Organisation de la diversité spécifique et génétique au sein de deux ordres d'insectes aquatiques en Suisse occidentale Alexis Reding Master PEP 2010 Supervision

Organisation de la diversité spécifique et génétique au

sein de deux ordres d'insectes aquatiques en Suisse occidentale

Alexis RedingMaster PEP 2010

Supervision par: Dr. N. Alvarez, Dr. M. Bouzelboudjen & Dr. J.-P. G. Reding

EphéméroptèresBaetis rhodani

• Probablement un des plus anciens ordres

d’insectes aquatiques encore vivant

• Apparition au Carbonifère supérieur

(~300mya)

• ~ 3000 sp. (42 familles), dont ~ 350 en

Europe

• Distribution mondiale

• Milieux aquatiques diversifiés (eaux

courantes et stagnantes)

• Imités pour la pêche à la mouche

Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding

•Barber-James HM, Gattolliat J-L, Sartori M, Hubbard MD. 2008. Global diversity of mayflies (Ephemeroptera, Insecta) in freshwater. Hydrobiologia 595:339-350

INTRODUCTION

Brittain J.E. & Sartori M. 2003. Ephemeroptera (Mayflies). Pages 373-380 in Resh VH; Cardé RT. (eds). Encylopedia of Insects. Academic Press, Amsterdam. Tachet H. & Richoux P. & Bournaud M. & Usseglio-Polatera P. 2002. Invertébrés d’eau douce: systématique, biologie, écologie, Paris, CNRS Editions. 587 pp.

PlécoptèresDinocras cephalotes

Nemoura dubitans

• Apparition contemporaine aux

Ephéméroptères (~300 mya)

• ~ 3500 sp. (16 familles), dont ~430 en

Europe

• Distribution mondiale

• Spécialistes des eaux froides et

courantes

• En général très sensibles à la pollution

(classe la plus poluo-sensible de l’IBGN

composée exclusivement de Plécoptères)

• Fochetti R, Tierno de Figueroa JM. 2008. Global diversity of stoneflies (Plecoptera, Insecta) in freshwater. Hydrobiologia 595:365–377

INTRODUCTION

Photo: Photo: A. RuffoniTachet H. & Richoux P. & Bournaud M. & Usseglio-Polatera P. 2002. Invertébrés d’eau douce: systématique, biologie, écologie, Paris, CNRS Editions. 587 pp. DIREN Haute-Normandie – Service Eau et Nature – Laboratoire d’hydrobiologie : Généralités sur l’Indice Biologique Global Normalisé (I.B.G.N.) (http://www.haute-normandie.developpement-durable.gouv.fr/suivi-de-la-qualite-biologique-des-r224.html)


Mon projet

Volet biogéographique

• Relation entre la faune E+P des

massifs du Jura et des Alpes

INTRODUCTION

2) Volet écologique

Focus sur deux cas de figure:

2) Taxon présent dans les deux massifs mais

plus largement répandu dans les Alpes,

spécimens jurassiens non dissociables des

alpins sur la base de critères morphologiques

1) Couple de taxons, un endémique

du Jura à distribution restreinte et

son cousin alpin morphologiquement

très proche et largement répandu

Spéciation ?Spéciation:-Origine?-Fondement?


Pour l’instant, seules des descriptions morphologiques en quantité limité attestent cette thèse

Phylogénie basée sur des données moléculaires

VOLET BIOGÉOGRAPHIQUE – QUESTIONNEMENT


Cas d’étude

1) TAXONS ENDÉMIQUES DU JURA 1) TAXONS PROCHES DES ALPES

Baetis nubecularis (Ephemeroptera) Baetis alpinus (Ephemeroptera)

Perlodes jurassicus (Plecoptera) Perlodes intricatus (Plecoptera)

2) TAXONS PRÉSENTS DANS LES DEUX MASSIFS

Chloroperla susemicheli (Plecoptera)

Leuctra braueri (Plecoptera)

Résumé

• Proximité voir identité morphologique entre spécimens alpins et jurassiens

• Similitude des profils de distribution entre les taxons des deux groupes

(endémique/cousin et taxon unique): spécimens fréquents dans les Alpes

mais limités dans le Jura



Impact : si mes hypothèses se vérifient…

• Confirmation moléculaire du statut d’endémique pour B. nubecularis et P. jurassicus

• Endémisme aussi applicable aux spécimens des taxons du second groupe ->

reconsidération de la richesse spécifique du massif jurassien et influence sur les

décisions à prendre dans les efforts de préservation de la faune

• Massif du Jura = zone refuge durant les glaciations

1) La diversification des endémiques est le résultat d’un isolement par les glaciations

des deux massifs au cours des dernières 3 millions d’années (pléistocène) et se reflète

au niveau génétique

2) Les taxons du second groupe, également isolés par les glaciations, présentent une

distinction du point de vue génétique similaire à celle des endémiques

Hypothèses

P. jurassicus

• Histoire mouvementée

• Confusion avec P. intricatus (très proche

morphologiquement)

• Clarification par Knispel et al. (2002)

L’EXEMPLE DE PERLODES JURASSICUS (AUBERT, 1946) ET P. INTRICATUS (PICTET, 1842)

• Aubert J (1946) Les Plécoptères de la Suisse romande. Bulletin de la Société entomologique suisse 20: 7–128• Berthélemy C (1964) Intérêt taxonomique des oeufs chez les Perlodes européens (Plécoptères). Bulletin de la Société d'histoire naturelle de Toulouse 99(3-4): 529-537• Berthélemy C, Laur C (1975) Plécoptères et Coléoptères aquatiques du Lot (Massif Central Français). Annales de Limnologie 11(1) : 263-285• Knispel S, Rosciszewska E, Vinçon G, Lubini V (2002) The status of Perlodes jurassicus AUBERT, 1946 (Insecta: Plecoptera: Perlodidae). Bulletin de la Société Entomologique Suisse 75: 183-189

Photo: J.-P. G. Reding


Ecologie Adobe Acrobat Document

B. nubecularis

• 1ère mention par EATON en 1898

• Apparentement à B. alpinus soupçonné par MÜLLER-LIEBENAU dès 1969

• Redescription par SARTORI en 1985

• Atlas de distribution des Ephéméroptères par SARTORI & LANDOLT (CSCF 1999),

travaux de REDING J.-P. G. et STUCKI P. synthétisés par WAGNER en 2005 pour B.

nubecularis

• Confirmation du statut de seul Ephéméroptère endémique jurassien

L’EXEMPLE DE BAETIS NUBECULARIS EATON, 1898 ET BAETIS ALPINUS (PICTET, 1843)

• Eaton A.E. (1898) Ephemeridae taken by McLachlan in the district of the Lake de Joux in 1898. Entomologist’s Monthly Magazine 34: 265-266


Ecologie

• Müller-Liebenau I. (1969) Revision der europaïschen Arten der Gattung Baetis LEACH, 1815 (Insecta, Ephemeroptera). Gewäss. Abwäss. 48-49: 1-214• Sartori M. (1985) New records and redescription of Baetis nubecularis Eaton, 1898 from the Swiss Jura (Ephemeroptera, Baetidae). Aquatic Insects 7 (4): 209-214• Wagner A. (2005) Inventaire des Ephémères de France: quelques citations d’espèces rares ou nouvelles pour le Massif du Jura [Ephemeroptera]. Ephemera 6 (2): 65-71• Centre Suisse de Cartographie de la Faune (CSCF) – Chronique de la faune – Espèces rares (faune indigène) septembre 2011. http://www.cscf.ch/cscf/page-20447_fr.html

C. susemicheli

•

L’EXEMPLE DE CHLOROPERLA SUSEMICHELI ZWICK, 1967


Ecologie

Autre question

• Vecteur de dispersion?

Hypothèses

• Les larves sont les principaux acteurs de la dispersion les grands bassins

versants (Rhin, Rhône) sont les déterminants de la structuration génétique des

espèces

• Les adultes sont les principaux acteurs de la dispersion la proximité

géographique régit la structuration (isolation génétique par la distance; les

grands massifs sont structurants)



Rappel: questions et impact

• Les populations jurassiennes de mes taxons d’intérêt peuvent-elles être

considérées comme endémiques du point de vue génétique?

• Les biotopes jurassiens les hébergeant doivent-ils être considérés simplement

comme l’extrême limite d’une aire de répartition alpine, ou alors au contraire

comme des centres précieux du point de vue évolutif ?

• La structuration génétique à l’intérieur de mes groupes reflète-t-elle une

ségrégation des populations par les bassins versants?



Séquençage de deux gènes mitochondriaux (16S et COI)

Reconstruction des relations phylogénétiques avec des analyses en parcimonie et en inférence bayésienne avec utilisation d’une horloge moléculaire mitochondriale pour inférer les temps de divergence

Collecte (février-décembre 2010)

• Parapluie japonais : battage de la végétation et récupération dans le parapluie (adultes)• Recherche active sur les rochers, parois ou autres surfaces (adultes)• Piège lumineux (adultes)• Épuisette à maillage fin et raclage des fonds meubles et de la végétation aquatique des cours d’eau (larves)• Recherche active sous les cailloux tapissant les cours d’eau (larves)• Capture grâce à une pincette entomologique• Conservation dans de l’éthanol à 96%

VOLET BIOGÉOGRAPHIQUE – MATÉRIEL & MÉTHODES: PHASE DE COLLECTE



Une cinquantaine de cours d’eau visités dans le Jura plus une dizaine dans les Alpes et Préalpes entre février et décembre 2010


















Laboratoire (mars-juillet 2011)

• Extraction de l’ADN avec le « Dneasy Blood & Tissue Kit » (QIAGEN, Germany)

• Amplification de régions mitochondriales informatives par PCR: 16S et COI

• Amorces:

VOLET BIOGÉOGRAPHIQUE – MATÉRIEL & MÉTHODES: PHASE DE SÉQUENÇAGE


COI

C1-J-1751 F 5'-GGATCACCTGATATAGCATTCCC-3' Simon et al, 1994C1-N-2191 R 5'-CCAGGTAAAATTAAAATATAAACTTC-3'LCO1490 F 5'-GGTCAACAAATCATAAAGATATTGG-3' Folmer et al, 1994HCO2198 R 5'-TAAACTTCAGGGTGACCAAAAAATCA-3'

16S LR-J-12864 F 5'-CTCCGGTTTGAACTCAGATCA-3' Arnedo et al, 2001LR-N-13398 R 5'-CGCCTGTTTATCAAAAACAT-3'

• Séquençage au CIG à Lausanne

Analyses

• Nettoyage des séquences avec Chromas Lite

• Alignements selon MUSCLE avec BioEdit et MEGA

• Reconstruction phylogénétique en parcimonie avec TCS

• Reconstruction phylogénétique en inférence bayésienne avec BEAST

• Datation d’un chronogramme en utilisant les horloges moléculaires classiques

de l’ADN mitochondrial chez les insectes

VOLET BIOGÉOGRAPHIQUE – MATÉRIEL & MÉTHODES: PHASE D’ANALYSE


• Borer M, Alvarez N, Buerki S, Margraf N, Rahier M, Naisbit R E (2010) The phylogeography of an alpine leaf beetle: Divergence within Oreina elongata spans several ice ages, Molecular Phylogenetics and Evolution 57 703–709

Résultats

• Perlodes jurassicus & Perlodes intricatus

• Baetis nubecularis & Baetis alpinus

• Chloroperla susemicheli

• Leuctra braueri

VOLET BIOGÉOGRAPHIQUE – RÉSULTATS


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Autres taxons remarquables

VOLET BIOGÉOGRAPHIQUE – CONCLUSION


• Drusus mixtus (Trichoptera) et Dictyogenus jurassicus (Plecoptera) : endémique

jurassiens

• Leuctra rauscheri et Protonemura brevistyla (Plecoptera): distribution similaire à

C. susemicheli ou L. braueri

Mon projet

INTRODUCTION

2) Volet écologique

• Evaluation de la diversité phylogénétique dans différentes communautés E+P

• Collection J.-P. G. REDING forte de plus de 15’000 spécimens, collectés

essentiellement dans le Jura franco-suisse depuis 1989

• Stations visitées régulièrement:

• Emerson BC & Gillespie RG (2008) Phylogenetic analysis of community assembly and structure over space and time. Trends in Ecology and Evolution Vol.23(11):619-630.


Questions

• Comment se structurent les communautés d’un point de vue phylogénétique?

VOLET ÉCOLOGIQUE – QUESTIONNEMENT

Les espèces d’une même communauté sont agrégées dans la phylogénie

Les espèces d’une même communauté sont sur-dispersées dans la phylogénie

Les espèces d’une même communauté sont réparties selon un modèle neutre dans la phylogénie

Agrégation = une ou quelques lignées s’adaptent à l’habitat, et s’y diversifientModèle neutre: pas de contrainte des relations phylogénétiques dans l’assemblage de la communautésSur-dispersion: certains facteurs (notamment la compétition) déterminent une structuration des communautés où pour coexister, les espèces doivent être suffisamment différentes d’un point de vue phylogénétique


Questions

• Que reflète ces situations phylogénétiques sur le plan écologique?

• Clustering: adaptations clés rares et à la base de la diversification d’une lignée,

le milieu contraignant est principalement responsable de cet assemblage

• Overdispersion: cet assemblage peut être le résultat d’une des deux forces

écologiques majeures, selon que l’adaptation clé soit conservée ou convergente



• Webb CO, Ackerly DD, McPeek MA, Donoghue MJ (2002) Phylogenies and community ecology. Annual Review of Ecology and Systematics, 33, 475–505.

Hypothèses

• Un milieux contraignant pour mes insectes aquatiques, comme une tourbière,

est associé à un clustering ; la diversité phylogénétique y est moindre que dans un

cours d’eau



Impact

• Diversité génétique ~ diversité métabolique ~ potentiel évolutif

• Cas critique: communauté pauvre en espèces mais recelant une grande diversité

phylogénétique (dommages accrus en cas d’extinction)

Cas d’étude

• Mesure et comparaison de la diversité phylogénétique dans différents types de

milieux aquatiques hébergeant des communautés E+P

• Données disponibles et nécessité de connaître la diversité spécifique exhaustive

des milieux conduisent à cette sélection:



Tourbières Résurgences Sources Ruisseaux Rivières

Cachot Areuse Conte Dénériaz Noiraigue

Vraconnaz Noiraigue Ruisseau du Val Saut de l’Eau Buttes

Vurpillières Soubey Consolation Combes Dernier

Champ du Moulin

• Faith DP (1992) Conservation Evaluation and Phylogenetic Diversity. Biological Conservation, 61: 1-10.

Tourbière du Cachot dans la vallée de la Brévine (NE)

Laboratoire (mars-juillet 2011)

• Extraction de l’ADN avec le « Dneasy Blood & Tissue Kit » (QIAGEN, Germany)

• Amplification de régions nucléaire et mitochondriales informatives: 16S, COI et 28S

• Amorces:

VOLET ÉCOLOGIQUE – MATÉRIEL & MÉTHODES: PHASE DE SÉQUENÇAGE


COILCO1490 F 5'-GGTCAACAAATCATAAAGATATTGG-3'

Folmer et al, 1994HCO2198 R 5'-TAAACTTCAGGGTGACCAAAAAATCA-3'

16SLR-J-12864 F 5'-CTCCGGTTTGAACTCAGATCA-3'

Arnedo et al, 2001LR-N-13398 R 5'-CGCCTGTTTATCAAAAACAT-3'

28S28S D2 for F 5'-AGA GAG AGT TCA AGA GTA CGT G-3'

Belshaw & Quicke, 199728S D2 rev R 5'-TTG GTC CGT GTT TCA AGA CGG G-3'

• Séquençage au CIG à Lausanne

Analyses

• Nettoyage des séquences avec Chromas Lite

• Alignements selon MUSCLE avec BioEdit et MEGA

• Reconstruction phylogénétique en inférence bayésienne avec MrBayes

• Matrices de présence / absence des espèces dans mes stations (requêtes

sous ACCESS sur les données de la collection REDING)

• Calcul de la diversité phylogénétique, des indices d’agrégation / dispersion

par milieux et tests statistiques avec R (package « picante »), ordres séparés

VOLET ÉCOLOGIQUE – MATÉRIEL & MÉTHODES: PHASE D’ANALYSE


Résultats

VOLET ÉCOLOGIQUE – RÉSULTATS


• Phylogénies (arbre)

Résultats

VOLET ÉCOLOGIQUE – RÉSULTATS


• Diversité phylogénétique avec le package « picante » sous R

Volet écologique – extensions

VOLET ÉCOLOGIQUE – CONCLUSION


• Spécimens E+P sédentaires, cycle de vie bouclé sur une faible surface

• Nécessité d’affiner l’échelle d’étude des communautés le long des cours d’eau

• Création d’un modèle de ma zone d’étude selon la méthode de cartographie en

zones homogènes ->segmentation des cours d’eau en fonction de facteurs:

obstacle naturel (cascades) ou anthropique (barrages, corrections de lit)

substrat

réseau hydrologique (confluences)

petit bassin versant

• Optimisation de l’échantillonnage en vue des hypothèses à tester

• Collecte dans les segments ainsi définis pour en connaître la diversité spécifique

Modèle de terrain – facteurs structurants

VOLET ÉCOLOGIQUE – CONCLUSION


• Obstacles naturels (cascades) ou anthropiques (barrages, corrections de lit)

• Substrats

• Réseau hydrologique (confluences)

• Petits bassins versants (qualité de l’eau)

Pour la suite

CONCLUSION


• Perfectionnement d’une base de données pour organiser la partie laboratoire

• Systématique des Plécoptères à revisiter

• Inclusion des Trichoptères dans mes analyses

• Calcul de la diversité phylogénétique à plus grande échelle (grille de 5x5km sur

l’ensemble de la Suisse (si disponibilité des données du CSCF)

Un grand merci à toutes les personnes qui m’ont aidé durant ce travail:

Documents

Organisation de la diversité spécifique et génétique au sein de deux ordres d'insectes aquatiques en Suisse occidentale Alexis Reding Master PEP 2010 Supervision