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Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Les invasions biologiques constituent l'une des plus grandes menaces pour la biodiversité. La truite arc-en-ciel, un salmonidé originaire de la côte ouest de l'Amérique du Nord, en est un bon exemple. Introduite dans près de cent pays pour des raisons essentiellement récréatives, elle a eu d'importants impacts négatifs sur la faune et les écosystèmes indigènes. Au Québec, son introduction remonte à la fin du XIXe siècle. Bien que son ensemencement soit restreint aux régions situées dans la portion sud-ouest de la province, on dénombre de plus en plus de captures et d'événements de reproduction dans les rivières de l'Est du Québec, où elle pourrait entrer en compétition avec deux salmonidés indigènes : le saumon atlantique et l'omble de fontaine. La présente étude avait pour objectif principal d'évaluer la capacité de la truite arc-en-ciel à franchir différents filtres hiérarchiques qui limitent le succès des invasions, soit la pression d'introduction, la résistance abiotique, la résistance biotique et la capacité de dispersion. Nous avons démontré que les populations naturalisées suite aux ensemencements dans les lacs Ontario et Memphrémagog étaient les principales sources de l'invasion de l'espèce dans l'Est du Québec. Elles ont notamment mené à l'établissement d'une population dans la région de Charlevoix, qui contribue désormais elle-aussi fortement au processus d'invasion. La présence de l'espèce exotique dans les rivières à saumon semble principalement associée à la présence de tributaires, qui fourniraient un refuge contre les fluctuations de débit, notamment contre les crues printanières qui surviennent durant la période d'éclosion des oeufs et d'émergence des alevins. Une relation positive a également été observée entre l'occurrence de l'espèce et la température moyenne durant la saison de croissance, laissant présager une intensification de l'invasion parallèlement au réchauffement climatique. Au stade juvénile, nous avons observé que la présence des deux compétiteurs indigènes, malgré une taille supérieure au début de la première année de vie, n'affectait pas la croissance de la truite arc-en-ciel. Au contraire, l'espèce exotique, malgré de faibles densités, les obligerait à utiliser des habitats moins préférentiels et à partager plus intensément les ressources disponibles. Finalement, nous avons observé que la présence d'un phénotype anadrome favorisait grandement la dispersion de l'espèce vers les rivières de l'Est du Québec.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Les changements climatiques en Arctique menacent les espèces polaires hyperspécialisées tout en favorisant l’invasion d’espèces boréales et tempérées. La morue arctique (Boreogadus saida) est l’espèce de poisson fourrage la plus abondante de l’Océan Arctique. En 2011, une espèce boréale a toutefois été détectée dans la mer de Beaufort (Arctique canadien). Le lançon du Pacifique (Ammodytes hexapterus) était alors la deuxième espèce en abondance dans l’assemblage d’ichtyoplancton. La présente recherche visait à évaluer les conséquences de l’invasion de cette espèce fourragère boréale sur la morue arctique durant les jeunes stades de vie. Les deux espèces se sont révélées en compétition potentielle au stade juvénile, mais le lançon sélectionnait surtout de petites proies tandis que la morue arctique dépendait des grands copépodes calanoïdes. La diminution prédite de la taille du zooplancton avantagerait le lançon par rapport à la morue arctique et la compétition détectée pourrait donc s’amplifier avec une augmentation de la population de lançons en mer de Beaufort. / Climate change in the Arctic threatens hyper specialized polar species while favouring the invasion of boreal and temperate fish species. In the arctic marine food web, arctic cod (Boreogadus saida) is the key forage fish species. The boreal Pacific sand lance (Ammodytes hexapterus) was recently detected in southeastern Beaufort Sea (Canadian Arctic), numbering as the second most abundant ichthyoplankton species after the arctic cod in 2011. The aim of this research was to elucidate the consequences of this boreal forage fish species invasion on arctic cod during the early life stages. Potential competition was detected during the early juvenile stage but arctic cod strongly relied on big calanoid copepods while Pacific sand lance significantly selected for smaller prey. The forecasted reduction in the size of zooplankton would therefore favour sand lance over arctic cod. The interspecific competition is predicted to amplify as the abundance of sand lance in the Beaufort Sea increases.

Numerous studies have looked at biotic succession at the aboveground level; however, there are no studies describing fungal community change associated with long-term ecosystem development. To understand ecosystem development, the organisms responsible for shaping and driving these systems and their relationships with the vegetation and soil factors, it is critical to provide insight into aboveground and belowground linkages to ultimately include this new information into ecosystem theory. I hypothesized that fungal communities would change with pedogenesis, that these changes would correlate with vegetation community change, and that they should show change of composition and diversity as the seasons change. Chapter 1 discusses the main topics related to this dissertation. Chapter 2 includes a publication draft that describes a study of sand-dune soil samples from northern Michigan that were analyzed to pinpoint the structural change in the fungal community during the development of the ecosystem. The samples were analyzed by pyrosequencing the soil DNA, targeting the internal transcribed spacer region. Chapter 3 contains a coauthored published paper that describes plant invasion of fields in Virginia to determine how they impact soil bacterial and fungal communities. The bacterial and fungal communities that were invaded by 3 different plant species exhibited similar changes, regardless of plant species, suggesting that some functional traits of invasives may have similar impacts on belowground communities. Chapter 4 remarks the conclusions of this research. / Master of Science / Ecosystems, including the soils underneath, are the environments that surround us perform a large number of critical human-relevant functions (playing roles in production of food, filtration of water for drinking, sequestration of carbon and nitrogen to build soil organic matter, and buffer against flooding). Yet, how these systems naturally develop over time are still in need of detailed study. One particular area of interest and need is the study of belowground fungal communities. It is not commonly known, but plants and ecosystems are highly dependent on the underground web of fungal hyphae that transform nutrients and provide water to plants. A first step in gaining this understanding utilized a natural ecosystem development gradient known as a chronosequence. It was expected that fungal communities would change as soil and ecosystem development progressed and that they would mimic changes in soil and vegetative properties. Discerning if these linkages occur is the first step to assessing how they work together to create ecosystems and their valuable environmental services. Chapter 1 provides a discussion of the main topics in this dissertation. Chapter 2 is at the heart of the dissertation via a study of fungal communities in a developmental soil ecosystem in northern Michigan in addition, in Chapter 3, I include a coauthored published paper that describes plant invasion of fields in Virginia. Chapter 4 remarks on the major conclusions of this Master thesis, supporting the role that vegetation and fungal community change in soil are associated with one another.

Le Rhin a subi d’importantes modifications qui ont altéré la biodiversité de l’ensemble de la plaine alluviale. Des actions de restauration ont été initiées pour lui redonner une part de son fonctionnement hydromorphologique naturel. Le travail de thèse a consisté à évaluer les effets de ces restaurations et à mettre en évidence les processus mis en jeu dans les changements de la biocénose des milieux restaurés. Les résultats ont démontré que les communautés biologiques sont non seulement gouvernées par les modifications physiques post-restauration mais aussi par l’influence discrète de déterminants externes à la restauration tels que les invasions biologiques ou la dynamique interne du fleuve. L’aspect transitoire des bénéfices obtenus a été souligné comme la principale limite de l’injection sédimentaire alors que les épis transversaux artificiels mis en place dans le cadre d’un essai d’érosion maitrisée se sont révélés être les facteurs de durabilité des effets écologiques. / The Rhine River has undergone major engineering works that led to severe alterations which helped to alter the biodiversity of the entire floodplain. Restoration actions have been initiated to give it back a part of its natural hydro morphological functioning. The thesis consisted in evaluating the effects of these restorations and in highlighting the mechanisms and processes involved in biocoenosis changes of the restored environments. The results also showed that the post-restoration biological community is not only defined by post-restoration physical changes but also by the discrete influence of external determinants of restoration such as biological invasions or the internal dynamics of the river. The transitional aspect of the benefits incurred has been identified as the main limit of the gravel augmentation, while the implementation of transverse artificial groynes in the controlled bank erosion has proved to be factors of sustainability of the ecological effects.

La biosphère traverse une crise de biodiversité pour laquelle les milieux insulaires sont l’épicentre. Les invasions biologiques y constituent l’un des principaux facteurs de forçage, notamment du point de vue de l’altération des mutualismes, pour le fonctionnement et le maintien des écosystèmes. Durant notre travail en Nouvelle-Calédonie, nous nous sommes intéressés à un groupe clé de voute pour le fonctionnement des écosystèmes, les fourmis, et leur implication vis-à-vis de la dispersion de graines (myrmécochorie). Nous avons réalisé la première identification de plantes autochtones myrmécochores, avec une prépondérance des espèces sur substrats ultramafiques. Puis, nous avons testé la dispersion par les fourmis sur ces substrats. Après avoir caractérisé les communautés selon un gradient de perturbation anthropique, nous avons évalué la dispersion et la contribution des fourmis invasives à ce service par rapport aux fourmis natives. Ainsi, Solenopsis geminata semble capable d'une meilleure dispersion que les espèces natives. A contrario, Wasmannia auropunctata exclue les espèces natives sans assurer de dispersion efficace. Dans le contexte d’un régime de perturbations intense, nos travaux illustrent une communauté néo-assemblée de fourmis, dominée par des exotiques dont certaines pourraient assurer un relai de fonction pour la dynamique des maquis. Nos travaux illustrent la « contexte dépendance » des impacts d’espèces invasives en fonction du niveau de perturbation anthropique. Ils permettent de discuter la contribution possible de ces fourmis pour la restauration après perturbation sur substrats ultramafiques, voire de leur valorisation en ingénierie écologique. / The biosphere is experiencing a biodiversity crisis, which for islands are the epicenter. Biological invasions are there, one of the main drivers, especially regarding the alteration of mutualistic relationships for the functioning and the maintenance of ecosystems. Thus, during our work in New Caledonia, we focused on a key group for ecosystem functions: ants, and their involvement in seed dispersal (myrmecochory). We carried out the first assessment of this mutualism in New Caledonia with the identification of indigenous myrmechorous plants, with a preponderance of species on ultramafic soils. Then, we evaluated the magnitude of seed dispersal by ants on these soils. After the characterisation of ant communities across an anthropic disturbance gradient, we evaluated seed dispersal capabilities of exotic ant compared to native ones. Solenopsis geminata appears to offer a more efficient seed dispersal than natives. On the other hand, Wasmannia auropunctata excludes native species without ensuring effective dispersal. In the context of an intense disturbance regime, our work illustrates a neo-assembled community of ants, dominated by exotic ones, some of which could provide a function relay with respect to maintaining the dynamic of maquis. Our work illustrates the “context dependency” of invasive species’ impacts as a function of anthropogenic disturbance’s level. It also discusses the possible contribution of these ants in a context of restoration after disturbance of habitats on ultramafic substrates, or even their use in ecological engineering program.

Le chat haret est l’un des prédateurs invasifs les plus dommageables pour la biodiversité insulaire. Sa présence est associée à une perte de biodiversité sur l’ensemble des îles sur lesquelles il est établi, et où il constitue une menace pour de nombreuses espèces de vertébrés souvent endémiques et menacés. En Nouvelle-Calédonie des populations de chats harets sont présentes dans tous les milieux et habitats et l’étude de son écologie et de ses impacts sur la faune ont fait l’objet de ce travail de thèse. L’analyse du régime alimentaire sur 14 sites d’études représentatifs des 4 habitats majeurs a révélé un régime très diversifié et une forte prédation sur les vertébrés natifs et notamment sur le groupe des scinques, des roussettes et des pétrels. Parmi les 44 espèces de vertébrés retrouvées dans le régime alimentaire de ce prédateur invasif, la plupart sont endémiques et 20 listées comme menacées sur la liste rouge mondiale de l’UICN. Le suivi des déplacements d’individus équipés de colliers GPS au niveau d’une presqu’île abritant une importante colonie d’oiseaux marins, a permis de mettre en évidence de grands domaines vitaux pour les mâles, des domaines vitaux petits pour les femelles et des patrons de déplacements liés aux différentes étapes du cycle reproducteur des oiseaux marins. Ces éléments, couplés aux analyses de régime alimentaire suggèrent une prédation à une large échelle géographique, à la fois sur les adultes reproducteurs mais également sur les jeunes oiseaux proches de l’envol. Une opération expérimentale de contrôle d’une population de chats harets a été conduite sur cette presqu’île et a montré une faible durabilité des effets de la suppression des individus sur les densités observées et une rapide recolonisation du site. Les résultats de ce travail plaident pour la mise en place de mesures de limitation des impacts occasionnés et permettent en particulier de cibler les habitats de maquis et forêt humide comme prioritaires en matière de limitation des abondances. / Feral cat (Felis catus) is one of the most successful and harmful invasive predator species for island biodiversity. The presence of this alien predator species generally lead to dramatic loss of native island biodiversity and represents a serious threat for numerous endemic and threatened species. Feral cats have invaded the whole New-Caledonian archipelago and all its habitats. In this study, we focused on the ecology and impacts of this invasive predator on the outstanding endemic fauna found in the different habitats of the exceptional New-Caledonia biodiversity hotspot. Feral cat diet analyses on 14 selected sites representing the 4 main natural habitats revealed a high diversified diet and high predation rates on native species particularly on squamates, flying foxes and petrels. Among the 44 vertebrates species found into the feral cat diet, 20 are IUCN red-listed threatened species. Cat movements of eleven feral cats fitted with GPS collars have been studied in a western coast Peninsula hosting an important seabird colony. Male cats showed large home ranges while female showed small home ranges. Feral cats exhibited important movements within the studied peninsula linked with the breeding cycles of seabirds. GPS data coupled with dietary informations suggested a predation that concerned both breeding adults and fledgings bird, and at a large geographic scale as some feral cats have their core home range distant to the colony (>3km). We evaluated the effects of a high level but intense cat control on this site that showed a low sustainability of feral cat culling and a rapid recolonization process. Our results are pleading for the future limitation of feral cat impacts and call to focus first abundance limitation measures on maquis mosaic and humid forest habitats This study also provided information on the spatial extent and intensity of future control measures in the special context of a large and highly invaded island.

Water hyacinth is recognised as one of the most problematic invasive aquatic plant species in Africa. For this reason considerable funds are spent each year on itscontrol. As a consequence of the amount of money being spent on problems such as the invasion of water hyacinth, and because of the recognition of the ongoing and accelerated efforts that are required in the future, recent research has focused on accurately quantifying the costs and benefits of control of invasive species to aid policy decisions.A comprehensive cost-benefit analysis would be able to identify if the funds are justified and are being spent effectively. This thesis provides an example of a cost-benefit analysis of funds spent on the control of water hyacinth in an urban environment in South Africa. In order to develop a comprehensive assessment of the total economic value of the control of water hyacinth to an urban population, the Nahoon River in East London was selected as the study site to calculate the benefits of control. In addition to valuing the direct services provided by the resources that are traded in the market (in this case water provision), a contingent valuation study was undertaken in Abbottsford and Dorchester Heights (two suburbs in East London banking the Nahoon River). These were done in order to assess any non-use value a sample of 132 households of the population has for the control of water hyacinth, and any use values that are not traded in the market, for example recreational value. When the benefits of control of water hyacinth were compared to the costs of one of the least cost effective methods of control (herbicidal control), the benefits outweighed the costs by a ratio of more than 4:1, and for the most cost effective method of control the ratio was almost 6:1. These results provide a justification for the funds that are devoted to the control of water hyacinth, providing an argument for the continued expenditure for its control, and for further research into more cost effective methods of control, such as biological control.

L'urbanisation est un processus complexe tant par les mécanismes historiques, sociaux, économiques et environnementaux qu'il implique que par les multiples modifications qu'il provoque au sein des écosystèmes. Ainsi, les paysages urbanisés sont soumis à des changements spatialement et temporellement abrupts des conditions environnementales comme la température au sol et dans l'air, la fragmentation des habitats et les concentrations de divers polluants. Pourtant, malgré leur apparente inhospitalité pour la biodiversité, les milieux urbanisés sont de véritables écosystèmes où de nombreuses espèces, natives et invasives, sont capables de survivre et même de prospérer. L‟ « écosystème urbain » est désormais considéré comme un élément important du fonctionnement des environnements densément peuplés, de la santé et du bien être humain ainsi que de la conservation de la biodiversité. De manière plus fondamentale, l'urbanisation, au même titre que le changement climatique et les processus d'invasions biologiques, est une « expérience grandeur nature » nous offrant l'opportunité de comprendre les règles d'assemblage des communautés biologiques, les processus de sélection d'habitat et de dispersion ou encore les processus évolutifs d'adaptation et de diversification. Ce travail s'inscrit dans ce cadre de pensée en se proposant d'étudier les conséquences écologiques et évolutives de l'urbanisation à différents niveaux d'organisations biologiques chez les Formicidae. Cette thèse comprend 4 chapitres s'organisant autour des thèmes et questions suivants : Chapitre 1 : Urbanisation et communautés biologiques : Comment l'urbanisation affecte-t-elle la distribution des espèces à l'échelle du paysage ? Chapitre 2 : Urbanisation et dispersion par l'être humain : Conceptualisation et modélisation du rôle des activités humaines et des réseaux de transports dans la dispersion d'espèces. Chapitre 3 : Urbanisation et interactions biotiques : L'urbanisation affecte-t-elle les patrons de co-invasions d'un couple invasif hôte-parasite introduits indépendamment ? Chapitre 4 : Urbanisation et variations intraspécifiques : Les populations urbaines et rurales présentent-elles des différences de traits biologiques ? Nos résultats démontrent qu'en tant que changement multifactoriel, l'urbanisation affecte de manière complexe la composition des communautés biologiques en modifiant de manière idiosyncrasique la distribution des espèces natives et invasives. En effet, chacune des 7 espèces de fourmis étudiées était affecté par une combinaison unique de facteur environnementaux associés à l'urbanisation (p.ex. fragmentation des milieux ouverts, température de surface) mais également au climat (Chapitre 1, Gippet et al. 2016 Urban Ecosystems). Parce qu'ils concentrent des activités humaines, les paysages urbanisés sont le théâtre de multiples invasions biologiques. En effet, l'être humain déplace de nombreuses espèces, leur permettant de franchir des barrières biogéographiques mais aussi de se propager au sein des paysages. Afin de provoquer la discussion autour du concept de la dispersion des espèces par l'Homme, nous proposons un nouveau point de vue général centré sur les activités humaines (Chapitre 2, Partie 1, Gippet et al. soumis) ainsi qu'un modèle de propagation secondaire d'espèce invasive par les activités humaines : MoRIS, dont la principale innovation est d'utiliser la structure du réseau de transport pour influencer la direction des événements de dispersion (Chapitre 2, Partie 2, Gippet et al. In prep). La suite est à retrouver sur la version téléchargeable du manuscrit / Urbanization is a complex process involving simultaneous changes in several environmental conditions, including ground and air temperature (urban heat island effect), habitat fragmentation and chemical pollution. These changes are often associated with biodiversity loss and changes in ecosystems functioning. However, more than a sink for biodiversity, urban areas constitute true ecosystems where many native and alien species survive and even grow stable populations. The “urban ecosystem” is now considered as an important element in the functioning of densely populated environments, in human health and well-being, as well as in biodiversity conservation. More fundamentally, urbanization constitutes “real life experiment” offering ecologists an opportunity to better understand ecological and evolutionary processes over fine spatial and temporal scale. This thesis investigates ecological and evolutionary consequences urbanization at different biological organization levels using ants (Formicidae) as biological models. First, at the biological community level, we showed that native and alien ant responses to urbanization were species-specific as each species was affected by its own set of environmental changes associated with urbanization (e.g., fragmentation, ground temperature) and climate. Second, we explored the little studied process of human-mediated dispersal by (i) proposing a novel theoretical framework focusing on human activities rather than directly on species and (ii) developing an innovative simulation model of dispersal by transport in terrestrial landscapes, MoRIS (Model of Routes of Invasive Spread). Third, we investigated how urbanization affected novel biotic interactions between an alien ant species (Lasius neglectus), an alien ectoparasite fungus (Laboulbenia formicarum) and native ant species. We showed that urbanization impacted the size of L. neglectus colonies, which were smaller in urban area, as well as L. formicarum prevalence on L. neglectus, which was higher in urban areas. Finally, we investigated intraspecific variations between urban and rural conspecifics of an urban tolerant species: Lasius niger. We found that urban young queens were smaller and lighter, less stressed by high temperature and performed multiple mating more often than rural young queens. In common garden, colony founding success were globally similar but urban incipient colonies produced significantly less pupae (and consequently workers). We also found that workers produced in common garden experiments were more variable in size (higher head width variance in both inter- and intra-colony) in urban colonies than in rural colonies. No evidence for genetic differentiation between urban and rural populations was found, suggesting that gene flow was not disrupted between urban and rural populations. All our results converge to a renewed vision of ecological and potential evolutionary dynamics occurring in urban environments. Further investigation will be necessary to assess how ecological processes influence evolutionary trajectories in urban ecosystems, using both ecological (e.g. ant densities and abundances along the urban gradient) and genomic approaches (e.g. using “genotyping by sequencing” methods to identify genes responsible for adaptation to urbanization)