Genetic diversity is a fundamental attribute that contributes to a species evolutionary survival. In recent times, conservation managers have recognized the need to preserve genetic diversity of declining species, and have also acknowledged the utility of genetic markers for describing genetic and ecological relationships within and among populations. Information obtained from genetic studies can be used in conjunction with information on population demography, land use patterns and habitat distribution to develop effective management strategies for the conservation of species in decline. The wallum froglet, Crinia tinnula, is one of Australia's smallest habitat specialist anurans. In recent years there has been a dramatic decrease in population numbers of this species. The habitat to which C.tinnula is endemic ('wallum' habitat) is restricted to low coastal plains along the southeast Queensland and northern New South Wales coastline. As human populations in this region expanded, the coastal areas have undergone significant development and large areas of wallum habitat have been cleared. The effect has been to convert once largely continuous patches of coastal heathland in to a matrix of small habitat patches within an area undergoing rapid urban expansion. This study aimed to document levels and patterns of genetic diversity and to define the population structure of C.tinnula populations within southeast Queensland, with the objective of defining possible conservation management units for this species. Results from 12S and COI mitochondrial markers clearly showed that two distinct evolutionary lineages of C.tinnula are present within southeast Queensland. The high level of divergence between lineages and strict geographic partitioning suggests long term isolation of C.tinnula populations. It is hypothesized that ancestral C.tinnula populations were once confined to wallum habitat refugia during the Pliocene resulting in phylogeographic delineation of 'northern' and 'southern' C.tinnula clades. Populations within each geographic region show evidence of range contraction and expansion, with subsequent restricted gene flow. Levels of genetic diversity appear, largely, to be the product of historical associations rather than contemporary gene flow. A revision of the current systematics of C.tinnula is required to ensure that discrete population groups are recognized as distinct evolutionary lineages and will therefore be protected accordingly.

Ce travail de thèse s'est intéressé aux effets de l'uranium appauvri (U) sur le poisson zèbre, Danio rerio. L'hypothèse de travail majeure est que les effets de l'U peuvent se traduire par des modifications du métabolisme. Par conséquent nous avons caractérisé la performance physiologique par le biais de la théorie des bilans d'énergie dynamique (DEB) car c'est la seule théorie qui quantifie simultanément l'ingestion, l'assimilation, la croissance, la reproduction, la maturation, la maintenance et le vieillisse¬ment au cours du cycle de vie entier à des niveaux de nourriture variable. Un modèle DEB a ainsi été construit et a permis de quantifier et de prédire la manière dont la performance physiologique du poisson zèbre dépend de son niveau de nutrition (et de la température). Nous avons montré que le développement s'accélère après la naissance jusqu'à la métamorphose où l'accélération cesse. De plus les coûts de maintenance somatique sont très élevés.Un module spécifiant la toxico-cinétique de l'U, chez un individu qui se nourrit, croit et se reproduit, a été incorporé dans le modèle DEB. Le modèle a été appliqué aux données de toxicité (publiés et acquis pendant la thèse) afin de découvrir quel processus est affecté par l'U. Les résultats montrent qu'à partir de 0 nM, l'U augmenterait les coûts de croissance et diminuerait l'assimilation et/ou augmenterait le coût de la maintenance somatique. Nous n'avons pas pu détecter d'effets notables sur la maturation. Une étude histologique révèle que l'U altère l'intégrité de la paroi intestinale et pourrait perturber l'homéostasie des interactions hôte-bactéries. / The aim of this dissertation is to characterize the toxicity of depleted uranium (U) on the metabolism of zebrafish, Danio rerio. The underlying hypothesis of this work is that effects of U show up as effects on the metabolism of the individual. Consequently, we characterized physiological performance using Dynamic Energy Budget (DEB) theory since it is the only theory which simultaneously specifies ingestion, assimilation, growth, reproduction, maturation, maintenance and ageing over the whole life-cycle at varying food availability. Thus a DEB model was built which quantifies and predicts how the physiological performance of zebrafish relates to food level (and temperature). We showed that development accelerates after birth until metamorphosis after which acceleration ceases. Furthermore, somatic maintenance costs are very high.A module specifying toxico-kinetics of U in a feeding, growing and reproducing individual was incorporated into the DEB model. The model was then applied to toxicity data (from the literature or acquired during this thesis) in order to determine which processes are affected by U. Our results show that, from 0 nM onwards, U increases costs for growth and either increases somatic maintenance or decreases assimilation. We were unable to detect effects on maturation. A histological study showed that U alters histology of the gut wall and may perturb host-microbe homeostasis. By accounting for differences in initial conditions between individuals we were able to explain a number of seemingly contradictory results. The take home message is: observations on individuals should not be averaged for groups of individuals.

Elucidation of mechanisms that generate and maintain population-level phenotypic variability provides insight into processes that influence within-species genetic divergence. Historically, color pattern polymorphisms were used to infer population-level genetic variability, but recent approaches directly capture genetic variability using molecular markers. Here, I clarify the relationship between genetic variability and color pattern polymorphism within and among populations using the Australian common froglet, Crinia signifera. To illustrate genetic variability in C. signifera, I used phylogenetic analysis of mitochondrial DNA and uncovered three ancient geographically restricted lineages whose distributions are consistent with other southeastern Australian species. Additional phylogeographic structure was identified within the three ancient lineages and was consistent with geographic variation in male advertisement calls. Natural selection imposed by predators has been hypothesized to act on black-and-white ventral polymorphisms in C. signifera, specifically through mimicry of another Australian frog, Pseudophryne. I used clay replicas of C. signifera to test whether predators avoid black-and-white coloration. In fact, black-and-white replicas were preferentially avoided by predators in some habitats, but not in others, indicating that differential selection among habitats plays a role in maintaining color pattern polymorphism. When black-and-white color patterns in a sample of C. signifera populations were compared with those in sympatric Pseudophryne, several color pattern characteristics were correlated between the species. Furthermore, where C. signifera and Pseudophryne are sympatric, color patterns are more similar compared to those in allopatry. Extensive phylogenetic variability suggests that phylogenetic history and genetic drift may also influence C. signifera color pattern. Fine-scale phylogenetic analysis uncovered additional genetic diversity within lineages and low levels of introgression among previously identified clades. Measures of color pattern displayed low levels of phylogenetic signal, indicating that relationships among individuals only slightly influence color patterns. Finally, simulations of trait evolution under Brownian motion illustrated that the phylogeny alone cannot generate the pattern of variation observed in C. signifera color pattern. Therefore, this indicates a minimal role for genetic drift, but instead supports either the role of stabilizing selection due to mimicry, or diversifying selection due to habitat differences, in color pattern variation in C. signifera. / text

L'objectif de ces travaux de thèse était de caractériser la toxicité de l'uranium sur le métabolisme du poisson zèbre, Danio rerio. Puisque les effets de l'uranium se traduisent par des modifications de la performance du métabolisme, la question suivante se pose: que savons-nous du métabolisme du poisson zèbre témoin? Très peu de chose. En effet, nos connaissances à ce sujet sont assez limitées en dépit d'un grand nombre de travaux sur le développement de ce poisson. C'est pourquoi les trois premiers chapitres de ce manuscrit sont dédiés à la caractérisation du métabolisme témoin du Danio. J'ai utilisé la théorie des bilans d'énergie dynamique (DEB) pour procéder à cette caractérisation; à l'heure actuelle c'est la seule théorie qui quantifie l'ingestion, l'assimilation, la croissance, la reproduction, la maturation, la maintenance et le vieillissement pendant le cycle de vie entier d'un organisme. L'effet de l'uranium sur l'organisme implique un effet sur au moins une des processus cités ci-avant. Étant donné que la longévité du poisson zèbre est d'environ quatre ans et demi, et que l'intensité des effets liés à un stress chimique est inversement proportionnel à la taille, nous avons centré nos efforts sur les stades de vie précoces (embryon, juvénile et reproduction adulte). De surcroît, les stades de vies précoces semblent plus sensibles aux effets de l'uranium surtout au niveau des effets sur la croissance. <br /><br /> D'importants progrès ont été réalisés dans le domaine de la quantification du développent, de la croissance et de la reproduction du poisson zèbre. Il s'est avéré que le poisson zèbre accélère son développent après la naissance (c'est-à-dire l'instant où l'individu commence à se nourrir), jusqu'à la métamorphose, où l'accélération cesse. Ce processus a été constaté chez d'autre espèces de poissons, mais pas toutes. Une autre conclusion surprenante était que la maintenance somatique est beaucoup plus élevée que la valeur typique d'un poisson. Nous n'arrivons pas encore à expliquer pourquoi. De plus nous avons découvert que les détails sur la physiologie reproductive sont importants pour caractériser les effets de l'uranium: chez l'adulte les ressources allouées à la reproduction sont stockées dans un compartiment où siègent les processus de préparation de "batch " d'œufs (=buffer de reproduction). Il est donc important de comprendre ce processus pour comprendre comment le poisson zèbre élimine l'uranium via les œufs. <br /><br /> La théorie DEB spécifie que l'individu atteint un stade de développement à un niveau de maturité donné. Selon la température et/ou la nourriture, ce niveau de maturité peut être atteint à des tailles ou des âges différents. Nous avons élargi le concept pour inclure tous les stades de développement (définis sur la base de critères morphologiques) publiés dans les atlas de développement. Ce travail nous a permis d'expliquer par la théorie DEB à présent la variabilité en termes de taille et d'âge. <br/><br /> Dans le but de tester si la théorie DEB peut expliquer des perturbations au niveau de la maturation, nous avons étudié le développement de deux espèces de grenouilles taxonomiquement proches et de taille similaires. Une des espèces possède un développement typique comprenant un stade embryonnaire, un stade têtard qui se nourrit et puis un stade juvénile avec la morphologie typique d'une grenouille. Par contre la deuxième espèce témoigne d'une accélération du développement après l'éclosion mais avant la naissance- qui correspond au stade de développement où l'individu commence à se nourrir. Cette accélération est trahie par une augmentation de la respiration et un retard de la croissance avec au final une diminution de la taille à chaque stade de développement par rapport à la première espèce. Cette accélération s'estompe après la métamorphose (le moment où les jeunes grenouilles quittent l'eau). Toutes les différences entre les deux types de développement ont été expliquées par la théorie DEB en considérant qu'un seul paramètre changeait temporairement de valeur: la fraction de la réserve mobilisée vers la croissance et la maintenance somatique. La conclusion est que les perturbations observées au niveau de la maturation et de la variabilité de l'âge et la taille entre les différents stades de développement soutiennent empiriquement la façon que la théorie DEB incorpore la maturation. <br /><br /> Non seulement notre étude requérait une quantification détaillée de la maturation, mais elle requérait aussi la prise en compte de périodes (prolongées) de jeune, et ce plus particulièrement pour les stades précoces. Selon la théorie DEB la maintenance est alimentée avec l'énergie mobilisée de la réserve. Dès lors que la nourriture devient rare ou disparait cette dernière ne suffit plus pour alimenter la maintenance somatique. Nous avons détaillé ce cas de figure en modélisant le lien entre les processus de rajeunissement et d'amaigrissement extrême et la probabilité de survie. Les prédictions du modèle sont en accord avec les trajectoires de survie de larves obtenues en conditions de laboratoire. Certaines poissons libèrent plus d'un million d'œufs par événement de ponte et pourtant, si la dynamique de la population est stable, à chaque génération chaque poisson n'est remplacé que par un seul individu. Le processus de survie des larves représente une grande énigme irrésolue dans le domaine de la dynamique de populations de poisson. <br /><br /> Par le biais de ces travaux de doctorat, nous disposons à présent d'un outil permettant de comprendre, et de prédire, la manière dont la performance physiologique du poisson zèbre dépend de son niveau de nutrition. Le modèle a été utilisé pour détecter les modifications induites par l'uranium sur la performance physiologique d'un individu exposé par rapport à celle du témoin. A cette fin, nous avons développé un modèle dynamique qui spécifie la manière dont l'uranium s'accumule et s'élimine chez un individu qui se nourrit, grandit et se reproduit. Nous avions imaginé que l'uranium pourrait affecter le système immunitaire ainsi que d'autres mécanismes de défense cellulaire (e.g. système antioxydant). Selon la théorie DEB, l'allocation des ressources à la maturation comprend une fraction fixe de la réserve mobilisée auquel est soustrait le coût de maintenance de la maturité. Notre idée est que les coûts du système immunitaire et de défense cellulaire contribuent à la maintenance de la maturité. Si l'uranium augmentait les coûts de ce dernier alors la maturation ralentira, ainsi j'ai porté une attention soutenu aux taux de maturation. <br /><br /> Nous avons montré que l'uranium altère l'histologie de la paroi intestinale (acteur majeure dans l'assimilation des nutriments) et pourrait potentiellement modifier l'homéostasie des interactions hôte-bactérienne (acteur majeur dans l'assimilation et l'immunité inné). De plus nos travaux suggèrent que l'uranium augmenterait les coûts de synthèse de la structure et diminuerait l'assimilation et/ou augmenterait le coût de la maintenance somatique. Chose étonnante, malgré ce que nous pensions, nous n'avons pas pu détecter d'effets notables sur la maturation à ces faibles concentrations. Puisque la maturation interagit avec la croissance, la reproduction et la maintenance, je considère néanmoins que les travaux que j'ai pu mener sur la maturation sont pertinents. La toxicité de l'uranium est telle que les effets sur le coût de la synthèse de la structure et de la maintenance somatique sont estimés proches de 0 nM d'uranium dans l'eau. <br /><br /> Un résultat très important se dégageant de ces travaux est que la condition des poissons (structure, maturité, réserve, buffer de reproduction, stade de préparation des "batch") au début de l'expérience dépend de l'individu et conditionne la réponse de celui-ci au stress pendant (toute) l'expérience. Ce problème s'aggrave lorsque nous travaillons avec des poissons zèbres adultes car la contribution de la masse du buffer de reproduction par rapport à la masse totale diffère de manière important entre chaque individu. Ceci affecte alors non seulement les trajectoires de masse dans le temps, mais aussi la concentration interne, car la reproduction représente une voie importante d'élimination de l'uranium. La quantité totale de réserve (à savoir : réserve + buffer de reproduction) conditionne la sévérité de l'effet toxique contribuant ainsi à la variabilité dans les données. En prenant en compte les différences entre les conditions initiales de chaque individu, j'ai pu expliquer les résultats contradictoires publiés dans la littérature ainsi qu'expliquer mes propres résultats sur les effets de l'uranium. La leçon à retenir est que des données acquises sur des individus ne devraient pas être moyennées sur des groupes d'individus. <br /><br />

Surfactants are one of the more ubiquitous contaminants in aquatic systems. Their importance as toxic components of pesticide formulations has, however, been largely overlooked. Amphibians particularly, as inhabitants of shallow, temporary and often lentic aquatic environments may be at risk from exposure to these chemicals when they enter aquatic systems. This thesis presents data on the toxicity of surfactants to amphibians. Several experimental exposures were conducted with embryo-larval, tadpole and adult developmental stages of the Australian species- Crinia insignifera, Helcioporus eyrei, Limnodynastes dorsalis and Litoria moorei and the exotic species- Bufo marinus and Xenopus laevis. Animals were variously exposed to glyphosate formulations that contain a high proportion of nonionic surfactants, or commercial pesticide wetting agents (alcohol alkoxylate and nonylphenol ethoxylate (NPE) surfactants). Feeding stage tadpoles of C.insignifera, H. eyrei, L. dorsalis and L. moorei were exposed to three commercial glyphosate formulations, glyphosate isopropylamine and glyphosate acid in static-renewal acute toxicity tests. The 48-h LC50 values for Roundup Herbicide (MON 2139) tested against tadpoles of C. insignifera, H. eyrei, L. dorsalis and L. moorei ranged between 8.1 and 32.2 mg/L (2.9 and 11.6 mg/L glyphosate acid equivalent (ae)), while the 48-h LC50 values for Roundup Herbicide tested against adult and newly metamorphosed C. insignifera ranged from 137-144 mg/L (49.4-51.8 mg/L ae). / Touchdown Herbicide (4 LC-E) tested against tadpoles of C. insignifera, H. eyrei, L. dorsalis and L. moorei was slightly less toxic than Roundup with 48-h LC50 values ranging between 27.3 and 48.7 mg/L (9.0 and 16.1 mg/L ae). Roundup Biactive (MON 77920) was practically non-toxic to tadpoles of the same four species producing 48-h LC50 values of 911 mg/L (328 mg/L ae) for L. moorei and >1000 mg/L (>360 mg/L ae) for C. insignifera, H. eyrei and L. dorsalis. Glyphosate isopropylamine was practically non-toxic producing no mortality amongst tadpoles of any of the four species over 48 h, at concentrations between 503 and 684 mg/L (343 and 466 mg/L ae). The toxicity of technical grade glyphosate acid (48-h LC50, 81.2-121 mg/L) is likely to be due to acid intolerance. Feeding stage tadpoles of B. marinus, X laevis, C. insignifera, H.eyrei, L. dorsalis and L. moorei were exposed to NPE and alcohol alkoxylate in static renewal acute toxicity tests. All species exhibited non-specific narcosis following exposure to both these surfactants. The 48-h EC50 values for NPE ranged between 1.1 mg/L (mild narcosis) and 12.1 mg/L (full narcosis). The 48-h EC50 values for alcohol alkoxylate ranged between 5.3 mg/L (mild narcosis) and 25.4 mg/L (full narcosis). Xenopus laevis was the most sensitive species tested. The sensitivity of the other five species was size dependent with larger species displaying greater tolerance. Replicate acute toxicity tests with B. marinus exposed to NPE at 30 degrees celsius over 96 hours indicated that the narcotic effects were not particularly time dependant. / The mean 24, 48, 72 and 96-h EC50 (mild narcosis) were 3.6, 3.7, 3.5 and 3.5 mg/L respectively. The mean 24, 48, 72, and 96-h EC50 (full narcosis) values were 4.0, 4.1, 4.2 and 4.0 respectively. Acute toxicity tests with B. marinus exposed to NPE at 30 degrees celsius under conditions of low dissolved oxygen (0.8-2.3 mg/L) produced a two to threefold increase in toxicity. The 12-h EC50 values ranged from 1.4 to 2.2 mg/L. The embryotoxicity of NPE was determined in X. laevis, L. adelaidensis and C. insignifera using a Frog Embryo Teratogenesis assay-Xenopus (FETAX). The 96-h LC50, EC50 and MCIG (LOEC) values for X. laevis were 3.9 to 5.4 mg/L, 2.8 to 4.6 mg/L and 1.0 to 3.0 mg/L respectively. The 140-h LC50, ECSO and MCIG values for L. adelaidensis were 9.2 mg/L, 8.8 mg/L and 5.1 to 6.0 ing/L respectively. The 134-h LC50, EC50 and MCIG values for C. insignifera were 6.4 mg/L, 4.5 mg/L and 4.0 mg/L respectively. Teratogenicity indices for the three species ranged between 1.0 and 1.6 indicating either no or low teratogenicity. Xenopus laevis was the more sensitive of the three species and the only species that displayed indisputable terata. The acute toxicity data indicated that the amphibian species tested were of similar sensitivity to fish and some invertebrates. Developmental retardation and oestrogenic effects following exposure to nonylphenol ethoxylate were indicated by sublethal toxicity tests. Crinia insignifera embryos were exposed during early embryogenesis to sublethal concentrations of NPE. / Exposure to NPE did not affect either weight nor size (snout-vent length) at metamorphosis. Exposure to 5.0mg/L NPE resulted in a significant delay in the time required to reach metamorphosis. Also, exposure to 3.0 mg/L NPE for the first 6 days of embryonic development or exposure to 5.0 mg/L NPE from day 2 to day 6 resulted in a statistically significant predominance in the female phenotype amongst metamorphosing froglets. Exposure for the first five days to 1.5 ing/L or 3.0 mg/L NPE had no effect on sex ratio. The results indicated that exposure to NPEs has endocrine disruptive effects in this species and that a narrow window of susceptibility exists for the induction of predominantly female phenotype. This study has also followed the degradation of a mixture of NPE oligomers and the concomitant formation of individual oligomers in static die-away tests with and without illumination in freshwater. Over 33 days in darkness there was a progressive and complete loss of long chain oligomers (NPEO(subscript)8-17), transient increases and subsequent loss of short to medium chain oligomers (NPE0(subscript)4-7), and large persistent increases (approximately 1000%) in short chain oligomers (NPE0(subscript)1-3). In the presence of illumination, biodegradation was retarded and heterotrophic bacterial proliferation was inhibited. After 33 days there was complete loss of long chain oligomers (NPE0(subscript)9-17), incomplete loss of medium chain oligomers (NPE0(subscript)6.8) and increases in short chain oligomers (NPE0(subscript)1-5). / This thesis discusses the importance of persistent metabolites of NPE degradation as it pertains to the habitat, developmental time frame and ecology of amphibians. Degradation of NPE is likely to occur over a time frame that is longer than that required for complete embryogenesis and metamorphosis of many species of amphibians, and may easily encompass those critical stages of development during which oestrogenic metabolites can affect development.