THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1 sous le sceau de l’Université Bretagne Loire
pour le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1 Mention : Biologie Ecole doctorale Vie Agro Santé
présentée par Bastien Labarrere
Préparée à l’Unité de Recherche CNRS 6553 Ecobio Ecosystèmes, Biodiversité, Evolution Université de Rennes 1
Thèse soutenue à Rennes Comment les plantes le 16 janvier 2017 répondent et s’adaptent devant le jury composé de : aux changements Annabel PORTÉ Chargée de Recherche INRA – Université de climatiques: Bordeaux1 / rapporteur Jacqui SHYKOFF étude aux marges froides Directrice de Recherche CNRS – Université Paris Sud / rapporteur (subantarctique) Sophie NADOT Professeur – Université Paris Sud / examinatrice Cécile SULMON Maître de Conférences – Université de Rennes 1 / examinatrice Françoise HENNION Chargée de Recherche CNRS - Rennes / directrice de thèse Andreas PRINZING Professeur- Université de Rennes 1 / co- directeur de thèse
Remerciements
Tout d’abord, je tiens à remercier Françoise et Andreas, pour m’avoir donné l’opportunité de faire cette thèse. Merci à vous deux pour votre présence, votre aide et vos conseils. Merci de m’avoir fait progresser pendant 3 ans. Merci de votre patience pour les relectures. Merci de m’avoir encadré tout en me laissant le champ de tester ce que j’avais envie. Merci tout simplement de m’avoir permis de vivre cette aventure, enrichissante à tous niveaux. Merci de m’avoir permis de découvrir des personnes et des lieux exceptionnels, même si certains ruisseaux ont été plus difficiles à traverser que d’autres.
Merci aux membres du jury d’avoir accepté d’évaluer mon projet.
Merci à Pete, Claudia et Mathias, de m’avoir chaleureusement accueilli pendant près de 3 mois, et de nous avoir reçu, comme des rois, à Jena, malgré des résultats sportifs ne jouant pas en notre faveur. Merci également à Pete, Claudia, Mathias, Nicole et Trish pour leur aide concernant les analyses transcriptomiques.
Merci à Valérie Gouesbet et Oscar de leur aide préciseuse pour les manips. Merci à Valérie de m’avoir aidé lors des manips en labo, et particulèrement de t’être aussi bien occupée de mes choux quand j’étais loin. Merci à Oscar de m’avoir conseillé et aidé pour l’extraction ARN. Merci également à Jean Luc, Thierry et Fouad pour leur aide.
Merci à Françoise Lamy pour ton aide sur le terrain. Une belle aventure humaine. Merci à Nina, Pierre, Yann et toutes ceux qui nous ont aidé sur le terrain. Une pensée aux compagnons d’aventure notamment les Talisker et les Pop’eleph.
Merci à Francisco et à toute l’équipe pédagogique pour m’avoir encadré lors de la mission d’enseignement. Merci à Valérie, Sandra, Isabelle, Fabienne, Tifenn et Badia sans qui rien ne serait possible. Merci de vous occuper aussi bien de nous. Merci à tous les membres d’Ecobio, que j’ai croisé et cottoyé pendant ces 3 années.
Merci aux anciens, qui sont partis, Kevin H et Maxime D, Grégoire, qui m’ont accueilli à Rennes.
Merci à Maud, Morgane, Tiphaine, Alix, Kevin P, Nathan. Merci particulièrement à Kevin et Maxime, pour les moments partagés dans le bureau. Merci à Kevin de ne pas m’avoir trop fait bavé en envoyant des photos de pulled pork. Maxime, occupe-toi bien de la relève.Merci aux espagnols, Juan et Jose qu’il est bon d’entendre un accent du sud.
Merci particulièrement à mes petites stagiaires. Emeline et Marine, Je vous souhaite de réussir, vous le méritez. J’espère avoir pu vous aider, Un grand merci également à Diana, AA, Micka, Alexis, Adrien, pour ces moments passés ensemble.
Enfin, Merci surtout à Flore, pour beaucoup de choses, mais tu le sais. Merci à tous ceux que j’ai dû certainement oublié, et qui n’ont pas vu leur nom apparaitre. Merci enfin à mes proches, qui m’entourent au quotidien
SOMMAIRE
Introduction ...... 1 1. Changement climatique aux îles Kerguelen...... 1 1.1. Présentation des îles Kerguelen ...... 1 1.2. Conditions environnementales des îles Kerguelen et changement climatique ...... 3 1.3. Présentation des espèces étudiées ...... 5 2. Potentiel adaptatif des espèces face aux modifications de l’environnement ...... 10 2.1. Définition de potentiel adaptatif ...... 10 2.2. Variation des traits ...... 11 2.2.1Notions générales : ...... 11 2.2.2 Variation établie : ...... 12 a) Variation inter et intra population ...... 12 b) Le cas des métabolites de réponse aux stress ...... 14 2.2.3 Variation potentielle : plasticité ...... 16 a) Définition ...... 16 b) Plasticité et bénéfices… ...... 16 c) … accompagnés de coûts ...... 17 3. Forte intégration phénotypique : quelle influence sur le potentiel adaptatif des espèces ? ...... 18 3.1. Définition de l’intégration phénotypique ...... 18 3.2. Influence de l’environnement sur l’intégration phénotypique ...... 20 3.3. Influence de l’intégration sur la variabilité des traits (établie et potentielle) ...... 21 Chapitre 1. Relation entre intégration phénotypique, variabilité des traits intra-population et performance des plantes dans des environnements naturels ...... 25 Chapitre 1A. High phenotypic integration is correlated with high trait variation in both natural and controlled conditions, in sub-Antarctic plant populations ...... 26 RESUME : ...... 27 INTRODUCTION ...... 30 MATERIALS AND METHODS ...... 35 RESULTS ...... 45 DISCUSSION ...... 48 CONCLUSION ...... 52 REFERENCES ...... 54
Chapitre 1B. Exploring performance of species from Iles Kerguelen: relationships to environment and phenotypic integration ...... 74 RESUME ...... 75 INTRODUCTION ...... 76 MATERIALS AND METHODS ...... 79 RESULTS ...... 84 DISCUSSION ...... 87 CONCLUSION ...... 91 REFERENCES ...... 92 Chapitre 2. Variations of secondary metabolites among natural populations suggest functional redundancy and versatility within sub-Antarctic Ranunculus species ...... 100 RESUME ...... 101 INTRODUCTION ...... 103 MATERIALS AND METHODS ...... 108 RESULTS ...... 115 DISCUSSION ...... 120 CONCLUSION ...... 125 REFERENCES ...... 128 Chapitre 3. Plant plasticity is constrained by performance costs, complex environments and weakly integrated phenotypes ...... 148 RESUME ...... 149 INTRODUCTION ...... 151 MATERIALS AND METHODS ...... 155 RESULT ...... 160 DISCUSSION ...... 163 CONCLUSION ...... 169 REFERENCES ...... 171 Chapitre 4 : Etude préliminaire de la variation du transcriptome, en relation avec l’environnement et le phénotype chez P. antiscorbutica ...... 188 INTRODUCTION ...... 188 MATERIELS ET METHODES ...... 190 RESULTATS ET INTERPRETATIONS ...... 192 DISCUSSION GENERALE ...... 198 1. Avancées conceptuelles ...... 199 1.1. Le degré d’intégration phénotypique est indépendant de l’environnement ...... 199
1.2. L’Intégration augmente la variabilité des traits établie et potentielle mais pas la performance...... 201 1.3. Flexibilité fonctionnelle des métabolites ...... 203 1.4. Plasticité plus importante ne signifie pas meilleure performance...... 204 1.5. Perspectives ...... 205 2. Potentiel adaptatif des espèces de Kerguelen ...... 209 2.1. Variation intra-population : probablement pas menacée par les changements climatiques ...... 209 2.2. Variation inter-population : faible variation chez R. moseleyi ...... 210 2.3. Variation inter-population : performance plus faible en milieux secs et chauds...... 211 2.4. Communauté avoisinante : pas d’effets sur les traits ou la performance ...... 213 2.5. Réponses plastiques aux changements environnementaux : pas un témoin de performance ...... 214 2.6. Réchauffement et ombrage combinés limitent la plasticité et la performance ...... 215 Conclusion : le potentiel adaptatif dépend de la persistance des habitats ...... 217 REFERENCES ...... 218
Introduction générale
Introduction 1. Changement climatique aux îles Kerguelen
1.1. Présentation des îles Kerguelen
Les îles Kerguelen (49°20’00” S, 69°20’00” E) sont situées dans l’Océan Indien austral, dans la zone subantarctique (Lebouvier et Frenot, 2007 ; Figure 1). Les îles Kerguelen font partie de la
Province biogéographique de l’Océan Indien Austral (« South Indian Ocean Province » ou SIOP, Chown et al. 1998), qui regroupe également les îles Crozet, Marion, Prince Edward et Heard
(Smith, 1984). Partie du territoire Français des TAAF (Terres Australes et Antarctiques
Françaises), cet archipel est extrêmement isolé et distant d’environ 3500 km des côtes de l’Afrique du Sud et de l’Australie (Lebouvier et Frenot, 2007). D’origine volcanique, les îles Kerguelen ont
émergé au début du Tertiaire il y a 115 millions d’années, et reposent sur un plateau océanique basaltique (Nicolaysen et al. 2000). Ces îles ont une superficie de 7215 km², (avoisinant la superficie de la Corse) et sont constituées d’une île principale (appelée Grande Terre) autour de laquelle on trouve 300 îles et îlots pour la plupart très proches de l’île principale. L’archipel est dominé par le Mont Ross (1850m) et est en partie recouvert par la calotte glaciaire Cook à l’Ouest.
Les îles Kerguelen abritent d’importants dénivelés qui s’accompagnent d’une diminution très importante des températures, la diminution de la température avec l’altitude est ainsi estimée à environ 0.8°C par 100m (Hennion et al., 2006). A titre de comparaison la diminution de température est de 0.6°C par 100m dans les Alpes (Douguédroit et Saintignon, 1970). Les conditions environnementales trouvées au sein des îles Kerguelen sont très variées (Wagstaff et
Hennion, 2007).
La forêt tempérée originelle qui a connu son apogée il y a 20 millions d’années (Philippe et al.,
1998) laisse aujourd’hui place à une végétation pauvre, dépourvue de ligneux, de type toundra. On compte 22 espèces de phanérogames autochtones (Frenot et al., 2001). A titre de comparaison, la
France métropolitaine en compte près de 3000. Cette flore comporte une composante d’origine 1
Introduction générale magellanique et une composante d’origine australo-néozélandaise, mais également 6 espèces endémiques de la Province de l’Océan Indien Austral (Hennion et Walton, 1997a). Elle est composée uniquement de plantes pérennes de types mégaherbes, graminées et formes en coussins ainsi que de bryophytes. Les communautés végétales présentes sur l’archipel sont relativement simples (Pansu et al., 2015). L’Homme est seulement présent depuis la fin du XVIIIe siècle et en faibles contingents (Frenot et al, 2006). Malgré tout, il a eu un impact important sur la flore locale, impact qui s’est intensifié après l’installation de la base permanente de Port-aux-Français (Grande
Terre) dans les années 1950, avec l’introduction de nombreuses espèces végétales originaires des régions tempérées (86 espèces, Frenot et al. 2006). Si l’impact des espèces végétales introduites est jusqu’à présent limité, un élément majeur pour la flore autochtone a été l’introduction du lapin en 1874, ce qui a très profondément affecté les communautés végétales natives des îles Kerguelen
(Chapuis et al., 2004). Il est à noter que notre étude se situe dans des régions exemptes de lapins.
Différents habitats sont reconnus dans l’archipel (Chastain, 1958 ; Smith, 1984 ; Figure 3), principalement discriminés par l’exposition au vent et le degré de drainage des sols (Hennion,
1992). Deux habitats sont particulièrement représentés : (i) les prairies herbacées de basse altitude : zones humides et protégées du vent, abritant une végétation dense (Hennion et al., 2006 ; Figure
3) (ii) les fell-fields : plateaux exposés aux vents et à l’érosion, caractérisés par des sols pauvres à faible capacité de rétention d’eau (Figure 3). Ces habitats sont principalement trouvés en altitude, et abritent une végétation ouverte dominée par des plantes en coussin.
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Introduction générale
1.2. Conditions environnementales des îles Kerguelen et changement climatique
Les îles Kerguelen sont caractérisées par des températures froides et stables avec une moyenne annuelle de 4,6°C (2.1°C en août à 7.7°C en février), accompagnées de pluies abondantes (800-
3200mm annuels) (Frenot et al., 2006 ; Lebouvier et Frenot, 2007). Une autre caractéristique du climat subantarctique est représentée par les vents violents (Lebouvier et Frenot, 2007), qui modèlent les communautés végétales (Hennion, 1992 ; Le Roux et al., 2008). Actuellement, ces
îles font face à un changement climatique rapide et intense (Lebouvier et al., 2011). Des enregistrements météorologiques sont réalisés depuis plus de 50 ans par Météofrance à la base de
Port-aux-Français. On note une augmentation moyenne annuelle de 1,3°C depuis 1960, accompagnée d’une baisse du nombre de jours de gel annuels (baisse de 20 à 30 jours en 20 ans ; Frenot et al., 2006 ; Lebouvier et al., 2011). Cette augmentation de température peut paraître faible, mais elle est très importante relativement aux moyennes et amplitudes thermiques locales.
Egalement, on note une diminution importante des précipitations en quantité (diminution de 100 à
250mm annuels en 20 ans) et en fréquence (Chapuis et al., 2004 ; Frenot et al., 2006). Le Roux et al. (2008) travaillant sur les îles Marion, situées également dans la province SIOP, ont montré que le changement climatique se caractérisait également par une augmentation de la vitesse du vent
(vitesse moyenne et vitesse maximale). L’augmentation de la vitesse du vent devrait avoir un effet plus important sur la végétation dans les fell-fields d’altitude, très exposés, et aurait également pour effet une augmentation de l’évaporation des milieux (Le Roux et al., 2008). De plus, une diminution des précipitations et une augmentation de l’évaporation devraient entraîner l’augmentation de la salinité des milieux (Le Roux et al., 2008).
Les modifications des conditions environnementales entraînent d’ores et déjà des épisodes de sécheresse estivale à Kerguelen (Hennion, 1992 ; Frenot et al., 2006). Les effets du changement climatique sur les espèces végétales sont supposés être plus importants aux fortes latitudes
(Bergstrom et Chown, 1999 ; Le Roux et McGeoch 2007).
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Introduction générale
a
Figure 1. (a) Localisation des îles Kerguelen dans l’Océan Indien austral (b) régions
échantillonnées dans les îles Kerguelen, d’après une carte IGN.
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Introduction générale
De fait, les espèces autochtones de l’archipel – qui poussent habituellement dans des conditions particulièrement froides et humides - montrent d’ores et déjà des signes évidents de stress hydrique lors des épisodes de sécheresse estivale (Hennion, 1992 ; Chapuis et al., 2004 ; Lebouvier et al.,
2011). Particulièrement, les espèces inféodées aux milieux humides mais bien drainés, telles que la Brassicaceae Pringlea antiscorbutica R.Br. ex Hook.f. ou possédant des racines peu profondes, telles que les espèces de Ranunculus, devraient être les plus affectées par le changement climatique
(Le Roux et al., 2008).
A contrario, les espèces végétales introduites, provenant de régions tempérées, pourraient profiter de ces nouvelles conditions (Frenot et al., 2001). Les conditions climatiques froides des
îles Kerguelen sont un frein à l’installation et au développement de nouvelles espèces (Sinclair et al., 2003). Cependant, si le réchauffement persiste, les espèces introduites pourraient augmenter considérablement leur distribution sur l’île ainsi que leur impact sur la flore locale (Frenot et al.,
2006). On note d’ores et déjà une régression de l’autochtone Acaena magellanica au profit du pissenlit introduit Taraxacum officinale, régression qui serait due aux sécheresses estivales (Frenot et al., 2006).
1.3. Présentation des espèces étudiées
Dans cette thèse nous étudierons 4 espèces autochtones des îles Kerguelen, à savoir la Brassicaceae
Pringlea antiscorbutica R.Br. ex Hook.f. et les trois espèces de Ranunculus : Ranunculus biternatus Smith ; Ranunculus pseudotrullifolius Skottsb. ; et Ranunculus moseleyi Hook.f.
(Figure 2). Pringlea antiscorbutica aussi appelé le Chou de Kerguelen, est une espèce endémique de la Province Sud de l’Océan Indien (Van der Putten et al., 2010). Le Chou de Kerguelen est une espèce pérenne à reproduction sexuée uniquement (Hennion et Walton 1997a). Les individus matures produisent une quantité importante de graines (Hennion et Walton 1997a). Ces graines peuvent être dispersées par le vent (Schermann-Legionnet et al., 2007), mais également 5
Introduction générale
Ranunculus biternatus Smith Ranunculus pseudotrullifolius Skottsb.
Ranunculus moseleyi Hook.f. Brassicaceae Pringlea antiscorbutica R.Br. ex Hook.f.
Figure 2. Présentation des espèces étudiées
6
Introduction générale par l’eau de mer entre les différentes îles de l’archipel grâce à l’existence d’une gaine mucilagineuse gonflant au contact de l’eau (Hennion et Walton 1997a). P. antiscorbutica est autocompatible, et sa reproduction est essentiellement autogame (Schermann-Legionnet et al.,
2007). La phénologie de la floraison, notamment la déhiscence des fruits, varie selon l’altitude des individus, étant plus précoce à basse altitude (janvier) qu’à haute altitude (mars-avril) (Hennion et
Walton 1997a). P. antiscorbutica est présente dans une large gamme d’habitats à Kerguelen : on trouve la plante des pelouses littorales exposées aux embruns aux champs d’altitude (fell-fields) exposés aux vents jusqu’à environ 1000m, en passant par des prairies luxuriantes intérieures abritées du vent (Chastain, 1958). Ses habitats sont humides mais bien drainés (Hennion et Walton,
1997a). En cohérence avec cette distribution, P. antiscorbutica montre une forte tolérance aux températures froides, notamment aux épisodes de gel-dégel, ainsi qu’une tolérance aux embruns et
à l’inondation par les marées (Hennion et Walton, 1997b ; Hennion et Bouchereau, 1998 ; Hummel et al., 2004a,b).
Les trois espèces de renoncules étudiées présentent des distributions différentes. Ranunculus biternatus est circumpolaire australe, R. pseudotrullifolius uniquement magellanique et à
Kerguelen, tandis que R. moseleyi est décrite comme endémique des îles Kerguelen et des îles du
Prince Edward (Van der Putten et al. 2010). Cependant, la présence de R. moseleyi dans les îles du
Prince Edward, indiquée dans les années 1970, est remise en cause. En effet, R. moseleyi n’a plus
été retrouvée dans ces îles depuis des décennies (Steven Chown, comm. pers. à Françoise Hennion), ce qui ferait de R. moseleyi une espèce endémique stricte de Kerguelen (Lehnebach et al., 2017).
Les trois espèces de Ranunculus sont pérennes, et occupent des habitats différents sur l’archipel.
Ranunculus biternatus occupe une grande diversité d’habitats aussi bien aquatiques que terrestres
7
Introduction générale jusqu’à 500 m d’altitude (Hennion and Walton, 1997a; Réserve Naturelle des Terres Australes et
Antarctiques françaises and IPEV Programme 136, unpublished data).
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Introduction générale
Côte rocheuse avec communauté à Crassula Mare proche du littoral avec Ranunculus Eboulis et ruisseau de fell-field avec communauté moschata et Ranunculus pseudotrullifolius pseudotrullifolius et Acaena magellanica à Azorella selago, Acaena magellanica et Pringlea (Ile Australia) (Isthme Bas) antiscorbutica et bryophytes (Val Studer, Mont Crozier, altitude 400m)
Mare asséchée avec Ranunculus moseleyi et Acaena magellanica Prairie de mégaherbes à basse altitude avec Prairie intérieure à Acaena magellanica Pringlea antiscorbutica (Ile Australia) avec mares à Ranunculus biternatus (Port-Jeanne d’Arc, altitude 230m) (Val Studer, altitude 80m)
Figure 3. Présentation des milieux d’étude 9
Introduction générale
Ranunculus pseudotrullifolius, halophile, est trouvée dans des habitats proches de la côte soit terrestre sur le rivage, soit aquatique dans des mares peu profondes, et ponctuellement jusqu’à des altitudes modérées autour de 200m (Hennion et al., 1994 ; observation personnelle ; données de distribution Réserve Naturelle des TAAF / Programme IPEV 136, non publié). Ranunculus moseleyi, strictement aquatique, se trouve sur les berges de petits ruisseaux et les bords d’étendues d’eau douce (Hennion et al., 1994). Les populations de ces trois espèces forment des groupes denses de rosettes avec production de stolons. Les graines peuvent être dispersées par les cours d’eau ou le vent. Les trois espèces montrent une part importante d’autogamie par cléistogamie des fleurs immergées en conditions aquatiques, ainsi que de reproduction végétative (Hennion et al.,
1994). La floraison est observée de décembre à avril chez R. biternatus et R. pseudotrullifolius et de janvier à avril chez R. moseleyi (Hennion, 1992).
Les quatre espèces étudiées, indigènes des îles Kerguelen, sont inféodées à des milieux humides et froids (Hennion et al., 1994 ; Hummel et al., 2004b). Ces espèces sont décrites comme particulièrement vulnérables face au changement climatique (Le Roux et al., 2008). On note d’ores et déjà une mortalité importante des plantules de P. antiscorbutica (Hennion, 1992) qui pourrait
être due à la récurrence de sécheresses estivales (Frenot et al., 2006). L’objectif de cette thèse est de déterminer le potentiel adaptatif de ces espèces face au changement climatique.
2. Potentiel adaptatif des espèces face aux modifications de l’environnement 2.1. Définition de potentiel adaptatif
Il est difficile de déterminer avec certitude le devenir d’une espèce. On peut néanmoins définir la propension d’une espèce à faire face à d’éventuels changements environnementaux comme le potentiel adaptatif de l’espèce (Blow et Hoffmann, 2005 ; Valladares et al., 2007 ; Nicotra et al., 10
Introduction générale
2010 ; Bolnick et al., 2011). Le potentiel adapatif repose sur (i) la diversité existante entre individus et (ii) la réponse plastique individuelle. Une forte diversité entre individus augmente la probabilité qu’au moins un individu soit selectionné par le nouvel environnement (Blow et Hoffmann, 2005).
Une forte réponse plastique permet un ajustement des individus aux nouvelles conditions environnementales (Valladares et al., 2007). Le potentiel adaptatif sensu stricto s’intéresse aux caractères héritables des individus. Les réponses qui ne sont pas adaptatives sensu stricto parce que non héritables, peuvent cependant potentiellement faciliter des changements héritables (West-
Eberhardt, 2003). Le potentiel adaptatif au sens large considère tout ce qui contribue à la capacité d’une espèce à faire face aux possibles modifications de son environnement... Dans cette thèse, nous traiterons du potentiel adaptatif des espèces au sens large.
Le potentiel adaptatif peut être estimé à travers la variation des traits des individus, qu’il s’agisse de variation des traits (morphologique ou métabolomique) établie entre les individus (Nicotra et al., 2010), ou de capacité de réponse des individus, définie par la plasticité phénotypique (Sultan,
2000).
2.2. Variation des traits 2.2.1Notions générales :
La valeur des traits d’un individu est définie par l’histoire évolutive de l’individu (e.g. Powell et al. 2009; Prinzing et al. 2001) mais peut être également modelée par son environnement. Il est ainsi bien établi que la valeur des traits des individus peut varier, au sein d’une espèce, entre des populations soumises à différentes conditions environnementales (Van Valen, 1973; Schlichting,
1986). Une forte variation de valeurs des traits participe au potentiel adaptatif, qu’il s’agisse de
11
Introduction générale variation intra ou inter populations établie entre individus (Nicotra et al., 2010), ou de la capacité de réponse plastique des individus (West-Eberhardt, 2003).
2.2.2 Variation établie : a) Variation inter et intra population La variation des valeurs de traits existante entre populations témoigne de la capacité de l’espèce à faire face à de multiples environnements. De plus, les conditions environnementales prévalant dans les différentes populations témoignent du panel d’environnements d’ores et déjà supporté par l’espèce. Cette gamme environnementale donne une indication sur les conditions environnementales qui pourront être supportées dans le cadre du changement climatique, sans la représenter complètement (réserve de variabilité). Enfin, étudier les différences de traits entre populations soumises à différentes conditions environnementales permet de déterminer quels facteurs environnementaux influencent les traits et la performance des individus, donnant des indications sur la réponse des plantes aux changements climatiques. Dans le chapitre 1, nous déterminerons quels facteurs environnementaux influencent la performance des espèces des îles
Kerguelen.
La variation des traits existant au sein d’une population permet à la population de faire face aux changements environnementaux et participe également au potentiel adaptatif des espèces (Bolnick et al., 2011). Une forte variabilité des valeurs de traits existant à l’intérieur d’une population augmente la probabilité qu’une valeur de trait soit sélectionnée par le nouvel environnement. La variation des traits existant à l’intérieur d’une population pourrait être influencée par l’environnement (Debat et David, 2001 ; Bolnick et al., 2011). Notamment, des facteurs environnementaux stressants (Gicquiaud et al., 2002) peuvent limiter la variation intra-population des traits. En effet, des conditions stressantes peuvent augmenter la pression de sélection sur une
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Introduction générale valeur de trait optimale et ainsi diminuer la variation existante des traits. Jusqu’à présent, peu d’auteurs ont étudié l’influence de l’environnement sur le niveau de la variation intra population des traits. Dans le Chapitre 1, nous essaierons de déterminer si des facteurs environnementaux limitent la variation intra-population des traits aux îles Kerguelen.
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Introduction générale
b) Le cas des métabolites de réponse aux stress
Le potentiel adaptif peut être observé à différents niveaux d’un organisme : au niveau morphologique, mais également au niveau du métabolome, chaque niveau apportant des informations complémentaires. Le métabolome comprend deux classes de composés : métabolites primaires et secondaires. Les métabolites primaires (glucides, protéines et lipides) assurent le fonctionnement de base de l’organisme. Les métabolites secondaires, longtemps considérés comme de simples déchets du métabolisme (Hartmann, 2007), ont, en définitive, des rôles importants dans la réponse des plantes à leur environnement (Croteau et al., 2000 ; Groppa et Benavides, 2008).
Les métabolites secondaires sont en effet à l’interface entre l’environnement et le phénotype de la plante et sont très impliqués dans la protection des plantes contre les stress environnementaux
(Teuscher et Lindequist, 2010 ; Tiburcio et al., 2014). Parmi les métabolites secondaires, polyamines et flavonoïdes (notamment les flavonols) sont particulièrement reconnus pour être impliqués dans la réponse des plantes aux stress (Agati et al., 2012 ; Tiburcio et al., 2014 ; Hennion et al., 2016) et ce rôle semble aussi concerner certaines amines aromatiques (Hennion et al., 2006,
2012) . Les polyamines sont de plus des régulateurs du développement chez les plantes
(Bouchereau et al., 1999 ; Groppa et Benavides, 2008) avec de tels rôles montrés récemment aussi chez des amines aromatiques (Hennion et al., 2016).
Tout en étant spécifique de chaque taxon, la composition en amines (polyamines et amines aromatiques) varie en fonction des conditions environnementales chez P. antiscorbutica, R. biternatus, R. pseudotrullifolius et R. moseleyi (Hennion et al., 2012). Egalement, il a été montré que la composition en polyamines a un rôle de protection contre les stress environnementaux chez
P. antiscorbutica (Hennion et Martin-Tanguy 2000; Hummel et al 2004b). Par ailleurs, les quercétines sont les seuls flavonols présents chez ces espèces de renoncules (Hennion et al., 1994).
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Introduction générale
Leur composition varie entre différents environnements chez R. biternatus, R. pseudotrullifolius et
R. moseleyi (Hennion et al., 1994).
Nous cherchons maintenant à déterminer dans quelle mesure amines et quercétines peuvent permettre aux différentes espèces de plantes des îles Kerguelen de faire face au changement climatique. Nous déterminerons dans cette étude comment les plantes font d’ores et déjà face à leurs conditions environnementales entre populations et quels environnements naturels peuvent
être perçus comme stressants par les plantes (par exemple faible saturation en eau, salinité, ou altitude). Dans le chapitre 2, nous déterminerons, à partir de deux familles de composés (amines et quercétines), la relation entre métabolites de réponse au stress et conditions environnementales dans les différentes populations. Nous déterminerons également les relations des compositions en polyamines et quercétines avec le phénotype.
Les métabolites secondaires montrent une forte variabilité fonctionnelle (Croteau et al., 2000;
Pichersky et Gang, 2000; Wink, 2013). Ainsi, différents métabolites peuvent partager une même fonction (i.e. redondance fonctionnelle ; Wink, 2003 ; Hanada et al., 2011). Egalement, un métabolite donné peut avoir différents rôles au sein d’une même plante, dans des organes ou des environnements différents (i.e. versatilité fonctionnelle ; Wink, 2003; Lehmann et al., 2010; Di
Ferdinando et al., 2014). Cette variabilité fonctionnelle peut avoir des conséquences importantes sur la façon dont les plantes font face à leur environnement. Jusqu’alors, redondance et versatilité fonctionnelles n’ont pas été étudiées au niveau intra-spécifique, entre des populations distantes mais soumises à des environnements similaires. Un autre objectif du chapitre 2 sera de déterminer,
à partir de deux familles de composés (amines et quercétines) dans quelle mesure une variabilité fonctionnelle (redondance ou versatilité) est trouvée au sein des 3 espèces de Ranunculus R. biternatus, R. pseudotrullifolius et R. moseleyi.
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Introduction générale
2.2.3 Variation potentielle : plasticité
a) Définition
Si le concept de plasticité est connu depuis le début du XXème siècle (Johansen, 1909), il faut attendre Bradshaw (1965) avant que la plasticité ne soit clairement présentée. La plasticité est alors définie comme la différence des valeurs de traits d’un même génotype dans différents environnements. Des précisions ont, depuis, été apportées à cette définition (Sultan, 2000). Par exemple, on parle de plasticité réversible (i.e. flexibilité) ou irréversible (i.e. plasticité développementale ; Piersma et Drent, 2003). Le développement des analyses moléculaires a permis de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à la plasticité, notamment les processus
épigénétiques (Bird, 2002). Les études de génétique quantitative ont également permis de déterminer que la plasticité pouvait être héritable (Pigliucci, 2005). La plasticité est maintenant considérée comme un caractère quantitatif soumis à sélection. Au sens large, la plasticité représente la capacité d’un individu à ajuster la valeur de ses traits à différents environnements (West-
Eberhard, 2003).
b) Plasticité et bénéfices…
Le changement climatique entraine des modifications rapides des conditions environnementales.
Les plantes, en tant qu’organismes sessiles, n’ont d’autre choix que de faire face à ces modifications de leur environnement (Sultan, 2000). La plasticité phénotypique est considérée comme un moyen de faire face aux modifications rapides de l’environnement (Valladares et al., 2007) et participe fortement au potentiel adaptatif des espèces comme nous l’avons défini ci-dessus. Les espèces végétales montrent des capacités plastiques pour de nombreux traits morphologiques (Sultan,
2000 ; Richards et al., 2006). La plasticité a été fortement étudiée dans le cadre des invasions biologiques. 16
Introduction générale
Une plus forte plasticité est majoritairement trouvée chez l’espèce envahissante en comparaison avec l’espèce indigène (Davidson et al., 2011). Cette différence de plasticité permettrait à l’espèce envahissante d’exprimer soit (i) un phénotype avantageux dans plus d’environnements que l’espèce indigène (i.e. Jack-of-all-trades) (ii) un phenotype plus avantageux que l’espèce indigène, dans un environnement favorable (i.e. Master-of-some) (iii) les deux à la fois (i.e. Jack-and-Master ;
Richards et al., 2006). Un caractère permettant aux individus d’exprimer une performance élevée dans de nombreux environnement devrait être particulièrement sélectionné. Au contraire, beaucoup d’espèces montrent une faible plasticité (Valladares et al., 2007), et de plus en plus d’auteurs soulignent ses coûts et ses limites (Valladares et al., 2007 ; Auld et al., 2009 ; Valladares et
Niinemets, 2008).
c) … accompagnés de coûts
La plasticité, fréquemment montrée comme adaptative, (Dudley, 2004), peut également être mal- adaptative (Van Kleunen et Fischer, 2005; Ghalambor et al., 2007). De plus en plus d’auteurs remettent en cause l’idée, communément acceptée, que des individus très plastiques montrent une meilleure performance en réponse à un changement que des individus peu ou pas plastiques
(Valladare et al., 2005; Ghalambor et al., 2007; Valladares et al., 2007). La réponse plastique à un changement environnemental repose sur toute une machinerie physiologique incluant la perception d’un signal environnemental, la transduction de ce signal, et l’expression d’une réponse phénotypique (Vinocur et Altman, 2005). Cette cascade physiologique et morphologique induit des coûts pour l’organisme, qui sont définis en deux catégories. On distingue les coûts constitutifs (ou de maintenance) des coûts induits (ou de production ; Sultan et Spencer, 2002 ; Chevin et al., 2010).
Les coûts constitutifs font références à l’entretien de la machinerie physiologique ou l’acquisition d’informations environnementales. Les couts constitutifs sont indépendants de l’environnement et 17
Introduction générale présents chez tous les individus plastiques (Auld et al., 2009). Les coûts induits font référence aux coûts de la modification phénotypique lors d’une réponse plastique, et dépendent de l’intensité de la réponse (Sultan et Spencer, 2002 ; Chevin et al., 2010). Les coûts associés à la plasticité pourraient affecter la performance des individus plastiques. Au-delà des modèles théoriques, peu d’études empiriques ont montré des couts (constitutifs et induits) de plasticité et encore moins ont analysé leur influence sur la performance des individus (Pigliucci, 2005 ; Valladares et al., 2007;
Auld et al., 2009).
Dans le chapitre 3, nous déterminerons les capacités plastiques des différentes espèces, face à des conditions environnementales susceptibles d’être trouvées dans le cadre d’un changement climatique. Nous chercherons à mettre en évidence les couts éventuels (constitutifs ou induits) de la plasticité et déterminer si une réponse plastique est liée à une meilleure ou une moins bonne performance.
3. Forte intégration phénotypique : quelle influence sur le potentiel adaptatif des espèces ?
3.1. Définition de l’intégration phénotypique
Les différents traits d’une plante ne varient pas indépendamment les uns des autres (Murren, 2002).
La variation des traits est aussi influencée par des interactions intrinsèques entre traits.
L’intégration phénotypique représente l’interdépendance des traits morphologiques et résulte de la nécessité d’un organe ou d’un organisme à maintenir des valeurs de traits cohérentes. L’intégration phénotypique est formellement définie comme le nombre et la force des corrélations entre les traits d’un individu (Pigliucci et al., 2003; Murren, 2012; Armbruster et al., 2014 ; Figure 4).
L’intégration phénotypique pourrait résulter de contraintes intrinsèques génétiques, développementales ou fonctionnelles (Pigliucci et Kaplan, 2010 ; Murren, 2012). Des modèles
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Introduction générale génétiques conceptuels identifient la pléiotropie ou les déséquilibres de liaison comme des causes possibles de l’intégration (Conner, 2002 ; Murren, 2012). La pléiotropie est définie comme la capacité d’un gène à influencer l’expression de multiples autres gènes, qui voient alors leurs expressions corrélées. Les déséquilibres de liaison impliquent quant à eux, une interconnexion physique entre plusieurs gènes. L’intégration phénotypique peut également résulter de contraintes développementales ou fonctionnelles (Armbruster et al., 2014), différents traits ayant une croissance coordonnée afin de respecter la cohérence architecturale développementale ou fonctionnelle de l’organe dans lequel ils sont impliqués et in fine de l’organisme.
L’intégration phénotypique a principalement été étudiée dans le cadre de l’interaction entre traits floraux et pollinisateurs (Murren, 2012). Il a cependant été mis en évidence que l’intégration concernait aussi bien les traits floraux que végétatifs (Armbruster et al., 2014). La notion d’intégration est étroitement reliée à la notion de modularité fonctionnelle (Diggle, 2014). Ainsi, différents traits au sein d’un même module fonctionnel (tel que le module floral), sont plus fortement corrélés que des traits appartenant à différents modules fonctionnels. La modularité reflète différents niveaux d’intégration fonctionnelle au sein d’un individu. On observe alors un degré décroissant d’intégration entre les traits d’un organe ; les traits de différents organes rattachés
à la même fonction ; et in fine les traits de l’organisme entier. La modularité, permet le maintien de la cohérence fonctionnelle des organes, tout en autorisant la variation indépendante de traits impliqués dans des fonctions différentes.
Si l’intégration phénotypique est définie au niveau de l’individu, elle s’estime cependant au niveau de plusieurs individus (Schlichting, 1989 ; Rapson et Maze, 1994 ; Pigliucci, 2003). En effet, il est techniquement nécessaire d’observer une variation de traits pour estimer un degré d’intégration. Il est important de préciser que - si l’on excepte un degré de variance nul (qui ne
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Introduction générale permet pas d’estimer l’intégration) - le degré de variance des traits n’influence cependant en rien le degré d’intégration. Contrairement à l’intuition générale, le degré de variation des traits n’est pas, mathématiquement positivement (ou négativement) relié au degré d’intégration phénotypique
(Figure 1, Chapitre 1).