expected. Moreover, the effects in entire food webs should be addressed rather than single prey–consumer relationships as well as other environmental variables that may contribute to the stable isotope variability in and among systems under various environmental pressures. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 3: Manuscript. Paper 4: Manuscript.</p>

L'aire de distribution des espèces est conditionnée à la fois par des facteurs biotiques et abiotiques et ses frontières dépendent généralement des limites physiologiques de l'espèce. Ainsi, en bordure d'aire de répartition, les populations se caractérisent par une diversité génétique moindre ainsi qu'une forte différentiation génétique et leur existence dépend d'un équilibre fragile entre événements de colonisation et d'extinction.Depuis les années 1970, l'augmentation et l'accélération des pressions anthropiques exercées sur les écosystèmes bouleversent ces équilibres et des modifications de l'aire de répartition sont observées chez certaines espèces dont le bivalve Macoma balthica, espèce clé des écosystèmes littoraux en Europe, dont la limite sud de répartition s'est décalée vers le nord-est au cours des quarante dernières années.Afin d'évaluer les capacités adaptatives de M. balthica et dans un but de conservation, deux approches complémentaires ont été menées dans des environnements contrastés qui ont permis de mettre en évidence des signes d'adaptation locale.D'une part, l'étude du génome neutre à l'aide des outils méthodologiques et concepts de la génétique des populations a permis d'inférer l'histoire démographique de l'espèce avec une attention particulière portée sur une baie en limite d'aire de répartition (Baie de Marennes Oléron, France) et sur une baie soumise à de fortes pressions physico-chimiques (Baie de Gdansk, Pologne). Nous avons mis en évidence notamment :(i) un polymorphisme significatif dans les populations en limite d'aire en opposition avec les attendus théoriques(ii) des ruptures au flux de gènes dans le golfe de Gascogne soumis au réchauffement des eaux de surface mais aussi le long d'un gradient environnemental dans la baie de Gdansk. D'autre part, l'étude moléculaire de la sélection a été menée par la méthode de pyroséquençage sur le transcriptome d'individus prélevés en milieux contrastés. Cette étude a permis de mettre en évidence des tendances d'expression différentielle de gènes de réponse générale au stress selon le milieu considéré.

La Barge à queue noire Limosa limosa est un oiseau limicole communément rencontré tout au long de l’année sur le territoire Français. Les individus présents sur la partie ouest de l’Europe sont représentés par deux sous-espèces : la sous-espèce L. l. limosa, dite barge à queue noire « continentale », est principalement observée pendant les phases de migration et en très faibles effectifs reproducteurs sur les marais ouest Atlantique; la sous-espèce L. l. islandica, dite « islandaise », est quant à elle, exclusivement présente en hivernage le long des côtes atlantiques et de la Manche. L’étude menée au cours de ces travaux de thèse porte principalement sur la barge « islandaise » en dehors de la période de reproduction sur les sites d’hivernage le long de la façade atlantique Française. Contrairement à L. l. limosa, la population de L. l. islandica connaît sur l’ensemble de son aire de répartition, une expansion aussi bien en termes d’effectif qu’en nombre de sites fréquentés. La synthèse des effectifs nationaux hivernants montre que la population hivernante en France suit cette même tendance, avec une progression de 1350 à 27000 individus au cours des vingt dernières années. Actuellement, la France accueille environ 30 % de la population sur un nombre de sites grandissant mais néanmoins restreint, principalement représentés par les Réserves Naturelles littorales abritant des vasières intertidales utilisés comme zone d’alimentation. À partir de données biométriques, génétiques ou encore des historiques de vie des oiseaux équipés de bagues couleurs, les périodes de présence des deux populations sur le territoire Français ont pu être mis à jour. De plus, au sein de la sous-espèce islandaise, plusieurs durées d’hivernage en France ont été avancées, pouvant varier de 2 à 8 mois selon les individus. La phénologie des effectifs étudiée sur chacun des sites suggère une utilisation très variée des sites ainsi que de nombreux échanges entre ces sites au cours d’un même hiver. Couramment utilisée dans la compréhension de la distribution des populations d’oiseaux, la disponibilité de la ressource trophique a également été étudiée au regard du régime alimentaire de la Barge queue noire à partir d’échantillonnages de macrofaune, de collecte de fèces mais aussi d’analyses d’isotopes stables. Au cours de l’hiver, à l’échelle des Pertuis Charentais, les barges montrent deux régimes distincts mais néanmoins monospécifiques. Elles s’alimentent de rhizomes de zostères (Zostera noltii) sur les herbiers des vasières de l’Ile de Ré et de bivalves (Macoma balthica) sur les vasières nues. Au cours de l’hiver, il est supposé que la déplétion de ces ressources conduit à une redistribution des effectifs de barges sur de nouvelles zones d’alimentation voire de nouveaux reposoirs. Les deux régimes alimentaires sont majoritairement retrouvés à l’échelle de la distribution nationale des barges. Néanmoins, leurs distributions au sein des sites français dépend des caractéristiques sédimentaires, des interactions intra et interspécifiques, de la disponibilité de reposoirs de marée haute et des dérangements tels que la chasse. Ce travail a permis d’établir de solides connaissances et aboutit à la collecte de données détaillées et complémentaires qui vont permettre de tester les modèles théoriques de distribution spatiale des organismes à l’échelle d’une région de leur aire de distribution. / The Black-tailed godwit Limosa limosa is a shorebird species commonly observed in France throughout the year. Two sub-species are dissociated in West European. The so called “continental” Godwit L. l. limosa is observed in France during migration cycles and some pairs breed in marshes on the Atlantic coast; the so called “Icelandic” Godwit winters exclusively along coast of the Western Europe. This present work mainly investigates the wintering ecology of Icelandic–godwit in coastal mudflats of France. Contrarily to the continental sub-species, the whole Icelandic-godwit L. l. islandica population increased quantitatively as long as the number of sites used. In France, national counts pointed out that wintering population follows this trend and have increased from 1350 to 27000 individuals during the last twenty years. This population represents now around 30% of the whole islandica population but individuals stage in large flocks in a very limited number of sites, mainly included in Nature Reserves. From standard biometrics, molecular analyses and resighting data, phenologies of the both sub-species can then be specified for France. Furthermore, this study allowed to define how long the wintering period lasts in France for Icelandic-Godwits, between 2 and 8 months depending on individuals. Phenology at site scale suggested that godwits used several sites throughout the winter. As currently used for understanding the distribution of bird populations, trophic resource availability was studied in regard to the diet of the Black-tailed godwit from macrofauna sampling, droppings collection and stable isotope analyses. At the Pertuis Charentais scale, two feeding behaviors were clearly distinguished: seagrass grazing (Zostera notlii) or bivalve probing (Macoma balthica). Food depletion along the winter is expected to lead to the decrease of local populations, and to the selection of new feeding area or roost. Considering the distribution of the species at the national level, the diets were recorded depending on the mudflats’ characteristics. Even if food distribution is commonly used to understand at first the bird population distribution, our observations point out that, here at a local level, more parameters may influence the wintering distribution such as sediment characteristics, intra and inter-specific interactions, high tide roosts availability and human disturbances as the hunt. This work allowed to establish a solid knowledge and to collect many complementary data to test the distribution theories on the Black-tailed Godwit population wintering in France.

Temperature is a ubiquitous force influencing biological processes ranging from cellular responses to life span. The thermal environment for many organisms is predicted to change with globally increasing temperatures and studies conducted in natural systems incorporating various evolutionary forces, such as gene flow, is needed. In my thesis, I investigate how snails (Radix balthica) originating from distinct geothermal environments within Lake Mývatn in northern Iceland have adapted, both genetically and phenotypically, to the respective thermal regime. Locations were classified as either cold, warm or seasonal depending on the average and variance in temperature. A high resolution spatial distribution of genetic variation within Mývatn was obtained using both neutral and outlier AFLPs. In addition, the genetic profile enabled me identify warm origin snails irrespective of geographic location in Iceland. Warm environments were often more stressful than cold or seasonal environments but snails originating from a high temperature location benefited from increased performance elsewhere. Patterns of growth were identical in both common garden and reciprocal transplant experiment; warm origin snails grew faster than both cold and seasonal origin snails. This result is in concordance with quantitative genetics models of thermal adaptation but suggesting cogradient rather than countergradient variation. Although warm origin snails generally had superior performance, survival at cold temperatures (&lt; 12 °C) was reduced. All snails matured at similar size in the common garden experiment but cold origin snails were observed to mature later and lay fewer eggs. Also, snails had a common optimum for growth rate at 20 °C irrespective of thermal origin. This is arguably the reason why snails were observed to have a common thermal preference. Interestingly, warm origin snails had a reduced tolerance to high temperatures compared to cold and seasonal origin snails which did not differ in tolerance. Putatively, natural selection has reduced a putatively unnecessary trait (high temperature tolerance in a stable thermal environment) in favour of higher growth rate and performance in warm habitats. In conclusion, the price of high performance in a warm environment was paid in terms of reduced survival at low temperatures and a potential disadvantage of reduced genetic variability.