Population Genetics of Capercaillie (Tetrao Urogallus) in the Jura and the Pyrenees: a Non-Invasive Approach to Avian Conservation Genetics
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FACULTÉ DE BIOLOGIE ET DE MÉDECINE Département d’Écologie et Évolution Laboratoire de Biologie de la Conservation Population genetics of Capercaillie (Tetrao urogallus) in the Jura and the Pyrenees: a non-invasive approach to avian conservation genetics Thèse de doctorat ès sciences de la vie (PhD) présentée à la Faculté de Biologie et de Médecine de l’Université de Lausanne par Sébastien Regnaut Biologiste diplômé de l’Université de Lund (Suède) Jury Prof. Jacques Hausser, Président et Rapporteur Dr Luca Fumagalli, Directeur de thèse Dr Pierre Taberlet, expert Dr Isabelle Dupanloup, experte Lausanne 2004 Ce travail est dédié à mon grand père Kléber Lagneaux qui m’a initié et intéressé aux choses de l’esprit et des sciences S. Regnaut, 2004, PhD Thesis: Conservation genetics of Western Capercaillie 1/180 2/180 S. Regnaut, 2004, PhD Thesis: Conservation genetics of Western Capercaillie RÉSUMÉ Le Grand tétras est un galliforme de montagne apparenté au faisan et au tétras lyre. Il est distribué de manière continue à travers la toundra et les montagnes de moyenne altitude en Europe de l’ouest. Toutefois, les populations d’Europe de l’ouest ont subi un déclin constant au cours des derniers siècles. Les causes de ce déclin sont probablement liées à l’activité humaine, telle que l’élevage ou le tourisme, qui ont engendré une modification et une fragmentation de l’habitat de l'espèce. Malheureusement, les populations soumises à de forts déclins démographiques peuvent subir des effets génétiques (augmentation de la consanguinité et perte de diversité génétique) pouvant diminuer leur potentiel de reproduction et conduire irrémédiablement à l’extinction. Cette thèse présente les analyses conduites dans le but d'estimer l’impact du déclin démographique des populations de Grand tétras sur l'étendue et la distribution de leur variabilité génétique dans le Jura et dans les Pyrénées. Du fait de la législation locale protégeant les tétraonidés en général, mais également en raison de la biologie très cryptique du Grand tétras, l'ensemble des analyses de cette étude a été réalisé à partir de matériel génétique extrait des fientes (ou échantillonnage génétique non invasif). Dans la première partie de l’étude, je détaille les protocoles d’extraction d’ADN et d’amplification par PCR modifiés à partir des protocoles classiques utilisant des échantillons conventionnels, riches en ADN. L’utilisation d’ADN fécal impose des contraintes dues à la mauvaise qualité et à la faible quantité du matériel génétique à disposition dans les fientes. Ces contraintes ont pu être partiellement contournées en réalisant des répétitions multiples du génotypage afin d'obtenir un degré de fiabilité suffisante. J’ai également analysé les causes de la dégradation de l’ADN dans les excréments. Parmi les causes les plus communes, telles que l’activité bactérienne, l’hydrolyse spontanée et la dégradation enzymatique par les DNases libres, c’est ce dernier facteur qui apparaît comme étant la cause majeure et la plus rapide responsable de la dégradation de la qualité des échantillons. La rapidité de l’action enzymatique suggère que les plans d’échantillonnages de excréments sur le terrain pourraient être optimisés en les réalisant dans des conditions climatiques froides et sèches, favorisant ainsi l’inhibition des DNases. S. Regnaut, 2004, PhD Thesis: Conservation genetics of Western Capercaillie 3/180 La seconde partie de la thèse est une étude par simulation visant à déterminer la capacité du logiciel Structure à identifier les structures génétiques complexes et hiérarchiques fréquemment rencontrées dans les populations naturelles, et ce en utilisant différents types de marqueurs génétiques. Les troisième et quatrième parties de cette thèse décrivent le statut génétique des populations résiduelles du Jura et des Pyrénées à partir de l'analyse de 11 loci microsatellites. Nous n'avons pas pu mettre en évidence dans les deux populations des effets liés à la consanguinité ou à la réduction de la diversité génétique. De plus, la différenciation génétique entre les patches d’habitats favorables reste modérée et corrélée à la distance géographique, ce qui suggère que la dispersion d’individus entre les patches a été importante au moins pendant ces dernières générations. La comparaison des paramètres de la diversité génétique avec ceux d’autres populations de Grand tétras, ou d’autres espèces proches, indique que la population du Jura a retenu une proportion importante de sa diversité originelle. Ces résultats suggèrent que le déclin récent des populations a jusqu’ici eu un impact modéré sur les facteurs génétiques et que ces populations semblent avoir conservé le potentiel génétique nécessaire à leur survie à long terme. Finalement, en cinquième partie, l’analyse de l’apparentement entre les mâles qui participent à la parade sur les places de chant (leks) indique que ces derniers sont distribués en agrégats de manière non aléatoire, préférentiellement entre individus apparentés. De plus, la corrélation entre les distances génétique et géographique entre les leks est en accord avec les motifs d'isolement par la distance mis en évidence à d’autres niveaux hiérarchiques (entre patches d’habitat et populations), ainsi qu’avec les études menées sur d’autres espèces ayant choisi ce même système de reproduction. En conclusion, cette première étude basée uniquement sur de l'ADN nucléaire aviaire extrait à partir de fèces a fourni des informations nouvelles qui n’auraient pas pu être obtenues par une méthode d’observation sur le terrain ou d'échantillonnage génétique classique. Aucun oiseau n’a été dérangé ou capturé, et les résultats sont comparables à d’autres études concernant des espèces proches. Néanmoins, la taille de ces populations approche des niveaux au dessous desquels la survie à long terme est fortement incertaine. La persistance de la diversité génétique pour les prochaines générations reste en conséquence liée à la survie des adultes et à une reprise du succès de la reproduction. 4/180 S. Regnaut, 2004, PhD Thesis: Conservation genetics of Western Capercaillie ABSTRACT Capercaillie (Tetrao urogallus) is a large grouse that is continuously distributed across the tundra and the mid-high mountains of Western Europe. However, the populations in Western Europe have been showing a constant decline during the last decades. The causes for this decline are possibly related to human activities, such as cattle breeding and tourism that have both led to habitat modification and fragmentation. Unfortunately, populations that have undergone drastic demographic bottlenecks often go through genetic processes of inbreeding and loss of diversity that decrease their fitness and eventually lead to extinction. This thesis presents the investigations conducted to estimate the impact of the demographic decline of capercaillie populations on the extent and distribution of their genetic variability in the Jura and in the Pyrenees mountains. Because grouse are protected by wildlife legislation, and also because of the cryptic behaviour of capercaillie, all DNA material used in this study was extracted from faeces (non-invasive genetic sampling). In the first part of my thesis, I detail the protocols of DNA extraction and PCR amplification adapted from classical methods using conventional DNA-rich samples. The use of faecal DNA imposes specific constraints due to the low quantity and the highly degraded genetic material available. These constraints are partially overcome by performing multiple genotyping repetitions to obtain sufficient reliability. I also investigate the causes of DNA degradation in faeces. Among the main degraders, namely bacterial activity, spontaneous hydrolysis, and free- DNase activities, the latter was pointed out as the most important according to our experiments. These enzymes degrade DNA very rapidly, and, as a consequence, faeces sampling schemes must be planned preferably in cold and dry weather conditions, allowing for enzyme activity inhibition. The second part of the thesis is a simulation study aiming to assess the capacity of the software Structure to detect population structure in hierarchical models relevant to situations encountered in wild populations, using several genetic markers. The methods implemented in Structure appear efficient in detecting the highest hierarchical structure. The third and fourth parts of the thesis describe the population genetics status of the remaining Jura and Pyrenees populations using 11 S. Regnaut, 2004, PhD Thesis: Conservation genetics of Western Capercaillie 5/180 microsatellite loci. In either of these populations, no inbreeding nor reduced genetic diversity was detected. Furthermore, the genetic differentiation between patches defined by habitat suitability remains moderate and correlated with geographical distance, suggesting that significant dispersion between patches was at work at least until the last generations. The comparison of diversity indicators with other species or other populations of capercaillie indicate that population in the Jura has retained a large part of its original genetic diversity. These results suggest that the recent decline has had so forth a moderate impact on genetic factors and that these populations might have retained the potential for long term survival, if the decline is stopped. Finally, in the fifth part, the analysis of relatedness between males participating in the reproduction parade, or lek, indicate that capercaillie males, like has been shown for some other grouse species, gather