1 - Introduction
A - Température et adaptabilité des espèces
La température est l’un des paramètres majeurs contrôlant la distribution des espèces sur le globe. Ce paramètre affecte à la fois la tolérance physiologique et les interactions écologiques, en particulier pour les espèces ectothermes, ne pouvant pas compenser les variations de température. A l’heure actuelle, la réalité du réchauffement climatique est entendue unanimement dans la communauté scientifique, et les modèles visant à prévoir l’évolution de divers paramètres environnementaux tels que la température, la pluviométrie, la sécheresse ou le taux de CO2 se multiplient (Cox et al., 2000 ; Hansen et al., 2000 ; Dai, 2013). Une partie de ces modèles se base sur différents scénarios définis par l’IPCC (comité intergouvernemental sur le changement climatique) prenant en compte des mesures quantitatives des populations humaines à des échelles régionales (développement économique, efficacité énergétique, disponibilité énergétique, productivité agraire, contrôle local de la pollution, etc …).
En corrélation avec ce réchauffement, de nombreuses espèces ont déjà commencé une migration vers les pôles ou vers de plus hautes altitudes (Parmesan and Yohe, 2003), avec un déplacement atteignant 50 km par décennie en moyenne pour l’océan (Helmuth et al., 2006). Ainsi certaines espèces marines littorales se sont déplacées et on a notamment observé l’entrée d’espèces tropicales dans la Méditerranée (Lejeusne et al., 2009). De même, sur la côte Ouest des Etats Unis, la limite entre deux espèces de patelles du genre Lottia, l’une Nord et l’autre Sud, a migré de 75 km vers le Nord en l’espace de 20 ans. Cette différence d’aire de répartition est de plus corrélée à la stabilité thermique d’une enzyme étudiée comme indicateur de l’adaptation thermique (Dong et Somero, 2009). Dans l’Atlantique Nord-Est, la température moyenne des eaux de surface a augmenté de 0,23°C par décennie entre 1977 et 2007 (Goikoetxea et al 2009). Au cours de la même période dans cette région, la moule Mytilus edulis et la telline Macoma balthica ont migré, respectivement, de 1000 et 300 km vers le Nord (Berge et al 2005 ; Jansen et al 2007). Dans ce contexte, la capacité de dispersion des espèces aura une grande importance dans le changement de leurs aires de répartition (Malcolm et al., 2002 ;
Hijmans & Graham, 2006 ; Pearson, 2006). Ces déplacements dans le temps ou l’espace consistent en fait à l’exploitation d’une nouvelle niche favorable et à l’abandon d’une ancienne devenue quant à elle défavorable (Pauls et al., 2013).
Si les espèces ayant des aires de répartition continue sur une large gamme de latitudes peuvent modifier leur distribution, des barrières physiques (masses de terres, profondeur non adaptée) ou biotiques (prédation, compétition, parasitisme) peuvent s’opposer à leur déplacement. Dans le cas des espèces de haute altitude ou des espèces polaires, ce sont les zones climatiques elles-mêmes qui vont disparaître. Dans ce cas, deux scénarios sont possibles : soit la connectivité avec d’autres populations de la même espèce porteuses d’allèles plus adaptés aux conditions chaudes permet le passage de ces allèles vers la population qui fait l’expérience d’une augmentation de température (disparition d’allèles d’adaptation locale froide), soit la capacité de survie de l’espèce dépendra de son adaptabilité aux nouvelles conditions, et donc de son polymorphisme pré-existant ou de l’apparition de nouvelles mutations (Barrett & Schluter, 2008). Pour ce qui est de l’apparition de nouvelles mutations, le taux de mutation et la taille efficace de la population sont les paramètres clé puisqu’ils traduisent la probabilité qu’un évènement mutationnel arrive dans un laps de temps donné. Ce taux de mutation peut varier selon les gènes et leur position le long des chromosomes (Taddei et al., 1997) et dépend également de l’efficacité des mécanismes de réparation de l’ADN (Sniegowski et al., 1997). Cependant, le temps de génération est aussi très important pour que la fréquence allélique change dans la population et pour que l’adaptation soit efficace (voir Peck, 2011 pour une revue). Ainsi, pour une espèce marine avec un temps de génération de quelques années, une mutation ne pourra se répandre dans la population (augmentation de fréquence) que sur plusieurs décennies au moins. Cette échelle de temps n’est pas compatible avec la vitesse de réchauffement actuel, d’autant plus que la température affecte potentiellement tout le génome et que la probabilité d’apparition de mutations bénéfiques sur chaque locus est très faible. L’adaptabilité aux conditions changeantes peut aussi s’envisager sous l’angle de nouvelles combinaisons d’allèles favorisant une meilleur ‘fitness’. Si on utilise la représentation de l’environnement comme un paysage adaptatif (Wright, 1982), les mutations peuvent induire un déplacement au sein de ce paysage dont l’altitude traduit la valeur sélective de l’individu pour une combinaison génétique donnée dans cet environnement. Selon l’intensité des forces de sélection en cours, le paysage va être plus ou moins abrupte et rendre plus ou moins facile un déplacement d’un pic adaptatif à un autre. Ainsi un moyen d’accélérer le déplacement au sein de ce paysage est l’acquisition d’un polymorphisme existant dans une autre population par flux
sauts au sein de ce paysage dont le résultat sera aléatoire. Une étude s’est penchée sur la connectivité entre populations comme réponse rapide à la variation environnementale (Kremer et al., 2012) et a ainsi montré que bien que cette connectivité puisse engendrer des mal-adaptations, sous certaines conditions elle peut favoriser une réponse adaptative de celle-ci aux changements climatiques. En effet dans le cas du changement climatique, des pics adaptatifs préexistants disparaissent et de nouveaux apparaissent, ainsi ces croissements entre fonds génétiques peuvent permettre à une espèce d’atteindre plus rapidement un nouveau pic adaptatif qui aurait nécessité un temps plus important avec l’apparition de nouvelles mutations.
B - Histoire géologique et évolution de la température en Antarctique
L’Antarctique, et en particulier la péninsule Antarctique, sont étudiés dans le cadre du réchauffement climatique en cours puisque c’est au sein de cette province entre autres qu’on y observe les plus fortes hausses de température (Vaughan et al., 2003). En effet, le réchauffement global n’affecte pas toutes les régions du globe de façon homogène. Ainsi, alors que la hausse moyenne globale de température depuis 1950 est d’environ 0,5°C, la Péninsule Antarctique a, quant à elle, connu une hausse de 1,5°C (Houghton et al., 2001).
Au cours de son histoire, le continent Antarctique a cependant connu de plus importantes variations climatiques mais sur de plus longues échelles de temps. Depuis environ 70 millions d’années le continent Antarctique occupe sa position géographique actuelle. Avant cette période, il se trouvait sous des latitudes avec un climat tempéré. En étudiant les rapports isotopiques de l’oxygène (∂18O) benthique, Lisiecki et Raymo (2005) ont montré que les températures n’ont pas diminué graduellement mais sont restées tempérées jusqu’à environ 40 millions d’années (Eocène, Figure IV-1A). A cette période, la concentration de CO2 atmosphérique chute et la température globale moyenne diminue. Plus tard au cours de l’Eocène, le passage de Drake entre la pointe Sud de l’Amérique du Sud et la Péninsule Antarctique s’ouvre, permettant ainsi la mise en place du courant circum-polaire antarctique (CCA ; Barker & Thomas, 2004). Ce courant, combiné avec les températures froide associées aux faibles concentrations atmosphériques de CO2, permettent la première glaciation du continent Antarctique à l’entrée dans l’Oligocène (33,9 Millions d’années ; Figure IV.1A). Avant la fin de l’Oligocène, l’Antarctique fond et reste ainsi jusqu’à environ 15 millions d’années (Miocène), où la reglaciation de l’Antarctique a lieu (Lisiecki et Raymo, 2005). Depuis, bien que la température varie, le continent reste dans l’ensemble gelé (Figure IV-1A et B). Nous avons cependant des cycles glaciaires importants qui voient alterner des périodes
d’extension et rétraction de la glace de mer. Entre 1 et 3 millions d’années, ces cycles se sont alternés à une fréquence de 41 000 ans et au cours du dernier million d’années, le cycle a connu une fréquence d’environ 100 000 ans (Lisiecki et Raymo, 2005).
A
B
Figure IV-17 : Evolution de la température moyenne en Antarctique depuis 65 millions d’années (A) et vue plus précise pour les dernières 5 millions d’années. Températures estimées à partir de données isotopiques 18O de carottes de sédiment. D’après Lisiecki et Raymo (2005). Ces reconstructions sur la période la plus récente sont confirmées par des mesures isotopiques de l’oxygène piégé dans des carottes de glace permettant de remonter à environ -420 000 ans (Figure IV-2 ; Petit et al., 1999). A partir de cette reconstruction, on peut voir que la température de surface en Antarctique n’a jamais excédé 3°C au cours de cette période. Cette série temporelle permet aussi de mettre en évidence les variations de température engendrées par 4 aires glaciaires qui se sont succédées ces 420 000 dernières années. De par l’isolement du continent, cette succession d’aires glaciaires et l’extension de la glace qu’elles ont engendrée à profondément influencé la diversité génétique des espèces en générant des isolements et des remises en contact répétés favorisant la formation d’espèces cryptiques (Rogers, 2007). Lors de l’extension de la glace, les espèces ont pris refuge dans des zones à la limite de la glace comme les îles subantarctiques. La séparation physique résultante a permis l’émergence d’espèces par
l’apparente homogénéité de l’environnement antarctique, on peut observer une structure géographique marquée pour la distribution des espèces, la sympatrie d’espèces proches (et parfois cryptiques) et la possibilité de formation d’hybrides.
Figure IV-2 : Reconstitution de différents paramètres environnementaux de l’air continental sur plus de 400 000 ans en Antarctique à partir de prélèvements de glace (Petit et al., 1999).
Chez une espèce de crinoïde présentant une apparente distribution circumpolaire Antarctique, une étude moléculaire a permis de mettre en évidence (i) l’existence de deux espèces cryptiques vivant en sympatrie, (ii) des histoires évolutives différentes avec l’une des deux espèces présentant une grande diversité de sous populations, (iii) des niveaux d’endémisme et de connectivité entre populations différents pour les deux espèces (Hemery et al., 2012). A l’inverse d’autre espèces montrent quant à elles une diversité génétique marquée par les glaciations passées, mais aucune structuration des populations autour de l’Antarctique (Raupach et al., 2010). Ainsi il apparait capital d’avoir une idée claire de la structuration des populations d’une espèce Antarctique avant d’envisager une quelconque étude impliquant des mesures de diversité.
C - Variabilité contemporaine de la température en Antarctique
L’apparente homogénéité de l’Antarctique cache aussi des variations contemporaines. Malgré une relative stabilité de la température sur l’ensemble des eaux côtières du continent
Antarctique avec une très faible saisonnalité de la température des eaux de surface, des différences existent entre les provinces (Figure IV-3). L’amplitude thermique annuelle (estimée à partir de données couvrant la période de décembre 1981 à avril 2005) au sein même de l’Antarctique peut être inférieure à 0,4°C pour la côte à 180°W (Mer de Ross), et atteindre 3,2°C au niveau de la Péninsule. Pour ces mêmes zones, la température moyenne annuelle passe de 0°C à presque 4°C, respectivement, entre 1981 et 2005. Cette différence est d’autant plus marquée si l’on compare le continent aux îles sub-antarctiques situées au niveau du front polaire délimité par le courant circumpolaire antarctique (Barnes et al., 2006).
Bien que faible, cette variabilité thermique entre localités suggère que les espèces ayant une distribution circum-Antarctique et occupant aussi les îles périphériques pourraient avoir un potentiel adaptatif supérieur aux espèces dont les distributions sont plus restreintes. D’autre part des espèces présentant une structuration en rapport avec ces différentes localités pourraient montrer de l’adaptation locale, et posséder la capacité de coloniser d’autres régions plus froides après leur réchauffement. Elles pourraient aussi s’hybrider avec les populations déjà présentes dans ces zones.
Figure IV-3: A) Clines d’amplitude annuelle de la température des eaux côtières autour de l’Antarctique (10-20m de profondeur) estimées à partir de données couvrant la période de Décembre 1981 à Avril 2005 ; B) Température moyenne des eaux de surface de l’océan austral estimées à partir de données couvrant la période de Décembre 1981 à Avril 2005. Extrait de Barnes et al. (2006).
Enfin, la température en Antarctique montre aussi des différences en fonction de la profondeur. En effet, le littoral Antarctique présente un gradient salin et thermique marqué de 0 à 150 m de profondeur (Dierssen et al., 2002). En surface l’eau de mer est impactée par les échanges thermiques avec l’atmosphère, la formation de glace concentrant les sels dans l’eau liquide et le mélange avec l’eau douce apportée par les précipitations, ainsi l’eau de surface présente typiquement des températures oscillant entre -1,8 et 1°C et une salinité entre 33 et 33,7 ‰. Lors de la formation de glace en surface, les sels sont exclus et l’eau enrichie en sel et froide, plus dense, coule et induit un apport constant d’eau froide et salée en profondeur. Ceci conduit à une relative stabilité des paramètres de l’eau à 100m de profondeur avec une température beaucoup plus stable aux environs de -1,5°C et une forte salinité entre 33,8 et 34,0‰. A faible profondeur, on peut aussi observer des variations à plus haute fréquence. Près de la base de Dumont d’Urville, un capteur de température à haute fréquence placé à 7 m de profondeur permet notamment de mettre en évidence non seulement une variation saisonnière sur l’année pouvant atteindre 2˚C mais aussi des variations journalières à fréquence calée sur les marées et pouvant atteindre 1˚C en période estivale avec débâcle et environ 0,05˚C le reste de l’année (Figure IV.4).
Figure IV-4: Variations de température depuis 2006, enregistrées dans le cadre du programme Nivmer à 7 m de profondeur près de la Station de Dumont d’Uvrille (Terre Adélie). Le graphique en dessous offre une vue plus précise sur 7 mois couvrant l’été austral 2016-2017, avec une débâcle le 7 Décembre. D’après Hourdez et al., in prep.
D - Choix du modèle Polynoidae Harmothoe fuligineum
La famille des Polynoidae est bien représentée en Antarctique, avec pas moins de 28 lignées COI sur la côte du continent (Cowart et al., in prep). Harmothoe fuligineum est, de loin, la plus abondante espèce et présente en différents points de l’Antarctique, de part et d’autre de la péninsule ainsi que dans les provinces de l’Est et de l’Ouest Antarctique (Barnich et al., 2006 ; Pabis & Sicinski, 2010 ; Brasier et al., 2016 ; Neal et al., 2017 ; Cowart et al., in prep). H. fuligineum comme d’autres espèces du même genre se retrouve à différentes profondeurs, depuis le milieu sublittoral (à moins de 50m de profondeur) jusqu’à plus de 400m de profondeur (Pabis & Sicinski, 2010). On dispose de peu d’informations spécifiques quant aux traits d’histoire de vie de H. fuligineum ou sur la biologie des Polynoidae en général (Gambi et al., 2002). Parmi les annélides polychètes, la famille des Polynoidae est l’une des plus fécondes (McHugh & Fong, 2002). De plus, des observations plus précises de plusieurs espèces de Polynoidae Antarctiques suggèrent une relative homogénéité comportementale inter-spécifique avec parfois une conservation brève d’œufs sous les élytres des vers femelles durant une courte période jusqu’à les libérer en grand nombre et avec un développement passant par une phase larvaire planctonique pélagique durant l’été austral (Gambi et al., 2002). Ainsi, Harmothoe fuligineum se retrouve dans des localités soumises à des variations thermiques différentes et colonise des profondeurs présentant elles aussi des profils thermo-salins contrastés. De plus elle présente des traits morphologiques suggérant une grande capacité de dispersion lui permettant éventuellement une connectivité entre localités à grande échelle. Ceci fait donc d’H. fuligineum une espèce idéale pour étudier la structuration des espèces Antarctiques, la connectivité entre populations et éventuellement se faire une idée sur ses capacités à s’adapter au réchauffement climatique déjà en cours. Pour appréhender ce sujet nous nous attacherons à répondre aux questions suivantes :
L’espèce est-elle une espèce pan-Antarctique avec des échanges continus entre la partie Ouest (Péninsule en cours de réchauffement) et la partie Est (Terre Adélie) ?
Existe-t-il des échanges possibles avec les îles Kerguelen situées au-delà du front polaire ? Existe-t-il une structuration génétique en lien avec l’étagement superficiel (environ 20m de profondeur) et profond (150 m) des populations et quelles en sont les causes ?
Dans la mesure où ces populations seraient génétiquement différenciées, présentent-elles des diversités génétiques différentes pouvant traduire des histoires démographiques et/ou écologiques différentes ?
2 - Matériel et Méthodes
Tout comme pour le chapitre précédent, l’ensemble des techniques de laboratoire et de traitement des données RAD pour l’analyse de la structure génétique des populations de H. fuligineum sont présentées dans le chapitre 2 de cette thèse.
A - Echantillonnage
Pour cette étude, les populations de H. fuligineum ont été échantillonnées dans deux régions opposées de l’Antarctique (Péninsule et Terre Adélie) et les îles Kerguelen situées plus au nord dans l’océan austral. L’échantillonnage de l’espèce a été réalisé à différentes profondeurs. En effet, une partie de la population de Terre Adélie et quelques individus de Péninsule ont été échantillonnés sur les stipes de grandes algues Himantothallus grandifolius à faible profondeur (moins de 20m) en plongée. Pour les autres échantillons de Terre Adélie ainsi qu’en Péninsule et à Kerguelen, les individus ont été récoltés par dragage ou par chalutage (chalut à perche) à des profondeurs situées généralement entre 50 et 150 m.
Les échantillons de Terre Adélie ont été obtenus au cours des missions POLARIS, KREVET, et REVOLTA. Les échantillons de Péninsule ont été récoltés en face de la base anglaise de Rothera par M. Clark et L. Peck du British Antarctic Survey ou au cours de la mission Allemande ANTXXIX-3 (collaboration M. Eléaume) et celui de Kerguelen (1 seul individu identifié à l’espèce sur la base du COI) à partir des collections du MNHN obtenues lors des campagnes PROTEKER dans le Golfe du Morbihan (avec la collaboration de M. Eléaume). L’ensemble des régions citées sont représentées sur la carte d’Antarctique en Figure IV-5. Des études préliminaires nous ont amenés à ne prendre en compte la distinction sur la base de l’étagement des populations que dans le cas des individus de Terre Adélie, ceux de la Péninsule ne montrant pas de différence génétique en fonction de la profondeur.
Figure IV-5 : Carte de l'Antarctique présentant les trois localités étudiées ainsi que l'étagement pris en compte en Terre Adélie.
B - Assignation populationnelle
GeneClass2 (Piry et al., 2004) est un programme qui, à partir d’un échantillonnage aléatoire des allèles dans chaque population, simule des génotypes multi-locus parentaux (1000 génotypes dans notre cas) et détermine ainsi une valeur seuil d’identité des individus à la population de référence à partir de ces génotypes simulés. Il va ensuite en se basant sur l’identité génotypique des individus à tester, calculer une probabilité d’assignement sur la fonction de vraisemblance qui sera considérée comme significative si elle est supérieure à la valeur seuil obtenue pour cette population.
3 - Résultats
A - Contrôle qualité des banques
Tout comme pour l’étude sur Alvinella, après le séquençage par la plateforme de génomique de l’Université McGill au Québec, les données nous ont été envoyées déjà démultiplexées pour les 12 index Illumina utilisés (12 fichiers compressés contenant les données de séquençage appariées R1 et R2) et filtrées sur la base des Phred scores (score de qualité). Le démultiplexage
des données sur la base des barcodes (interne aux lectures) au niveau de chaque index nous a ensuite permis de les attribuer à chaque individu et ainsi d’évaluer l’abondance relative de lectures entre individus (cf. Figure IV-6).
De plus le nombre de lectures (reads) ayant passé ou non le filtre pour chaque individu nous donne une première idée de la qualité des banques construites. En moyenne, sur 2 057 774 lectures par individu avant filtration (présence de la séquence des adaptateurs dans les lectures, barecodes erronés, sites de restriction non reconnus), 1 317 583 lectures sont conservées soit 64% des lectures initiales.
Figure IV-6 : Abondance relative du nombre de reads par individu sachant que l'individu KER0 (Kerguelen) est le plus couvert en nombre de reads après démultiplexage avec 8 379 463 lectures et une moyenne individuelle de 1 317 583 lectures. (PEN-Péninsule ; TAD-Terre Adélie profond ; TAS-Terre Adélie superficielle)
B - Construction des catalogues de locus
Comme nous ne disposions que d’un transcriptome de référence pour cette espèce, après cette étape, deux possibilités se sont présentées : (1) construire un catalogue en de novo (sans génome de référence) ou (2) en ne considérant que les locus alignés sur le transcriptome de référence et
donc associés à des séquences codantes pouvant être ensuite intéressantes à identifier dans le cas où certains locus pourraient être sous sélection diversifiante. Deux catalogues de locus ont donc été construits et les caractéristiques de ces catalogues sont présentées dans la figure IV-7. Dans le catalogue construit en de novo, l’appartenance d’un allèle à un locus a été défini selon le critère d’une différence maximale de 10 bases entre deux séquences et en exigeant une couverture de 3 lectures par allèle afin de s’assurer une certaine confiance quant à la fiabilité