COMPARATIVE PHYLOGEOGRAPHY OF THE BARK BEETLES

UNIVERSITÉ LIBRE DE BRUXELLES

PhD dissertation in Agronomy and Bioengineering

François Q.G. MAYER

PhD Dissertation Commitee Members :

Olivier Hardy – Université Libre de Bruxelles Commitee Chair Marius Gilbert – Université Libre de Bruxelles Commitee Secretary Carole Kerdelhué – INRA Montpellier Commitee Member

Alain Vanderpoorten – Université de Liège Commitee Member

Thesis supervised by Professor Jean-Claude Grégoire

Department Head of Biological Control and Spatial Ecology Laboratory (LUBIES, ULB)

Co-supervised by Professor Patrick Mardulyn

Defended in March 2014 at the Université Libre de Bruxelles

COMPARATIVE PHYLOGEOGRAPHY OF THE BARK BEETLES

DENDROCTONUS MICANS AND IPS TYPOGRAPHUS

(COLEOPTERA: SCOLYTINAE)

ii

UNIVERSITÉ LIBRE DE BRUXELLES

ÉCOLE DOCTORALE BIODIVERSITÉ, ÉCOLOGIE, ÉVOLUTION

Thèse présentée en vue de l’obtention du grade de Docteur en Sciences agronomiques et Ingénierie biologique

François Q.G. MAYER

COMPARATIVE PHYLOGEOGRAPHY OF THE BARK

BEETLES DENDROCTONUS MICANS AND IPS

TYPOGRAPHUS (COLEOPTERA: SCOLYTINAE)

Influence of two contrasting ecological strategies

Thèse dirigée par le Professeur Jean-Claude Grégoire

Directeur du Laboratoire de Lutte Biologique et Ecologie Spatiale (LUBIES, ULB)

Codirigée par le Professeur Patrick Mardulyn

Chercheur qualifié FNRS, Laboratoire d’Evolution Biologique et Ecologie (EBE, ULB)

Soutenue en mars 2014 à l’Université Libre de Bruxelles

Membres du jury de thèse :

Olivier Hardy – Université Libre de Bruxelles Président du jury

Marius Gilbert – Université Libre de Bruxelles Secrétaire du jury

Carole Kerdelhué – INRA Montpellier Membre du jury

iii « Tout y est, travail, persévérance,

L’encrier plein à la sueur, l’atmosphère intense

Fier et borné, camouflage arboré, tapis dans la forêt

La feuille en main, le cœur en résistance »

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REMERCIEMENTS

En m’engageant dans cette thèse de doctorat, je n’imaginais pas que j’en apprendrais autant sur moi-même et que ce travail m’emmènerait au travers de 5 années mouvementées. J’ai d’abord découvert les vastes forêts d’Europe et d’Asie, loin des miens, au contact de la nature sauvage qui peut si vite vous désorienter. Les techniques de laboratoire et analyses statistiques terminées, je me retrouvais face à une nouvelle épreuve que j’avais largement sous-estimée : la rédaction. Au cours de celle-ci, j’ai dû lutter quasi quotidiennement contre l’angoisse de la page blanche qui érodait petit à petit ma

motivation. J’espère que les lignes que j’ai réussies à produire s’avèreront plaisantes à lire. Aujourd’hui arrivé au bout de cette épreuve, je me sens essoufflé mais heureux, confiant et rempli d’un besoin criant de revoir les personnes qui me sont chères.

Je remercie Jean-Claude Grégoire de m’avoir entrainé dans cette aventure géographique et intellectuelle et pour m’avoir communiqué sa passion pour l’entomologie forestière et pour cette scolytine si particulière qu’est le dendroctone.

Je suis énormément reconnaissant à Patrick Mardulyn pour son aide et sa motivation permanente qui m’ont apporté l’énergie nécessaire lorsque je commençais à en manquer.

Un énorme merci à Maud Quinzin de m’avoir formé aux techniques moléculaires ainsi que de m’avoir enseigné la précision qui me faisait défaut au début et la persévérance qui me manquait à la fin. Ensuite, merci pour tous ses précieux conseils qui m’ont aidé à progresser dans cette étude, j’aurais eu beaucoup de mal à aboutir à ce résultat sans son aide.

Je tiens à adresser mes remerciements à Laurent Grumiau pour tous ses conseils techniques et pour m’avoir permi de clôturer les manipulations de clonage bactérien.

Je remercie chaleureusement mon comité d’accompagnement : Olivier Hardy et Marius Gilbert pour leurs conseils avisés sur l’avancement de mes travaux.

Ce qui m’a aussi permis de m’accrocher, c’est l’ambiance très familliale règnant au laboratoire LUBIES, plus que de simples collègues, j’y ai trouvé des amis. Aïko, Anaï, Catherine, Celia, Ceridwen, Chaima, Clément, Etienne, Fred, Gaëlle, Jean-MarcGyver, Julie F., Laetitia, Lise, Loïc, Louis, Ludovic, Marceau, Marius, Nicolas, Olivier, Pierre-François, Sandrine, Sylvie, Thibault, Thomas, Valérie et Xavier, merci à tous pour vos conseils et encouragements intervenus à différentes étapes de mon parcours. Dédicace particulière à mes compagnons de badminton et soirées-jeux, Marceau et Loïc.

Merci aussi à Xavier Massart de s’être montré particulièrement motivé et autonome et ce, en dépit des difficultés que comportait son sujet de fin d’Etudes.

I am deeply grateful to Celia Boone for linguistic proofreading of some thesis parts.

Un grand merci à Serge Aron de m’avoir accueilli dans son laboratoire et pour ses conseils. Merci à tout le laboratoire EBE pour m’avoir acceuilli comme l’un des leurs en dépis du couloir qui nous séparait. Mes collègues et amis généticiens Jérôme, Simon, Chedly, Nora, Maud, je vous remercie pour votre bonne humeur. Simon, merci de m’avoir accompagné sur le terrain en Pologne, en République Tchèque et en Allemagne ainsi que m’avoir soutenu au colloque Evolution, je garde un excellent souvenir de nos voyages et de nos chasses crépusculaires aux Mellita sp.

vi

I would like to warmly thank Prof. Dr. Fredrick Schlyter, Carlos Lopez Vaamonde, Carole Kerdelhué and Jean-Christophe de Biseau for their comments during the FRIA project submission.

Thank you to my collaborators Coralie Bertheau, Fredéric Piel, Aurélien Sallé, Christian Stauffer, Anna Lundhagen, Niklas Björklund, Ceridwen Fraser, Margaret Thayer, Bjorn Okland, you were from great help to provide me advices on the molecular ecology and forest management.

A special thanks to the Russian colleagues for their extreme kindness, especially to Yuri Baranchikov, Vladimir Petko, Vlad and Natalia Kirichenko and her brother, Andrei.

Merci à Alain Drumont (IRSNB) et Pierre Vincart (SPW) de m’avoir fourni les informations qui me manquaient pour terminer cette thèse.

Je voudrais aussi remercier les organismes qui m’ont permis de financer ces recherches :

- Le parc Paradisio et la Société Royale de Zoologie d'Anvers (SRZA) de m’avoir attribué le prix de Biologie "Jacques Kets" (2008) qui m’a permis de disposer de financement pour l’achat d’un ordinateur et de matériel informatique.

-le Fonds pour la formation à la Recherche dans l’Industrie et dans l’Agriculture (FRIA) d’avoir financé mes recherches au cours de 4 années de thèse.

-le Fonds National de la Recherche Scientifique (F.R.S.-FNRS) de m’avoir permis grâce aux crédits de bref séjour à l’étranger de voyager dans le cadre de mes campagnes d’échantillonnage et de mes participations à des réunions scientifiques

-L’ULB et BELSPO de m’avoir permis de continuer mon activité au sein du Laboratoire de Lutte biologique et Ecologie spatiale via le projet Alien Alert.

- le Fonds David et Alice Van Buuren pour son aide financière au cours de cette fin de thèse

Conclusion

-7- RÉSUMÉ DE LA THÈSE

Dans l’hémisphère Nord, le climat des deux derniers millions d’années a été marqué par une alternance de périodes froides et de brefs intervalles chauds. Cette succession d’évènements a laissé des traces durables au niveau de l’arrangement spatial de la diversité et de la structure génétique au sein des espèces.

En décrivant la répartition spatiale des lignées d’une espèce au moyen d’informations génétiques, la phylogéographie vise à identifier les processus évolutifs responsables de cette répartition. La phylogéographie comparée permet de gagner en compréhension en confrontant les patrons de variation génétique présents chez plusieurs espèces codistribuées : en étudiant des espèces partageant une même histoire au moyen de plusieurs sources d’information indépendantes (par exemple, plusieurs fragments d’ADN ou des données bioclimatiques historiques externes), il est possible de mettre en évidence des éléments de cette histoire commune tels que des refuges glaciaires ou des routes de recolonnisation post-glaciaires. Par contre, il est aussi possible que les caractéristiques biologiques intrinsèques à chaque espèce, telles que des stratégies dispersives ou reproductives différentes, engendrent une différenciation dans la structure et la diversité de cette variation génétique.

Dans cette thèse de doctorat nous nous sommes intéressés à deux espèces inféodées à un même hôte (Picea abies) et appartenant à une même sous-famille taxonomique (Coleoptera : Curculionidae, Scolytinae). Il sagit du typographe, Ips typographus et du dendroctone, Dendroctonus micans. Au moyen de plusieurs fragments génétiques spécialement identifiés pour cette étude ainsi que par le recours à des modèles bioclimatiques et des tests statistiques basés sur la théorie de la coalescence, nous avons étudié la phylogéographie de ces espèces.

Les résultats obtenus au cours de ce travail ont permis de mettre en évidence l’influence contrastée de stratégies écologiques différentes sur l’arrangement de la variation génétique. Une espèce opportuniste aux capacités de dispersion élevées telle qu’I. typographus présente un patron génétique peu structuré (des variants génétiques appelés haplotypes sont présents dans des régions très disparates) et un degré de polymorphisme nucléaire relativement élevé. Au contraire, une espèce parasitique adaptée à un environnement stable et caractérisée par une stratégie de dispersion limitée telle que D. micans présente un patron génétique très structuré (un nombre restreints et spécifiques d’haplotypes sont observés dans des régions géographiquement proches) et un degré de polymorphisme nucléaire dramatiquement faible.

Conclusion

-8- THESIS ABSTRACT

In the North Hemisphere, the climate of the last two million years has been paced by the alternation of ice ages and warm interglacial periods. This succession of events has markedly shaped the present-day spatial arrangement of genetic diversity and structure within species.

By analyzing the geographical distribution of genetic variation within species, Phylogeography aims to identify evolutionary processes responsible for the current spatial patterns in the distribution of populations. Comparative phylogeography is used to gain insights into the understanding of driving evolutionary processes by co-analyzing the current genetic variation patterns of several co-distributed species; the study of species sharing a same history by several independent sources of information (e.g., different DNA fragments or historical bioclimatic data) allows to identify similar historical events such as glacial refugia or post-glacial recolonization pathways. However differences in life-history traits related to specific ecological strategies may also influence contrasting patterns of genetic structure and diversity.

In this PhD thesis, we focused on two insect associated with a same host (Picea abies) and belonging to a same taxonomic sub-familly (Coleoptera : Curculionidae, Scolytinae). The two insects are the Eurasian spruce bark beetle, Ips typographus, and the great spruce bark beetle, Dendroctonus micans. By the use of several genetic markers specifically designed for the purpose of this study and by bioclimatic modeling approach combined with coalescent-based statistical method, we have studied the phylogeography of both species.

Our results enable us to highlight the influence of contrasting ecological strategies on the spatial arrangement of genetic variation. On the one hand, opportunistic species characterized by high dispersal capacities, such as I. typographus, exhibits poor genetic structure (same genetic variants named haplotypes are found in really distant geographic regions) and a relatively high polymorphism level. On the other hand, parasitic species well-adapted to stable environmental conditions and characterized by limited dispersal strategy, such as D. micans, exhibits high genetic structure (same specific haplotypes found in same or neighboring geographic countries) and an extremely low polymorphism level.

Conclusion

-9-

Key-words : Phylogeography, Forest entomology, Dendroctonus micans, Ips typographus,

Rhizophagus grandis, Coalescence-based simulations.

Current address :

Laboratoire de Lutte biologique et d’Ecologie spatiale Faculté des Sciences - Ecole Interfacultaire de Bioingénieurs CP 160-12, Université Libre de Bruxelles

50 Avenue F.D. Roosevelt B-1050 Brussels

Belgium

Please refer to this work as follows:

Mayer, F. (2014) Comparative phylogeography of the bark beetles Dendroctonus micans Kug. and Ips

typographus (Coleoptera: Scolytinae): Influence of two contrasting ecological strategies. PhD thesis,

Université Libre de Bruxelles, Brussels, Belgium.

Conclusion

-10-

TABLE OF CONTENT

Remerciements……….v

Résumé de la thèse………...1

Abstract of the thesis..………...2

Thesis outline..……….……….……...5

General Introduction-Introduction générale……….………...8

Chapter 1 Review of the old literature on a two century presence record of the great European spruce bark beetle, Dendroctonus micans Kug. ………..38

Chapter 2 Comparative multi-locus phylogeography of two Palaearctic spruce bark beetles……….48

Chapter 3 Mitochondrial DNA haplotype analysis of the spruce bark beetle Ips typographus in northern Europe……….91

Chapter 4 Study of the spruce bark beetle Ips typographus by niche modeling and coalescent simulations………117

Chapter 5 Is fidelity to prey a driver towards low genetic diversity in a highly specific predator ? : The case of Rhizophagus grandis and Dendroctonus micans……….……...140

General Discussion and Conculsion……….….…161

Conclusion

-11- THESIS OUTLINE

- Introduction [in French] - Global method

- Chapter One (I)

“Review of the old literature on a two century presence record of the great European spruce bark beetle, Dendroctonus micans Kug. : Reconsideration of the past of an alien species”

The current manuscript is a provisional version, as the final one should be integrated in a global review on the recent advances in the biological control of the pest Dendroctonus micans and co-authored by Jean-Claude Grégoire, Hugh Evans, Hazan Alkan and Medea Burjanadze.

This chapter is mainly based on a critical review of the old historical presence data of D. micans in Europe. The aim of this chapter is to describe thoroughly the recent history (150 years BP) of this pest. The results of this review have been used to set assumptions on the evolutionary history of D. micans.

- Chapter Two (II)

“Comparative multi-locus phylogeography of two Palaearctic spruce bark beetles: influence of contrasting ecological strategies on genetic variation”

Mayer,F., Piel,F.B., Cassel-Lundhagen,A., Kirichenko,N., Grumiau,L., Økland,B., Bertheau, C., Grégoire, J.-C. and Mardulyn, P.

The current version of the manuscript has been submitted for publication at Molecular Ecology

and has been rejected with encouragement to re-submit.

Conclusion

-12- Chapter Three (III)

“Mitochondrial DNA haplotype analysis of the spruce bark beetle Ips typographus in northern Europe: identification of two post-glacial re-colonization routes in Scandinavia”

Mayer, F., Björklund, N., Wallén, J., Långström, B. and Cassel-Lundhagen, A.

The current version of the manuscript has been accepted for publication in Journal of Zoological

Systematics and Evolutionary Research.

In this chapter, we use a fine geographic scale approach to supplement the history of I.

typographus in a specific region (Scandinavia). This approach is based on an extensive sampling

effort of the northern Europe and the amplification of a mitochondrial fragment alone (668 bp). Results have brought new insights on the regional history of the pest in northern Europe with two postglaciation routes identified.

- Chapter Four (IV)

“Study of the spruce bark beetle Ips typographus by a spatially explicit modeling approach Mayer, F., Mardulyn, P. and Grégoire, J.-C.

Conclusion

-13-

- Chapter Five (V)

“Is fidelity to prey a driver towards low genetic diversity in a highly specific predator ? : The case of Rhizophagus grandis and Dendroctonus micans”

Mayer F., Mardulyn P., Boulis A., Massart X., Jannin A., Lambin L. and Grégoire J.-C.

This chapter focuses on the association between D. micans and its ultraspecific predator ;

Rhizophagus grandis. Individuals of predator species have been collected on the whole Europe

and sequenced for three markers (one mitochondrial marker and two nuclear markers). In addition, individuals from laboratory rearing systems were tested for their flight capacity on flight-mill device. The combined results were used to characterize the ecological strategy of R.

grandis in relation with its specific environment.

- General discussion & Conclusion [in French] - Appendix A-1

“Divergent evolutionary histories of two sympatric spruce bark beetle species”

Bertheau, C., Schuler,H., Arthofer,W., Avtzis,D.N., Mayer,F., Krumboeck,S., Moodley,Y. and Stauffer,C. (2013) . Molecular Ecology, 22 (12), 3318–3332. doi: 10.1111/mec.12296

- Appendix A-2

“Flying the nest: male dispersal and multiple paternity enables extrafamilial matings for the invasive bark beetle Dendroctonus micans”

Fraser, C., Brahy, O., Mardulyn, P., Dohet, L., Mayer, F. and Grégoire J.-C. in prep.

The present version of the manuscript has been accepted with minor changes for publication in

Heredity.

- Appendix A-3

“Theoretical expectations of the Isolation-Migration model of population evolution for inferring demographic parameters”

Quinzin, M.C., Mayer, F., Elvinger, N., Mardulyn, P.

The manuscript has been written and already presented in the Ph.D. thesis of Maud Quinzin. It should be submitted at Methods in Ecology and Evolution.

- Appendix A-4

“Illustration and COI sequence of a potential new-species of Dropephylla (Coleoptera : Staphylinidae: Omaliinae) from Russian Far-East”