Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le changement climatique rapide auquel nous assistons actuellement est déjà en train de modifier le cycle de vie d’un grand nombre d’organismes. Des études basées sur des modèles d’enveloppe bioclimatique apportent des réponses mais ces prédictions de nouvelles aires de répartition ne tiennent pas compte d’une part de l’adaptation rapide des espèces (plasticité phénotypique et diversité génétique non neutre), et d’autre part des interactions interspécifiques ou de la dynamique des populations. Ce travail de recherche est centré sur les mécanismes permettant la persistance des individus dans un environnement changeant.Nous avons travaillé dans les Pyrénées françaises sur deux espèces à large répartition européenne (chêne sessile et hêtre commun) sur un gradient altitudinal de 1500 m de dénivelé correspondant en moyenne à 8°C d’amplitude thermique. Ce gradient a été répété dans deux vallées parallèles, distantes de 30 km. Basée sur l’étude de traits fonctionnels, nous avons caractérisé les variations altitudinales de traits morphologiques et physiologiques de ces caractères dans des conditions naturelles. Les capacités écophysiologiques apparaissent plus élevée pour le chêne et pour les populations de haute altitude, suggérant une adaptation locale à un environnement stressant. Dans une étude préliminaire, nous avons établi qu’il était nécessaire d’intégrer les variations de pression partielle de dioxyde de carbone et non se concentration dans les mesures d’échanges gazeux. Tous les traits fonctionnels mesurés en populations naturelles varient avec l’altitude. Ainsi la taille des feuilles diminue avec l’altitude tandis que les autres traits augmentent, avec des valeurs de 1.3 à 3.9 fois supérieures entre le haut et le bas du gradient tous traits confondus. Nous avons ensuite cherché à déterminer l’origine de ces variations phénotypiques. Une expérimentation en test de provenance a ainsi permis de déterminer les traits dont la variation in situ était en partie sous contrôle génétique. Les résultats de notre étude montrent que le gradient altitudinal a induit une différenciation génétique au niveau de la croissance, de la phénologie et de traits fonctionnels foliaires pour ces espèces, malgré la proximité des populations étudiées dans leur milieu naturel. Néanmoins, les capacités photosynthétiques pour le hêtre et la surface spécifique foliaire pour le chêne ne montre aucune différentiation génétique, ainsi que la densité stomatique pour les deux espèces. D’autre part, l’expérimentation de transplantations réciproques le long du gradient, a mis en évidence une forte plasticité phénotypique pour les deux espèces, ce qui suggère que les populations peuvent dans une certaine mesure répondre immédiatement aux variations climatiques rencontrées le long de ce gradient. Cependant, tandis que la température optimale pour la longueur de saison de végétation ne semble pas encore atteinte, les populations pourraient réagir négativement à une élévation de la température en terme de croissance. En conclusion, les mécanismes adaptatifs mis en évidence le long d’un gradient climatique naturel, pourraient permettre aux populations de faire face au changement climatique actuel. / The rapid climate change, which we are currently witnessing, is already modifying the physiology and distribution of species. Predictions of changes in species distributions do not take evolutionary mechanisms and biotic interactions into account. Our main objective was to assess the inherent adaptive capacities of tree populations by i) quantifying the phenotypic variations of functional traits with altitude and ii) studying the extent to which these variations are environmentally driven (phenotypic plasticity) and/or genetically fixed (adaptation). The study took place in the French Pyrenees along an altitudinal gradient range of 1500 m corresponding on average to 8°C of thermal amplitude. We focused on two broadleaved species with a wide European distribution (sessile oak and common beech). This gradient was repeated in two parallel valleys, distant from 30 km. Altitudinal trends were investigated for several morphological, physiological and phenological traits in natural conditions (in situ), in a common garden experiment and in reciprocal transplant experiments (RTEs). The phenotypic variability observed in situ showed significant altitudinal trends for all the studied traits and followed similar patterns for both species. We established that together with temperature, it was also necessary to integrate the variations of atmospheric gas partial pressure along the altitudinal gradient. In the common garden experiment, our results showed that the altitudinal gradient induced genetic differentiations for growth, leaf phenology and several morphological and physiological traits. This experiment made it possible to demonstrate, for both species, a weaker effect of genetic variations than in situ observed variations, suggesting a strong effect of the environment on leaf functional traits. A higher intrapopulation than interpopulation genetic variability was also observed for all traits. Finally, the reciprocal transplant experiments highlighted a high magnitude of phenotypic plasticity whatever the trait and the species.

Les populations naturelles sont confrontées à des changements environnementaux. Pour y faire face, différentes réponses ont été sélectionnées au cours de l'évolution. Parmi elles se trouvent la plasticité phénotypique et l'adaptation génétique. Etudier les liens existants entre elles est une manière de comprendre les dynamiques des populations et de prévoir leurs réponses à un environnement changeant. Dans la présente étude, je me suis attaché à étudier ces liens à plusieurs échelles (intra- et interspécifique), chez le complexe d'espèces cryptiques de la micro-algue Alexandrium minutum, et ce à la fois in vitro et in situ. En ce qui concerne la plasticité phénotypique, ces deux espèces proches montrent de profondes différences, soulignant les liens entre divergence génétique et écologique. Au niveau intraspécifique, il apparaît que face à des variations de facteurs abiotiques, les populations ajustent les niveaux d'expression de certains gènes (notamment impliqués dans des fonctions de motilité et d'interactions intercellulaires dans des environnements froids à faible salinité). D'autre part, les populations montrent de la différentiation génétique à la fois à faible échelle spatiale, au cours du temps, et lorsque la communauté change. Pour conclure, il existe une interaction directe entre divergence génétique et changements d'expression de gènes. En plus de poser de nombreuses questions quant aux capacités de réponse des populations, ces résultats soulignent comment plasticité phénotypique et changements génétique sont liés et interagissent. Ils offrent une perspective nouvelle sur les mécanismes qui sous-tendent les réponses des populations à leur environnement. / Natural populations face environmental changes. In this context, different responses were evolutionnary selected. Among them are phenotypic plasticity and genetic adaptation. Studying the links between these two types of response is a way to understand population dynamics and to predict how they may respond to a changing environment. In the present Ph.D thesis, I focused on studying these links at several scales (intra- and interspecific), in the cryptic species complex of the microalga Alexandrium minutum, both in vitro and in situ. With respect to phenotypic plasticity, these two closely related species show profound differences, highlighting the links between genetic and ecological divergence. At the intraspecific level, it appears that, when facing abiotic factors variations, populations adjust the expression levels of certain genes (notably involved in motility related functions and intercellular interactions under low-salinity and cold environments). On the other hand, populations show genetic differentiation at both small spatial scale, over time, and when the community changes. To conclude, there is a direct interaction between genetic divergence and changes in gene expression. In addition to asking many questions about the response capabilities of populations, these results highlight how phenotypic plasticity and genetic changes are linked and interact. They offer new perspectives on the mechanisms underlying population responses to their environment.

La perchaude (Perca flavescens) constitue une ressource socioéconomique de grande importance dans le Lac Saint-Pierre (Québec, Canada). Bien que ce lac fluvial soit désigné réserve de la biosphère par l’UNESCO, le statut de la perchaude est préoccupant. Afin de permettre à l’espèce de persister en fonction des diverses pressions anthropiques, il est important de comprendre sa dynamique populationnelle et les mécanismes qui en sont responsables. La perchaude est connue pour sa philopatrie ; le fait de toujours se reproduire à son site de naissance peut entraîner la subdivision d’une espèce en de multiples populations, où chacune pourra être pourvue d’adaptations locales distinctes. Il est possible d’étudier ces processus à l’aide des signaux génétiques associés à la reproduction des individus. Toutefois, une faible différentiation génétique entre les populations du Lac Saint-Pierre est envisagée en raison de la colonisation récente du système (moins de 8000 ans). L’objectif de cette étude est de déterminer s’il existe plusieurs populations de perchaude dans le Lac Saint-Pierre. Les simulations réalisées ont révélé que l’utilisation de marqueurs AFLP (amplified fragment length polymorphism), permettant une analyse globale du génome, affiche une meilleure détection de la différentiation des populations que celle des marqueurs microsatellites. Afin d’associer les individus à leur site de naissance, la méthode d’AFLP et des microsatellites ont été utilisées sur des larves capturées suite à l’éclosion des oeufs. Trois analyses distinctes d’AFLP ont indiqué une corrélation entre la composition génétique des individus et des sites géographiques, confirmant ainsi la présence de plusieurs populations sympatriques dans le Lac Saint-Pierre, découlant vraisemblablement de la philopatrie de l’espèce. L’absence de différentiation génétique relatée par les marqueurs microsatellites vient confirmer l’importance du choix des marqueurs génétiques. Bien que la différentiation génétique observée soit relativement faible, la gestion de la perchaude devrait tenir compte de la dynamique des populations distinctes dans ce système. / Yellow perch (Perca flavescens) is a commercially-exploited freshwater fish species in Lake Saint-Pierre (Quebec, Canada). Even if this fluvial lake is designated as a biosphere reserve by UNESCO, the yellow perch status is of concern. To ensure the persistence of species facing to anthropogenic pressures, understanding dynamics and mechanism that structure populations are of major importance. Because the habitat characteristics are spatially structured and this species is known to display natal site fidelity, a subdivision of the species in multiple populations and local adaptations may occur. It is possible to detect these processes according to genetic signal associated with individuals’ reproduction. However, low genetic differentiation is hypothesised due to the recent colonization of the system (< 8 K years). This study aims at determining if there are multiple populations of yellow perch in Lake Saint-Pierre. Simulations was first performed to confirm that population differentiation is better depicted by amplified fragment length polymorphism (AFLP) than microsatellite markers. In order to associate individuals to their site of birth, larvae captured after hatching were used. A survey of the variation throughout the entire genome was then performed by using the AFLP approach and variations at microsatellite loci were used to further investigate the organization of these populations. Three distinct AFLP analyses indicated a correlation between genetic composition of individuals and spawning sites, and thus confirmed the presence of multiple sympatric populations in Lake Saint-Pierre, resulting likely from natal site fidelity. At the opposite, the lack of genetic differentiation reported by microsatellites markers confirms the importance of the choice of genetic markers. While the genetic differentiation is very low, the management of this species should take into account the existence of distinct population structures in this system.

La perchaude (Perca flavescens) constitue une ressource socioéconomique de grande importance dans le Lac Saint-Pierre (Québec, Canada). Bien que ce lac fluvial soit désigné réserve de la biosphère par l’UNESCO, le statut de la perchaude est préoccupant. Afin de permettre à l’espèce de persister en fonction des diverses pressions anthropiques, il est important de comprendre sa dynamique populationnelle et les mécanismes qui en sont responsables. La perchaude est connue pour sa philopatrie ; le fait de toujours se reproduire à son site de naissance peut entraîner la subdivision d’une espèce en de multiples populations, où chacune pourra être pourvue d’adaptations locales distinctes. Il est possible d’étudier ces processus à l’aide des signaux génétiques associés à la reproduction des individus. Toutefois, une faible différentiation génétique entre les populations du Lac Saint-Pierre est envisagée en raison de la colonisation récente du système (moins de 8000 ans). L’objectif de cette étude est de déterminer s’il existe plusieurs populations de perchaude dans le Lac Saint-Pierre. Les simulations réalisées ont révélé que l’utilisation de marqueurs AFLP (amplified fragment length polymorphism), permettant une analyse globale du génome, affiche une meilleure détection de la différentiation des populations que celle des marqueurs microsatellites. Afin d’associer les individus à leur site de naissance, la méthode d’AFLP et des microsatellites ont été utilisées sur des larves capturées suite à l’éclosion des oeufs. Trois analyses distinctes d’AFLP ont indiqué une corrélation entre la composition génétique des individus et des sites géographiques, confirmant ainsi la présence de plusieurs populations sympatriques dans le Lac Saint-Pierre, découlant vraisemblablement de la philopatrie de l’espèce. L’absence de différentiation génétique relatée par les marqueurs microsatellites vient confirmer l’importance du choix des marqueurs génétiques. Bien que la différentiation génétique observée soit relativement faible, la gestion de la perchaude devrait tenir compte de la dynamique des populations distinctes dans ce système. / Yellow perch (Perca flavescens) is a commercially-exploited freshwater fish species in Lake Saint-Pierre (Quebec, Canada). Even if this fluvial lake is designated as a biosphere reserve by UNESCO, the yellow perch status is of concern. To ensure the persistence of species facing to anthropogenic pressures, understanding dynamics and mechanism that structure populations are of major importance. Because the habitat characteristics are spatially structured and this species is known to display natal site fidelity, a subdivision of the species in multiple populations and local adaptations may occur. It is possible to detect these processes according to genetic signal associated with individuals’ reproduction. However, low genetic differentiation is hypothesised due to the recent colonization of the system (< 8 K years). This study aims at determining if there are multiple populations of yellow perch in Lake Saint-Pierre. Simulations was first performed to confirm that population differentiation is better depicted by amplified fragment length polymorphism (AFLP) than microsatellite markers. In order to associate individuals to their site of birth, larvae captured after hatching were used. A survey of the variation throughout the entire genome was then performed by using the AFLP approach and variations at microsatellite loci were used to further investigate the organization of these populations. Three distinct AFLP analyses indicated a correlation between genetic composition of individuals and spawning sites, and thus confirmed the presence of multiple sympatric populations in Lake Saint-Pierre, resulting likely from natal site fidelity. At the opposite, the lack of genetic differentiation reported by microsatellites markers confirms the importance of the choice of genetic markers. While the genetic differentiation is very low, the management of this species should take into account the existence of distinct population structures in this system.