Étude des réponses écophysiologiques et fonctionnelles de populations de l'organisme clé Gammarus pulex (crustacea, Amphipoda) dans un contexte de changement climatique, au sein de la vallée du Rhône

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Étude des réponses écophysiologiques et fonctionnelles de populations de l’organisme clé Gammarus pulex

(crustacea, Amphipoda) dans un contexte de

changement climatique, au sein de la vallée du Rhône

Natacha Foucreau

To cite this version:

Natacha Foucreau. Étude des réponses écophysiologiques et fonctionnelles de populations de l’organisme clé Gammarus pulex (crustacea, Amphipoda) dans un contexte de changement clima- tique, au sein de la vallée du Rhône. Milieux et Changements globaux. Université Claude Bernard - Lyon I, 2013. Français. �NNT : 2013LYO10256�. �tel-01127599�

UMR CNRS 5023 Laboratoire d’Ecologie des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés (LEHNA)

Ecole doctorale 341 Evolution Ecosystèmes Microbiologie

Modélisation (E2M2)

THESE

Présentée à l’Université Claude Bernard Lyon 1 en vue de l’obtention du grade de : Docteur de l’Université de Lyon 1

(arrêté du 7 août 2006) Ecole doctorale 341

Par

Natacha FOUCREAU

Etude des réponses écophysiologiques et fonctionnelles de populations de l’espèce clé Gammarus pulex (Crustacea, Amphipoda) dans un contexte de changement climatique au

sein de la Vallée du Rhône.

Soutenue le 9/12/2013 devant la commission d’examen :

Directeur de thèse : M. Frédéric Hervant, Maître de conférences, UMR 5023 LEHNA, Université Lyon1 Co-encadrant : M. Christophe Piscart, Chargé de recherche CNRS, UMR 6553 ECOBIO, Université Rennes1

Rapporteurs : M. Loïc Bollache, Professeur, UMR 6282 BioGéoSciences, Université de Bourgogne, Dijon M. Eric Chauvet, Directeur de recherche CNRS, UMR 5245 EcoLab, Université de Paul

Sabatier, Toulouse

Examinateurs : Mme Gudrun Bornette, Directeur de recherche CNRS, UMR 5023 LEHNA, Université Lyon1

M. Pierre Marmonier, Professeur, UMR 5023 LEHNA, Université Lyon1

Remerciements

Dur de mettre de l’ordre dans tous les remerciements que j’aimerai distribuer. Je vais tout de même commencer par les financeurs sans qui je ne me poserai pas la question. Je suis très reconnaissante au CNRS de m’avoir attribué une bourse (complète !) durant ces trois ans ; ainsi qu’au programme ANR-09-CEP-006-01 Wetchange qui m’a permis de réaliser toutes mes manips, même les plus folles. Merci donc à Gudrun Bornette pour avoir porté ce projet mais aussi aux autres membres actifs qui y ont participés. Ensuite, j’aimerai remercier le laboratoire LEHNA (UMR 5023) et l’ensemble de ses membres pour m’avoir accueillie comme doctorante au sein de ses locaux, mais aussi pour m’avoir permis l’utilisation du « matériel » scientifique dont j’ai eu besoin au cours de ces trois années.

Un travail doctoral, ça ne se réussit certainement pas seule. Je passe à présent aux

plus proches acteurs de mon travail, ceux qui m’ont encadrée sans relâche, sur le terrain

pour échantillonner les gammares ou ramasser les feuilles de litière, dans les salles de

manips, dans l’analyse de mes données, dans ma recherche bibliographique, dans la

rédaction des articles et pour ce manuscrit, je fais bien sûr référence à Frédéric (Hervant)

et Christophe (Piscart). Merci pour m’avoir aidé à murir durant ces 3 ans, m’avoir fait

progresser scientifiquement. Merci de m’avoir soutenue quand j’en avais marre de peser

et de découper des disques de feuilles ; quand je butais sur mes tableaux excel aux

innombrables lignes ; quand je râlais d’être enrhumée en plein mois de juillet à cause des

chambres froides. Merci de vous être impliqués pour ma réussite de ce doctorat et de

m’avoir encouragée. Merci pour votre célérité dans les corrections de mon travail, que ce

soit article, manuscrit, présentation orale pour un colloque etc… Je suis très

reconnaissante aussi de votre dynamisme et enthousiasme et enfin aussi pour votre

respect de mon point de vue. Je décerne à Fred un thermomètre en or en remplacement de

celui que je lui ai cassé au bout d’une heure d’utilisation, alors qu’il l’avait depuis qu’il

était étudiant ! Et je décerne à Christophe des pinces à dissection en or pour celles que je

lui ai rendu tordues (je pense sérieusement à passer au titane) !

Les manips, ça ne se réussit certainement pas seule non plus. Je lance un immense merci aux différentes personnes qui m’ont accompagnée sur le terrain : Delphine Cottin, Kathleen Ferrand, Marion Genevois, Sarah Dalmais, Mathilde Novel, Nadia Bouissou, Ludovic Guillard ; avec une pensée spéciale à Delphine C., Nadia B., Kathleen F.et Sarah D. pour la journée estivale dans le sud, ce fut épique ! Egalement, je remercie les personnes qui m’ont aidé pour mes expériences en laboratoire, je décerne des gammares en or à Florence Caty, Delphine C., Kathleen F., Sarah D., Marion G., Marion Javal, Armand Ziller, pour avoir bravé le froid, l’humidité ou la chaleur…des salles de manip ! Sans eux, je n’aurai pas pu gérer la logistique des expériences. Merci à Arnaud Dehedin, pour m’avoir aidé à ramasser des feuilles de litière pour m’avoir aidée au départ à comprendre ces termes de l’écologie aquatique qui m’étaient étranger. Je suis très reconnaissante envers Katia Diadema du Conservatoire Botanique National Méditerranéen de Porquerolles pour m’avoir envoyé des feuilles d’Ostrya carpinifolia. Je remercie chaleureusement Delphine C. avec qui j’ai travaillé durant son post-doctorat au LEHNA et encore actuellement. J’ai eu la chance d’établir une collaboration avec elle et j’espère que celle-ci continuera encore longtemps (je lui souhaite de décrocher un poste en 2014 ! -). Pour la partie biomécanique des expériences, j’ai eu la chance de collaborer avec Sara Puijalon du LEHNA, j’espère qu’elle durera également. Je la remercie de s’être impliquée fortement dans mon travail au niveau des expériences mais aussi dans l’analyse des données, dans la rédaction des articles associés et mes présentations orales à ce sujet. Merci d’avoir mis au point avec l’aide de Félix Vallier (que je remercie aussi au passage) le test de perforation des feuilles. Merci à Mary-Rose Viricel et à la stagiaire Carole Bengasini, qui par la suite nous ont aidées dans l’acquisition des données. Je remercie également Margot Jacky, Lara Konecny pour leur aide précieuse apportée pour la biologie moléculaire. Merci à Rémi Wattier pour son aide concernant le test d’infection par les microsporidies. Pour les analyses chimiques mais surtout pour les mesures sur les œufs, je remercie Mathilde N. de m’avoir aidée. Pour le dosage des enzymes digestives, je suis reconnaissante envers Bernadette Volat, Simon Navel et Caroline Romestaing.

Merci à mes collègues, Laurent Simon pour toute son aide pour l’analyse isotopique, et

Florian Mermillod-Blondain pour le dosage (plus ponctuel) du phosphore. Merci à Chafik

Maazouzi pour les coups de pouce sur la bibliographie durant ces trois ans. Pendant la

rédaction du manuscrit, merci à David Eme d’avoir partager avec moi son expérience de

master 2 en ce qui concernait ma thèse et pour son aide bibliographique, merci à Damien

Roussel pour m’avoir donné des explications sur les mitochondries. Je suis également

reconnaissante aux différents gestionnaires en particulier envers Dominique Martin et Nadjette Houriez pour m’avoir aidée durant les trois ans pour les ordres de mission, les inscriptions aux colloques, les commandes de matériel…J’ai eu la chance de réaliser un monitorat durant ma thèse qui m’a permis de m’initier aux mystères de l’enseignement.

Aussi je remercie mes collègues Nathalie Mondy, Pierre Sagnes, Pierre M. et Jean-Paul Léna qui m’ont fait confiance et m’ont donné des enseignements dont ils sont responsables. J’en profite pour remercier aussi Marie-Nöel Truchet, Gisèle Journaux et Valérie Ville pour leur bonne humeur et l’aide qu’elles m’ont fournie pour les TP BO1 et BO2 que j’enseignais.

Je poursuis en remerciant les membres de mon comité de pilotage (Rémi W., Sylvain Dolédec, Bernard M., Gudrun B. et Frédéric Fleury (tuteur de thèse E2M2) pour les remarques très enrichissantes et leurs conseils au cours des réunions durant ma thèse.

J’en profite pour aussi dire merci à Pierre M. pour m’avoir apporté ses connaissances, et qui s’est aussi enquis régulièrement de la progression dans mon travail (Merci Chef ! -).

Dans la même veine, je remercie mes deux rapporteurs Eric Chauvet et Loïc Bollache, pour avoir accepté d’examiner et juger de mon travail. Merci aux autres membres du jury, les examinateurs Gudrun B., Pierre M. et David Renault qui auront également contribué à l’obtention de mon diplôme. Je fais un clin d’œil à David R. mon ancien directeur de stage de master m’ayant initié au monde de la recherche et qui m’avait recommandée auprès de Pierre M., Frédéric H. et Christophe P. de sorte qu’ils avaient « osé » me proposer ce projet de thèse.

A présent je remercie, les membres du laboratoire (permanents et non permanents)

et en particulier les membres de l’équipe E3S avec qui j’ai sympathisé, et qui ont

contribué à une bonne ambiance de travail tous au long de ces trois ans, et qui m’ont au

départ intégrée, moi, qui venait de Bretagne ! J’ai eu le plaisir de rencontrer bon nombre

de personnes riches en expérience et en qualités humaines. Et si je n’oublierai pas les

heures passées pour les manips de ma thèse, je ne les oublierai pas non plus. Merci en

particulier à Clémentine François, Cécile Capderrey, Delphine C., Mélissa Dewilde-

Negrutiu, David E., Célia Rodriguez et Claire Morvan, pour les repas au Domus, les pots,

les soirées au TOI-TOI notamment. Je suis aussi reconnaissante envers Arnaud D. pour

s’être occupé de Chesh à plusieurs reprises afin que je puisse rentrer dans l’ouest - me

du manuscrit, je dis « Vive Ciel Mon Doctorat » (CMD pour les intimes) ! Quelle bonne idée que d’avoir crée ce site pour les thésards…

Merci enfin à mes amis du temps de mes études à Rennes (du théâtre et/ou du master) pour les weekends rennais ou parisiens (Floriane, Pauline, Anne, Hélène, Aurélie et Pierre), trop rares mais précieux. Avec une mention spéciale à Floriane, pour s’être enquis de mon « état » régulièrement, malgré les kilomètres qui nous séparaient, je lui décerne un clavier en or (Vive internet ;-)). Merci à mes parents de m’avoir soutenu depuis le début de ma poursuite d’étude dans le supérieur (rassurez-vous, normalement, ça s’achève cette année ;-) !). Je décerne une aiguille en or à ma mère pour m’avoir aidée à coudre tous ces mini-sachets de tulle pour mon expérience de dégradation de litière en première année de thèse. La machine à coudre s’en souvient encore. Merci à Erik pour son soutien durant mes pics de stress intenses au cours de ces 3 ans, pendant lesquels ma tolérance était proche de zéro, et pour m’avoir fait relativiser quand il le fallait. Merci aussi d’avoir traqué les dernières fautes d’orthographes et coquilles indésirables. Je lui décerne un verre à vin (incassable) en or ;-).

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Avant-propos

Cette thèse, financée par le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR), s’inscrit dans un programme scientifique, le projet ANR CEP 09-446043 (WETCHANGE), animé par G. Bornette, qui rassemble différentes équipes du Laboratoire des Hydrosystèmes Naturels et Anthropisés (LEHNA, UMR CNRS 5023, Université Lyon 1 et Ecole Nationale de Travaux Publics de l’Etat), de l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne et de l’IRSTEA de Lyon.

L'objectif de ce projet multidisciplinaire a été de bâtir des outils de mesure et de prédiction de la vulnérabilité de zones humides fonctionnellement contrastées aux étiages provoqués par les changements globaux, en utilisant des modèles climatiques et hydrologiques à l'échelle d'une vallée alluviale, combinés à la connaissance de la sensibilité des communautés végétales, animales et microbiennes aux contraintes environnementales. Ces résultats permettront de formuler des prévisions concernant les modifications hydrologiques attendues à 40 ans, intégrant le degré de pérennité des masses d'eau, les caractéristiques des habitats de zones humides pour les communautés végétales, animales et microbiennes et les conséquences sur les organismes peuplant les cours d’eau et les zones humides. Ces prévisions prenant en compte l’hétérogénéité des habitats seront extrapolables, car elles reposeront sur des scenarii bâtis pour chaque type fonctionnel de zone humide.

Au sein de ce projet, mon sujet de thèse portait sur l’amélioration des

connaissances concernant la sensibilité des communautés végétales, animales et

microbiennes aux contraintes liées au changement global et sur les conséquences des

variations climatiques sur les organismes aquatiques. Plus précisément, mon travail était

centré sur les conséquences des effets de l'augmentation de la température et du

changement de végétation sur (i) les réponses écophysiologiques et les traits

reproducteurs d’un organisme clé des écosystèmes d’eau douce, le Crustacé amphipode

Gammarus pulex et (ii) sur le processus fonctionel de dégradation de la litière dont il est

un acteur essentiel. Les résultats que nous avons obtenus nous ont ainsi permis d’établir

des scenarii des réponses écologiques, physiologiques et fonctionnelles potentielles des organismes soumis à l’accentuation des contraintes thermiques à l'interface eaux de surface/eaux souterraines (sources et zones humides).

Ce manuscrit de thèse est construit autour d’articles publiés (3 en 1

auteur, et 1

en collaboration) dans des journaux internationaux. Cependant, des données n’ayant pas

encore fait l’objet d’un article, ont également été intégrés en français sous le même

format que les articles (Introduction, Matériel & Méthodes, Résultats, Discussion,

Conclusion). Une première partie introductive présente le contexte global de ces travaux

en terminant par les trois objectifs de ma thèse et les hypothèses de travail. Il est suivi par

un second chapitre présentant le cadre géographique utilisé et le modèle biologique

étudié, tous deux communs à l’ensemble des objectifs de la thèse. Les deux chapitres

suivants peuvent être lus de manière indépendante, pour plus de clarté. Le chapitre 2 est

dédié à l’objectif 1 (tolérance thermique), et le chapitre 3 est consacré aux objectifs 2 et

3, ayant tous deux comme fil conducteur la dégradation de la litière. Ces deux chapitres

comportent chacun une partie introductive, une partie méthodologique, des résultats, une

discussion et une conclusion intermédiaire. Une dernière partie vient clore ce manuscrit

sous la forme d’une courte discussion générale et d’une conclusion reprenant les

principaux résultats et les points majeurs discutés auparavant et faisant le lien entre les

aspects écophysiologique et fonctionnel de mes travaux.

Sommaire

REMERCIEMENTS... 2

AVANT-PROPOS... 7

SOMMAIRE... 9

LISTE DES FIGURES... 13

LISTE DES ARTICLES SOUMIS OU ACCEPTES INTEGRES DANS LE MANUSCRIT... 16

LISTE DES ANNEXES... 17

LISTE DES ABREVIATIONS ET GLOSSAIRE... 18

INTRODUCTION ET OBJECTIFS ... 20

1-CHANGEMENTS CLIMATIQUES, ... 20

2-…TOLERANCE THERMIQUE, REPRODUCTION ET … ... 22

3- …PROCESSUS FONCTIONNEL : RECYCLAGE DE LA MATIERE ORGANIQUE. ... 23

4- OBJECTIFS ET HYPOTHESES TESTEES... 25

CHAPITRE I - PRESENTATION DE LA VALLEE DU RHONE ET DU MODELE BIOLOGIQUE, GAMMARUS PULEX (CRUSTACE : AMPHIPODE) ... 32

1- LA VALLEE DU RHONE : UNE ZONE PARTICULIEREMENT PERTINENTE POUR UNE ETUDE DANS LE CONTEXTE DES CHANGEMENTS CLIMATIQUES... 32

2- MODELE BIOLOGIQUE : GAMMARUS PULEX (L^INNE 1758)... 35

2.1 Répartition géographique... 35

2.2 Biologie de l’espèce... 36

2.2 Biologie de l’espèce... 37

2.2.1 HABITATS PRIVILEGIES ET CAPACITES DE DISPERSION... 37

2.2.2 REGIME ALIMENTAIRE... 38

2.2.3 REPRODUCTION, FECONDITE, LONGEVITE, DIMORPHISME SEXUEL SUR LA TAILLE... 39

2.2.4 PARASITISME... 40

3- S^{ITES D}’^ETUDES, POPULATIONS TESTEES ET DISTANCE GENETIQUE... 41

3.1 Sélection des sites ... 41

3.2 Populations retenues ... 42

4- CONCLUSION DU CHAPITRE 1 ... 45

CHAPITRE II- EFFET DE L’AUGMENTATION DE LA TEMPERATURE SUR LES REPONSES PHYSIOLOGIQUES ET LA FECONDITE DES POPULATIONS DE GAMMARUS PULEX... 48

1- INTRODUCTION... 48

1.1 Tolérance thermique... 48

1.2 Stratégies de reproduction et variation saisonnière... 50

1.3 Rappel des objectifs et des hypothèses associées ... 53

2- EXPERIENCES EN LABORATOIRE : TOLERANCE A L’AUGMENTATION DE LA TEMPERATURE... 54

2.1 Physiological and metabolite responses to rising temperature in Gammarus pulex populations (Crustacea) living under continental or Mediterranean climate... 54

2.1.1 Introduction ... 55

2.1.2 Material and Methods... 55

2.1.3 Results ... 59

2.1.4 Discussion ... 65

2.2 Tolérance thermique (activités mitochondriales et CTmax) des «populations» de G. pulex chez des adultes ; et réponses aux chocs thermiques par la production de protéines HSP70 (Heat Shock

Proteins 70 kDa) sur des œufs... 69

2.2.1 Introduction ... 69

2.2.2 Tolérance thermique chez les adultes : activité mitochondriale et CTmax ... 70

2.2.3 Tolérance thermique chez les embryons de gammares : chocs thermiques et production d’HSP sur les œufs ... 73

2.2.4 Discussion, conclusion ... 75

3- VARIATION SAISONNIERE DE LA FECONDITE ET DE LA QUALITE DES ŒUFS DE G. PULEX SELON L’ORIGINE GEOGRAPHIQUE... 78

3.1 Introduction ... 78

3.1.1 Fécondité des femelles de G. pulex... 78

3.1.2 Effet du parasitisme par les microsporidies sur la fécondité... 79

3.2 Matériel et méthodes ... 79

3.2.1 Taille des femelles, fécondité, qualité des œufs... 79

3.2.2 Détermination de la prévalence d’infection par des microsporidies dans la population ... 83

3.3 Résultats ... 83

3.3.1 Fécondité des femelles et qualité des œufs ... 83

3.3.2 Test d’infestation par les microsporidies ... 88

3.4 Discussion, conclusion ... 88

3.4.1 Cas des femelles ... 89

3.4.2 Cas des œufs... 90

3.4.3 Investissement reproducteur ... 91

4- CONCLUSION DU CHAPITRE 2 ... 93

1 INTRODUCTION... 98

1.1 Le conditionnement des feuilles de litière et leur dégradation par les décomposeurs ... 98

1.2 Dégradation de la litière et changements climatiques ... 100

1.3 La digestion de la matière organique via la mesure des activités catalytiques d’exo-enzymes produites par les micro-organsimes du tube digestif de G. pulex ... 102

1.4 Rappel des objectifs et des hypothèses testées... 102

2- E^{FFET DE L}’ORIGINE DE LA LITIERE (MEDITERRANEENNE OU CONTINENTALE) ^{SUR LE} CONDITIONNEMENT ET LE TAUX DE CONSOMMATION DES FEUILLES PAR LES POPULATIONS DE G. PULEX. ... 105

2.1 Effect of leaf litter characteristics on the leaf conditioning process and on consumption by the freshwater shredder Gammarus pulex... 105

2.1.1 Introduction ... 105

2.1.2 Material and Methods... 107

2.1.3 Results ... 111

2.1.4 Discussion ... 116

2.2 Effect of climate-related change in vegetation on leaf litter consumption and energy storage by Gammarus pulex from continental or Mediterranean populations ... 119

2.2.1 Introduction ... 119

2.2.2 Material and Methods... 121

2.2.3 Results ... 126

2.2.4 Discussion ... 131

3- ETUDE DE LA TAILLE DES MANDIBULES DES POPULATIONS DE GAMMARES (CAS DES FEMELLES)... 135

3.1 Introduction, matériel et méthodes ... 135

3.2 Résultats ... 137

3.3 Discussion ... 137

4- EFFET DE LA TEMPERATURE SUR LA DEGRADABILITE, LA CONSOMMATION ET LA DIGESTION DE LA LITIERE D’AULNE GLUTINEUX PAR LES POPULATIONS DE GAMMARUS PULEX... 139

4.1 Introduction ... 139

4.2 Matériel et méthodes ... 140

4.2.1 Conditionnement : mesure de la dureté et de la teneur en ergostérol des feuilles d’aulne ... 140

4.2.2 Activités de trois exo-enzymes digestives ... 141

4.3 Résultats ... 143

4.3.1 Conditionnement : dureté des feuilles et teneur en ergostérol ... 143

4.3.2 Taux de consommation des disques d’aulne... 145

4.3.3 Activités enzymatiques... 145

4.4 Discussion ... 149

4.4.1 Effet de la température sur le conditionnement des feuilles d’aulne... 149

4.4.2 Effet de la température sur le taux de consommation des gammares... 150

4.4.3 Effet de la température sur l’activité des enzymes digestives... 151

4.5 Conclusion... 153

5- CONCLUSION DU CHAPITRE 3 ... 155

DISCUSSION GENERALE... 160

1- EFFET DE L’ORIGINE GEOGRAPHIQUE DES POPULATIONS DE G. PULEX... 160

2- EFFET DES CONDITIONS LOCALES SUR LES REPONSES DES ORGANISMES... 161

3 EFFET DU SEXE SUR LES REPONSES DES ORGANISMES... 162

CONCLUSION GENERALE : EFFETS DES CHANGEMENTS CLIMATIQUES... 163

1-DEVENIR DES POPULATIONS DE G. PULEX DE LA VALLEE DU RHONE… ... 163

2- ... ET IMPACT FONCTIONNEL... 165

PERSPECTIVES DE RECHERCHE ... 168

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES... 172

ANNEXES ... 205

ABSTRACT... 205

Liste des tableaux Chapitre 1

Tableau 1 : Températures moyennes mesurées dans les sources. ……….. p33 Tableau 2 : Description des sites d’échantillonnage des gammares. ………. p44

Chapitre 2

Table 3: Mean dry weight of individuals measured for all gammarids populations. … p59 Table 4: Mean triglycerides body contents of the five gammarid populations sampled pooled according to the geographical origin and the gender, at 15°C (control) and for the different acclimation temperatures. ………... p64 Tableau 5 : Présentation de la démarche utilisée pour calculer la masse sèche des échantillons d’œufs. ………... p81 Tableau 6 : Présentation des quatre classes de taille des œufs établies à partir de l’aire moyenne des œufs issus d’un même pool à partir de 92 femelles différentes des populations N1 et S1. ………. p81

Chapitre 3

Table 7: Initial means of mechanical properties, ergosterol contents, percentages of carbon, nitrogen and phosphorus, and C/N ratios, of leaf litter at T0. ……… p112 Table 8: Results of regression logistic models applied to toughness and specific toughness values and T50 values for leaves of three tree species. ……….. p114 Table 9: Correlations (Spearman) between mean thickness and mechanical properties of leaves from three tree species (pooled) and mean leaf consumption rates of three populations (pooled) of G. pulex. ……… p115 Table 10: Characteristics of the five leaf litter species before and after conditioning.

……….. p127 Table 11: Mean variation in the triglyceride content per sex and per gammarid population for the five leaf species. ………...……….... p130 Table 12: Spearman correlations between the mean leaf litter consumption rates for the five leaf litter species and the percentages of variation of the mean body triglyceride content for southern and northern populations, with males and females pooled. …… p131 Tableau 13 : Résultats synthétisés des effets des facteurs « température d’acclimatation »,

« population », et « sexe » sur les activités catalytiques des trois enzymes digestives

Liste des figures Introduction générale

Figure 1 : Schéma global du travail de thèse. ……… p30

Chapitre 1

Figure 2 : Carte de France : (a) Répartition et typologie des climats, (b) répartition des températures annuelles moyennes. ……… p34 Figure 3 : Carte de France de la température moyenne quotidienne récente (a) en 1970 et (b) celle prédite en 2085. …..…...……….. p34 Figure 4 : Photographie d’individus adultes Gammarus pulex et G. pulex gallicus.

………..……….. p35 Figure 5 : Carte de France de la répartition de l’espèce Gammarus pulex et de la sous- espèce Gammarus pulex gallicus. ……….. p36 Figure 6 : Illustration des différences morphologiques entre (a) G. pulex et (b) G. pulex gallicus. ………... p36 Figure 7 : Schéma représentant les différentes zones d’habitats de G. pulex. ………... p37 Figure 8 : Image (SEM) d’une mandibule de G. pulex. ………. p39 Figure 9 : Localisation des sites d’échantillonnage des populations de G. pulex……... p43

Chapitre 2

Figure 10: Percentages of surviving females (a) and males (b) of G. pulex populations.

……….p61 Figure 11: Mean ventilatory rates of the five gammarids populations sampled measured at 15°C (control) and at the different acclimation temperatures for females (a) and males (b). Mean O

consumption measured for females (c) and males (d) at 15°C (control) and at the different acclimation temperatures. ……….

p62

Figure 12: Mean individual glycogen content of the five gammarids populations sampled

measured for females (a) and males (b) at 15°C (control) and at the different acclimation

temperatures. ……….. p63

Figure 13: Ecophysiological index values (EPI) calculated for northern and southern

gammarid populations sampled measured for females (a) and males (b) at 15°C (control)

and at the different acclimation temperatures.

………...………. p65 Figure 14 : (a) Détermination de la CTmax (Critical Thermal Maximum) sur des gammares du nord et du sud soumis à une température croissante, (b) Moyenne du rendement de la production d’ATP par les mitochondries via les valeurs du RCR (Respiratory Control Ratio) des populations de G. pulex du nord et du sud selon la température. ……….……….. p73 Figure 15 : Facteur d’induction des formes 1 et 2 de protéines HPS70 après différents chocs thermiques sur des œufs de G. pulex de deux populations différentes. ………... p75 Figure 16 : Illustration des mesures réalisées sur la mandibule des gammares. …...…. p82 Figure 17 : (a) Taille moyenne des femelles de G. pulex via la mesure de la taille moyenne de la capsule céphalique pour les deux dates du suivi saisonnier pour les deux populations, (b) masse sèche moyenne des femelles, (c) fécondité des femelles G. de pulex, (d) teneur moyenne en triglycérides des femelles. ……….. p84 Figure 18: (a) Taille moyenne des œufs de G. pulex pour chaque date pour les deux populations, (b) masse sèche estimée des œufs, et (c) teneur moyenne en triglycérides des œufs. ………... p86 Figure 19 : (a) Teneur en triglycérides des œufs de G. pulex en fonction de la teneur en triglycérides de la femelle correspondante, (b) teneur en triglycérides des œufs en fonction de la masse sèche de la femelle correspondante, (c) teneur en triglycérides des œufs en fonction de la fécondité des femelles. ……….. p87 Figure 20 : Relation entre fécondité et masse sèche des femelles de G. pulex pour les populations du nord et du sud et pour les deux dates étudiées et R² des régressions associées. ……… p88 Figure 21 : Schéma récapitulatif des résultats et interprétation de l’ensemble du chapitre 2. ……… p96

Chapitre 3

Figure 22: From left to right, mean of thickness, toughness, specific toughness of leaf litter over the course of the experiment for the leaves of the three tree species studied.

……….. p113

Figure 23: Mean content of ergosterol over the course of the experiment for the leaves of

the three tree species studied. ……….………. p115

Figure 24: Mean leaf consumption rate of leaves by gammarids for the leaves of the three tree species studied. ……….……… p115 Figure 25: Map of France with (a) the geographical distribution of Gammarus pulex and Gammarus pulex gallicus (subspecies), and (b) mean annual temperatures. The gammarid sampling sites are indicated with black stars. ……….. p124 Figure 26: Mean leaf consumption rates of (a) northern females and (b) southern females, (c) northern males and (d) southern males for the five leaf litter species studied.

……….. p129

Figure 27 : Descriptions des mesures effectuées sur les femelles gammares après

dissection de la mandibule gauche. ……….. p136

Figure 28 : Mesures effectuées sur les mandibules des femelles des quatre populations de

G. pulex étudiées (N1, N2, S2, S3). …..………...……… p138

Figure 29 : (a) Epaisseur moyenne des feuilles d’aulne à T0 et à T0+14j et (b) dureté

spécifique des feuilles d’aulne, à T0 et à T0+14j pour les différentes températures de

conditionnement. ……….. p143

Figure 30 : Teneur moyenne des feuilles d’aulne en ergostérol à T0 et à T0+14j pour les

différentes températures de conditionnement testées. ………. p144

Figure 31 : Taux de consommation moyen des disques d’aulne pour les différentes

températures de conditionnement testées : (a) pour les femelles et (b) pour les mâles, chez

les deux populations étudiées. ………. p145

Figure 32 : Activité catalytique de l’enzyme leucine amino-peptidase après incubation à

différentes températures pour les femelles (a) et les mâles (b) des populations nord et sud,

acclimatés à 12 ou 21°C. ………. p146

Figure 33 : Activité catalytique moyenne de l’enzyme β -glucosidase après incubation à

différentes températures pour les femelles (a) et les mâles (b) des populations nord et sud,

acclimatés à 12 ou 21°C. ………. p147

Figure 34 : Activité catalytique moyenne de l’enzyme β -xylosidase après incubation à

différentes températures pour les femelles (a) et les mâles (b) des populations nord et sud,

acclimatés à 12 ou 21°C. ………. p148

Figure 35 : Schéma récapitulatif des résultats et interprétations de l’ensemble du chapitre

3. ……….. p158

Liste des articles soumis ou acceptés intégrés dans le manuscrit

Article 1: Foucreau N., Cottin D., Piscart C. and Hervant F. (2013) Thermal tolerance of the key-species Gammarus pulex populations (Crustacea) living under continental or Mediterranean climates. Soumis (in review) à Comparative Biochemistry and Biology Part (A)……….…... p54

Article 2: Cottin D., Roussel D., Foucreau N., Hervant F. and Piscart C. (2012) Disentangling the effects of local and regional factors on the thermal tolerance of freshwater crustaceans. Naturwissenschaften, 99, 259-264. ……… p69

Article 3: Foucreau N., Puijalon S., Hervant F. and Piscart C. (2013b) Effect of leaf litter characteristics on the leaf conditioning process and on consumption by the freshwater Gammarus pulex. Freshwater Biology, 58, 1672-1681. ...………… p105

Article 4: Foucreau N., Piscart C., Puijalon S. and Hervant F. (2013a) Effect of climate- related change in vegetation on leaf litter consumption and energy storage by Gammarus pulex populations living under continental or Mediterranean conditions.

Plos ONE, in press. ………. p119

Liste des annexes

Annexe I : Températures atmosphériques moyennes passées (de 1960 à 1990) pour les sites d’échantillonnage des gammares au sein de la vallée du Rhône, d’après la base de données WorldClim (site web) ; (a) Températures moyennes saisonnières, (b) Températures maximales………...………. p202

Annexe II : Protocole de dosage d’activités enzymatiques par fluorimétrie, adapté d’après

Bernadette Volat (comm. pers) et Navel et al. 2011. ………... p203

Liste des abréviations et Glossaire

- Art. X: Article n°X publié ou en cours de publication - Tgs : triglycérides

- Nb/nb. : nombre - ET : écart-type - ES : erreur standard

- CTmax: Critical Thermal Maximum - n/N : effectif

- ATP : adénosine-tri-phosphate - EPI : ecophysiological index - VR : ventilation rate

- OC : oxygen consumption - Glyco : glycogène

- HSP : heat shock proteins - HSC : heat shock cognates - Prots : protéines

-ROS: Reactive Oxygen Species (radicaux libres)

- Dureté/« Toughness » : dureté des feuilles mesurée par une machine INSTRON universelle, définie par la valeur de la « work to punch ». La dureté spécifique « Specific toughness » correspond à la dureté corrigée par l’épaisseur de la feuille. La dureté est positivement corrélée à l’énergie nécessaire pour trouer la feuille à l’aide d’un poinçon.

- «work to punch» : valeur de l’aire située sous la courbe de la pression exercée sur la feuille en fonction du déplacement du poinçon. Ce terme est mieux défini dans l’article 3, Foucreau et al. (2013b), présenté p105.

- TC : taux de consommation (des disques de feuilles) - TECO : groupe refroidisseur d’eau avec thermostat

- MUF-gluco : 4-methyl umbelliferyl b-D-glucopyranoside - MUF-xylo : 4-methylumbelliferyl-b-D-xylopyranoside

- MCA-leucine : L-leucine-7-amino-4-methylcoumarin hydrochloride

Introduction générale

Introduction et objectifs

1-Changements climatiques,

Des programmes internationaux étudient les modifications climatiques d’origine naturelle ou anthropique, parmi lesquels le PMRC (Programme Mondial de Recherches sur le Climat, en anglais le « World Climate Research Programme ») mis en place en 1980, le PIGB lancé en 1986 (Programme International Géosphère Biosphère, en anglais l’« International Council of Scientific Unions ») ou bien encore le GIEC fondé en 1988 (Groupement d’Expert Intergouvernemental pour l’Etude du Climat, en anglais l’« International Panel of Climate Change », à qui nous devons le rapport bien connu publié en 2007 et dont la dernière édition date de 2013. Les trois phénomènes caractérisant le changement global sont : (1) l’augmentation croissante de la teneur atmosphérique en gaz carbonique et en autres gaz à effet de serre, qui modifie le bilan radiatif de la Terre (d’ici 2100, +1.0°C [0.3-1.7°C] à + 3.7°C [2.6-4.8°C] selon les quatre scénarii principaux d’émissions (GIEC 2013), (2) la décroissance de la teneur en ozone dans la stratosphère, surtout au dessus de l’Antarctique, et (3) l’acidification de l’atmosphère, des océans et des précipitations.

Premièrement, l’augmentation de la température liée à l’accroissement de la teneur atmosphérique en gaz à effet de serre (+ 70% entre 1970 et 2004, hausse principalement due aux activités anthropiques : GIEC 2013) aura plusieurs conséquences.

L’une de celles-ci découle du fait que l’élévation de la teneur en CO

dans l’atmosphère

modifie la nutrition azotée des végétaux et augmente la valeur du rapport C/N de leurs

tissus (Cotrufo et al. 1994, Dajoz 1996, Tuchman et al. 2002). Or, la vitesse de

décomposition de la litière par les micro-organismes diminue lorsque le rapport C/N

augmente, ce qui risque d’avoir des répercussions sur le recyclage des éléments dans les

écosystèmes dans les prochaines décennies. Par ailleurs, des modifications dans la

phénologie des espèces se produiront ; par exemple la période d’apparition des bourgeons

au printemps en milieu tempéré sera avancée. Enfin, l’abondance et la distribution des

espèces animales seront également modifiées par l’augmentation de la température

(Dajoz 1996). Les espèces vivant actuellement dans des conditions thermiques situées en

limite de leur seuil de tolérance (i.e. en limite de leur valence écologique) seront

particulièrement vulnérables aux changements climatiques (Dajoz 1996, Somero 2010, 2011), selon leur potentiel d’adaptation ou de plasticité phénotypique.

Deuxièmement, la diminution de la teneur en ozone dans la stratosphère augmentera l’irradiation de la Terre par les rayonnements solaires, parmi lesquels les UV- A, et les UV-B, ce qui pourrait avoir des impacts négatifs sur les organismes. Cette hausse des UV-A altérant la croissance des végétaux terrestres (Teramura 1986), cela pourrait causer à l’avenir des modifications des processus fonctionnels au sein des écosystèmes (productivité, dégradation de la matière organique) pouvant alors affecter les écosystèmes aquatiques adjacents dont une partie des ressources est apportée par les milieux terrestres (Cummins 1974).

Troisièmement, l’acidification des eaux de pluie douces provoque un lessivage des éléments nutritifs du sol et une contamination par les métaux lourds et l’aluminium (Dajoz 1996). La conséquence probable est une diminution de la croissance des arbres et une diminution de la productivité primaire, ce qui pourrait là encore causer des modifications des processus fonctionnels.

Dans ce contexte de changement climatique mondial et de hausse des températures de 0.3 à 4.8°C à l'horizon 2100 (GIEC 2013), la prise en compte de l’impact de cette contrainte sur la physiologie des organismes (Pörtner et al. 2007, Hofmann &

Todgham 2010), leur écologie (Parmesan et al. 1999 ; Walther et al. 2002, Roots et al.

2003) et leur rôle fonctionnel (Schielf & Mutz 2009, Skoulikidis & Amaxidis 2009)

devient un des enjeux majeurs de l’écologie. Les principales conséquences engendrées

par ces perturbations sur les milieux dulçaquicoles sont une augmentation de la

température moyenne (Hari et al. 2006, GIEC 2007), des assèchements partiels ou

complets plus fréquents (Lake 2003, Humphries & Baldwin 2003), une fragmentation et

une rétractation des habitats engendrant une perte de connectivité des milieux (Lake

2003), et une modification des réseaux trophiques (Lake 2003).

2-…tolérance thermique, reproduction et …

Parmi les principaux paramètres climatiques, nous trouvons la pluviométrie, l’éclairement, la photopériode et la température, cette dernière étant probablement l’élément le plus important pour les organismes car tous les processus métaboliques en dépendent (Dajoz 1996, Guderley & Leroy 2001, Brown et al. 2004). En effet, la température touche tous les niveaux d’organisation biologique, du taux de diffusion des molécules dans les cellules jusqu’à leur intégration dans l’organisme pris dans son ensemble (Guderley & St-Pierre 2002). Face aux changements de température, des phénomènes d’acclimatation peuvent se mettre en place chez les organismes.

L’acclimatation à la température regroupe l’ensemble des phénomènes physiologiques qui permettent de lutter contre les températures défavorables (Dajoz 1996). Beaucoup d’études concernent les adaptations au froid chez les ectothermes, et plus particulièrement les insectes (Renault et al. 2004, Pörtner et al. 2007, Lalouette et al.

2007, Colinet 2011, Boardman et al. 2013). D’autres travaux sont relatifs à des crustacés (Issartel et al. 2005b, 2006, Colson-Proch et al. 2009). Plusieurs articles s'intéressent aux liens entre la température et le métabolisme des Crustacés Amphipodes en utilisant la consommation du dioxygène dissous (Roux 1975, Bruijs et al. 2001, Wijnhoven et al.

2003, Issartel et al. 2005a, Maazouzi et al. 2011) ou la modification des structures membranaires (Pruitt 1990). De plus, une augmentation, même modérée, de la température ambiante nécessitera la mise en place de mécanismes de défense par les organismes (Pörtner 2002, Issartel et al. 2005a, 2005b, 2006), dont le coût viendra limiter l’allocation énergétique à la descendance (Anguiletta et al. 2002, Pook et al. 2009). Dans le cadre d’une augmentation de la température, la tolérance thermique d’un organisme est déterminante pour sa survie (Chown 2001) mais aussi pour sa croissance (Sutcliffe et al.

1981, Moenickes et al. 2011) et ses capacités de reproduction (Anguiletta et al. 2002). La tolérance thermique va influencer les stratégies/comportements des organismes face à l’augmentation du stress thermique : dans un écosystème donné, selon la plasticité de la tolérance thermique et les mécanismes de défense mis en oeuvre, la population va - plus ou moins bien - persister sur place, ou migrer si c’est possible, ou encore s’éteindre si les conditions thermiques deviennent trop contraignantes (Parmesan & Yohe 2003).

En termes de reproduction, plusieurs auteurs ont observé les effets de la

de Crustacés Amphipodes (Welton & Clarke 1980, Pavnov & McQueen 1998, Pöckl et al. 2003). Les constats généraux indiquent une diminution de la durée d'incubation des œufs (Kinne 1961, Nilsson 1977, Pöckl & Humpesch 1990, Pöckl & Timischl 1990) et de l'investissement énergétique par œuf avec l'augmentation de la température (Gorny et al.

1992, Prato et al. 2008). L’accélération du temps de maturation pourrait ainsi mener à une augmentation du nombre d'occasions de reproduction au cours de l'année (voltinisme), tendance observée notamment par Franken et al. (2007). D’un autre côté, l’augmentation potentielle de l’investissement reproducteur aura probablement des effets délétères sur la croissance et la longévité de ces organismes. De plus, certains auteurs mettent en évidence des compromis entre l'intensité de la reproduction au début de la maturité sexuelle et la durée de vie des organismes (Krebs et Loeschcke 1999). Pour l'observation d'un même trait d’histoire de vie, par exemple la fécondité à la fin de la vie de l'organisme, différentes stratégies de reproduction en amont peuvent conduire à la même valeur de trait : soit produire de nombreux jeunes ayant une faible survie, soit avoir une très bonne survie des juvéniles ou encore une multiplication du nombre d'occasions de reproduction. Ainsi, pour avoir une idée précise de l'influence de l'augmentation de la température sur la fitness d'un individu (nombre de descendants viables et reproducteurs produits durant la vie de l’organisme), il convient de prendre en compte les compromis qui ont lieu entre, d’une part, le nombre et la qualité des œufs à une occasion de reproduction et, d’autre part, les occasions de reproduction se succédant au cours de sa vie.

Pour finir, d’après la littérature disponible, il semble que peu de travaux se soient attelés à étudier les liens entre température, quantité de réserves énergétiques, mécanismes de défense et reproduction.

3- …processus fonctionnel : recyclage de la matière organique.

Les changements climatiques s'accompagnent d'un déplacement de la végétation

dû à la remontée des clines thermiques vers les hautes latitudes (Walther et al. 2002,

Roots et al. 2003). La végétation adaptée à une gamme de température suit ce

déplacement (Moser et al. 2011, Cheaib et al. 2012, Rigling et al. 2013). Ainsi, les

espèces végétales sont susceptibles de changer suite au remplacement de certaines

espèces par d'autres, colonisant habituellement des secteurs avec des températures plus élevées (GIEC 2007). La matière organique particulaire (MOP) allochtone, issue de la chute des feuilles provenant des arbres de la ripisylve, représente l’apport d’énergie dominant dans les écosystèmes aquatiques (Cummins 1974) et constitue la principale ressource trophique pour les amphipodes dulçaquicoles (qui appartiennent pour la plupart au groupe trophique des fragmenteurs-détritivores : Willoughby & Sutcliffe 1976, Delong et al. 1993). Une modification des apports en MOP allochtone pourrait entraîner d’importantes modifications de leur capacité de dégradation et/ou d'assimilation (Nilsson 1974, Friberg & Jacobsen 1994, Richardson et al. 2009) qui pourraient à leur tour entraîner une baisse du niveau de leurs réserves énergétiques corporelles pouvant se répercuter sur leur reproduction, et affecter au final la survie des populations d’amphipodes.

Lorsque les feuilles sénescentes arrivent dans les cours d’eau, leurs tissus sont colonisés par des micro-organismes, des bactéries, et/ou des algues mais surtout par des champignons hyphomycètes aquatiques (Gessner & Chauvet 1994). Il s’agit du processus de conditionnement des feuilles, étape essentielle de leur dégradation, durant laquelle la biomasse fongique croît et de ce fait la quantité d’ergostérol composant les hyphomycètes augmente également dans les feuilles, de manière proportionnelle (Gessner & Chauvet 1993). L’ergostérol est un composé qui rend la feuille plus attractive pour les espèces détritivores, c’est-à-dire que plus une feuille est conditionnée, plus les organismes vont la consommer. Vannote et al. 1980, Graça et al. 2001, Piscart et al. 2009b, 2011b ont montré que les amphipodes sont responsables d’environ 75% de la dégradation de la litière dans les cours d’eaux, mais que cette activité est également fortement liée aux conditions environnementales. Toutefois, tous les amphipodes n’ont pas ce rôle d’espèce clé de voûte, et leurs capacités de dégradation varient fortement entre les espèces (Piscart et al. 2011a) et l’interaction entre les espèces peut également entrainer des changements significatifs du régime alimentaire des individus (Piscart et al. 2011c).

Toute modification du régime alimentaire et/ou de l’activité de dégradation des amphipodes pourrait avoir alors des conséquences négatives sur beaucoup d’autres espèces, car les gammares interagissent avec d’autres organismes. Ainsi, Kinsey et al.

(2007) ont montré que l’activité de dégradation de Gammarus minus stimulait de 32-52%

conditionnement des feuilles par les micro-organismes influence l’action de dégradation des gammares. De plus, d’autres auteurs ont montré que la fragmentation de la litière par un gammare de surface, Gammarus roeselii, facilitait le processus de nutrition d’un amphipode souterrain non capable de décomposition, Niphargus rhenorhodanensis, sur de la matière organique fine particulaire (Navel et al. 2011). Une autre étude (Joyce &

Wotton 2007) vient souligner l’importance des pseudofaeces des gammares dans les hydrosystèmes. Ces auteurs ont également montré que le taux d’excrétion des pseudofaeces de gammares (G. pulex) dans les sédiments présente une variation au cours des saisons et que leur temps de dégradation semble inversement corrélé à la température du milieu. A l’automne, les pseudofaeces de gammares, contenant du carbone allochtone, sont enfouies dans le sédiment, constituant ainsi un substrat en réserve pour les micro- organismes et une ressource trophique pour les détritivores.

Malgré la littérature disponible à l’heure actuelle, les conséquences fonctionnelles de ces changements de végétation et de cette augmentation de température en termes de recyclage de la matière organique et de dégradation de la litière pour les écosystèmes aquatiques restent encore méconnues.

4- Objectifs et hypothèses testées

Dans le cadre de ma thèse de doctorat, nous avons fait le choix de travailler sur

plusieurs populations d’une même espèce. En effet, une étude intra-spécifique permet de

fortement limiter les effets phylogénétiques sur les réponses écologiques ou

physiologiques aux variations d’un paramètre biotique ou abiotique, car ces effets sont

plus faibles entre des populations d’une même espèce qu’entre des espèces différentes

appartenant dans le meilleur des cas à un même genre. En outre, des adaptations aux

conditions environnementales locales peuvent être mises en évidence, venant compléter

les connaissances sur le rôle potentiel d’une espèce à une échelle plus large. Nous avons

voulu étudier ici (i) l’impact d’une hausse de la température de l’eau sur la reproduction

et la physiologie de notre espèce modèle, l’amphipode clé Gammarus pulex, (ii) l’impact

de la variation du type de litière détritique (qualité et quantité de la ressource trophique)

sur son métabolisme énergétique, et enfin (iii) l’effet de l’interaction entre les deux

facteurs précédents (température + ressource trophique) sur les capacités de dégradation

de la litière par G. pulex (réponse fonctionnelle) et la digestion de la ressource trophique (réponse physiologique). Dans ce but, nous avons réalisé une étude comparative sur plusieurs populations de G. pulex provenant de sites (rivières ou sources) dont les conditions climatiques sont contrastées (nord et sud de la vallée du Rhône).

Les trois objectifs constituant le cœur de ma thèse sont présentés dans les pages qui suivent, avant d’être développés dans la suite de ce manuscrit (chapitres 2 et 3).

Objectif 1 : mieux connaître les conséquences actuelles de l’augmentation de la température sur les stratégies d’allocation énergétique à la descendance et sur la physiologie de la tolérance thermique chez l'amphipode clé Gammarus pulex.

En ce qui concerne la physiologie des individus, nous supposions qu’une hausse de la température impacterait la physiologie respiratoire et le métabolisme énergétique de G.

pulex. En effet, la diminution de la concentration en oxygène dissous avec l’augmentation de la température induit des changements au niveau de la physiologie respiratoire des organismes (Spicer & Strömberg 2003, Powell & Watts 2006). Un stress, notamment thermique, provoque souvent une hyperventilation (augmentation de la fréquence de battement des pléopodes) (Wijnhoven et al. 2003, Issartel et al. 2005, Maazouzi et al.

2011) associée à une hausse de la consommation d’oxygène (Dissanayake & Ishimatsu 2001, Brown et al. 2004, Gonzalez et al. 2010). Le métabolisme énergétique est lui aussi perturbé par un accroissement de la température (Hervant et al. 1995, 1999, Maazouzi et al. 2011). Ainsi, l’utilisation des réserves en glycogène a souvent été observée en réponse à de nombreux stress environnementaux (Hervant et al. 1995, 1999, Maazouzi et al.

2011). Les mécanismes de résistance au stress étant coûteux en énergie, le stock de triglycérides peut lui aussi être utilisé/affecté. Cette molécule représente la forme de mise en réserve de l’énergie la plus importante chez les crustacés (Hervant et al. 1999, Koop et al. 2008, Becker et al. 2013), et cette réserve est fortement impliquée dans la reproduction (Koop et al. 2008, Becker et al. 2013). C’est pourquoi un stress thermique peut engendrer la mise en place de compromis entre allocation énergétique à la reproduction et résistance/réponse au stress (Angiletta et al. 2002, Wijnhoven et al.

2003). Nous nous attendions également à ce que cette pression environnementale (i.e. la

hausse thermique) induise la mise en place de mécanismes adaptatifs par les populations

vivant au sud de la vallée du Rhône ce qui devrait se traduire par une meilleure tolérance

Ces hypothèses de changement de métabolisme et de tolérance thermique ont été testées par une expérience en laboratoire durant laquelle les gammares ont été acclimatés à différentes températures pendant 10 jours, au terme desquels plusieurs paramètres comportementaux et physiologiques ont été mesurés. En laboratoire, la tolérance thermique des œufs de gammare a aussi été évaluée via la mesure de la production d’HSP, en collaboration avec une post-doctorante, Delphine Cottin (UMR CNRS 7208 - IRD 207 – UPMC, Paris).

Concernant les stratégies de reproduction, mon hypothèse de travail était que la hausse de la température entraînerait une diminution de l’allocation des ressources par occasion de reproduction (Hypothèse 1, notée H1 sur la figure 1). L'augmentation couplée du métabolisme basal et des dégâts cellulaires avec la hausse de la température (Pörtner et al. 2001, 2007) entraîne une réallocation énergétique importante entre les processus physiologiques associés à la maintenance des organismes et les mécanismes de lutte contre le stress thermique, au profit de ces derniers (Wijnhoven et al. 2003, Issartel et al. 2005a). De plus, avec une quantité d'énergie constante, cette réallocation énergétique se réaliserait obligatoirement au détriment de la reproduction dans le cadre d’une augmentation de la température (Gorny et al. 1992, Prato et al. 2008). Nous suggérons qu’une telle augmentation devrait entraîner une diminution du nombre d’œufs par occasion de reproduction, de leur taille et de leur teneur en réserves énergétiques.

Cette hypothèse d'une modification de l’investissement reproducteur des organismes en fonction de la température a été testée par une observation de terrain durant deux saisons sur deux populations réparties au nord et au sud du gradient thermique latitudinal de la vallée du Rhône. Cet objectif a été traité au cours du chapitre 2.

Objectif 2 : étudier l’impact de la variation des ressources trophiques liée au réchauffement climatique sur la capacité de dégradation de la litière et la mise en réserve de l’énergie par les individus.

Dans le cadre des changements climatiques, des changements de végétation au

sein d’une zone de ripisylve pourraient s’opérer à l’avenir. La majorité de la matière

organique présente dans les petits cours d'eau est d'origine allochtone et provient des

feuilles mortes des arbres de la ripisylve (Cummins 1974). La modification du couvert végétal lié au changement climatique va donc changer la nature de ces ressources alimentaires détritiques. Par exemple, les espèces végétales adaptées au climat méditerranéen du sud de la vallée du Rhône présentent des tissus plus résistants («tougher») que les espèces végétales adaptées au climat continental du nord de la vallée du Rhône, pour faire face aux effets de la dessiccation (Gallardo & Merino 1993, Alemanno et al. 2007). Étant donné le rôle clé des amphipodes dans le recyclage de la matière organique au sein de leurs hydrosystèmes, il paraît important de regarder leur capacité de dégradation de la litière face à ces changements. En effet, comme dit dans l’introduction générale, l’activité des amphipodes représente jusqu’à 75 % du recyclage de la matière organique particulaire dans les cours d'eau continentaux (Piscart et al.

2009b). Des changements dans leur alimentation (type de litière) et la réduction potentielle de la densité des populations pourraient donc avoir d’importantes conséquences sur le fonctionnement de nombreux hydrosystèmes d’eau douce, dont l’efficacité de leur principal agent de recyclage de la matière organique allochtone serait alors amoindrie. En préambule de l’étude sur la dégradation de litière, nous avons étudié sur des espèces de feuilles ayant des caractéristiques biomécaniques intialement contrastées l’évolution de la résistance des tissus foliaires et de la biomasse fongique au cours du conditionnement des feuilles par les champignons aquatiques (hyphomycètes).

Ensuite, les trois hypothèses testées par l’expérience de dégradation de litière (notées par la flèche H2 sur la figure 1) ont été :

- que les feuilles d’espèces méditerranéennes seraient moins bien consommées par les gammares que les feuilles provenant de stations sous climat continental,

- que les populations de gammares du sud de la vallée du Rhône, adaptées à consommer de la litière plus dure, consommeraient plus de litière, que celle-ci soit d’origine continentale ou méditerranéenne, par rapport aux gammares du nord,

- que ce changement dans la composition de la litière induirait des différences en termes de réserves énergétiques stockées par les gammares, car la qualité nutritive des feuilles et l’énergie nécessaire pour les consommer peuvent varier.

En laboratoire, nous avons testé la dureté des feuilles en prenant en compte le

phénomène de conditionnement des feuilles par les hyphomycètes aquatiques. Nous

avons évalué le taux de dégradation de la matière organique pendant 10 jours

fonction de l’origine géographique des amphipodes. Ce type d’étude permet de compléter notre connaissance des conséquences des changements climatiques sur les organismes aquatiques et le fonctionnement des hydrosystèmes associés. Cet objectif a été traité au cours de la première partie du chapitre 3.

Objectif 3 : le troisième et dernier objectif était de mieux appréhender les conséquences probables du changement climatique sur les populations d’amphipodes et sur leur rôle fonctionnel en étudiant l’influence de la température sur le conditionnement, la dégradation et la digestion de la matière organique par les gammares.

Nous avions pour cela à notre disposition les résultats issus de nos travaux réalisés lors des étapes précédentes, à savoir la tolérance thermique des différentes populations de gammares (Article 1) et leurs capacités de dégradation de la litière (Articles 3 et 4). Ces résultats ont permis de sélectionner, pour cette expérience en laboratoire, la gamme de température testée et le type de litière offert aux gammares. Nous avons émis les quatre hypothèses suivantes (notées H3 sur la figure 1) :

- le conditionnement des feuilles, dépendant de l’activité des micro-organismes, serait stimulé par une température croissante,

- l’activité de dégradation des feuilles par les gammares serait favorisée par une augmentation non stressante de la température, et ce jusqu’à un certain seuil,

- la digestion de la ressource (litière), réalisée en premier lieu par la dégradation par les exo-enzymes des micro-organismes de la flore intestinale des gammares, serait également favorisée par la température.

- la digestion de la nourriture à forte température serait meilleure pour les gammares du sud par rapport à ceux du nord.

En conditions expérimentales, nous avons acclimaté les gammares à différentes

températures, puis nous avons mesuré le taux de dégradation de feuilles d’aulne (espèce

choisie, car cette litière est bien consommée à la fois par les gammares du sud et du nord)

et les activités de trois exo-enzymes bactériennes dégradant les liaisons carbonées et

azotées constitutives des éléments nutritifs dans le tube digestif des gammares. Cet

objectif a été traité au cours de la seconde partie du chapitre 3.

Figure 1 : Schéma présentant le contexte, les facteurs pris en compte, les paramètres

étudiés dans le cadre du projet de thèse ainsi que les hypothèses et les perspectives de

travail associées.

Chapitre 1

Chapitre I - Présentation de la Vallée du Rhône et du modèle biologique, Gammarus pulex (Crustacé : Amphipode)

1- La vallée du Rhône : une zone particulièrement pertinente pour une étude dans le contexte des changements climatiques

Ce travail doctoral a été réalisé le long du bassin versant du Rhône (zone géographique située dans le quart sud-est de la France), depuis la Saône en amont de la ville de Dijon et jusqu'à la région de Marseille. L'intérêt de cette région géographique réside dans l'existence d'un gradient thermique latitudinal (d’environ 500 km) visible sur la carte des climats et des températures atmosphériques moyennes annuelles (Figure 2).

Ce gradient s’est mis en place après la dernière grande période glaciaire, il y a 10 000 ans environ, et est demeuré stable depuis (Dansgaard et al. 1993, Clark et al. 2012). L’annexe 1 présente les températures atmosphériques mensuelles pour les sites d’échantillonnage des gammares, ainsi que les températures extrêmes mesurées et moyennées sur plusieurs années (1960-1990). L'écart des températures atmosphériques entre les sites nord et sud est de 2 à 4°C en moyenne, selon les saisons. Il est visible sur le graphique que les différences de températures maximales saisonnières entre les sites nord et sud sont plus marquées à l’automne et en hiver qu’au printemps et en été. En ce qui concerne les températures de l’eau du nord et du sud de la vallée du Rhône, les mesures effectuées sur les eaux souterraines au niveau de sources (par définition thermiquement tamponnées et représentatives des températures moyennes annuelles : Freeze & Cherry 1979) indiquent un différentiel de 4°C entre le nord et le sud. Plus précisément, les sources étudiées présentent des températures très stables au cours d’une année, avec des eaux à 10-12°C pour le nord contre 14°C-15°C pour le sud (Tableau 1). Dans le cas des rivières, la température de l’eau est fortement corrélée à la température atmosphérique (Mohseni &

Stefan 1999, Bogan et al. 2003), et de ce fait les rivières situées au sud de la vallée du Rhône sont plus chaudes de quelques degrés en moyenne que celles localisées au nord.

Toutefois, dans le cas où les rivières sont alimentées par des eaux souterraines, la

température est significativement plus tamponnée au cours des saisons, et les rivières ont

tendance à être refroidies en été et réchauffées en hiver, par rapport à la température

Tableau 1 : Températures moyennes en degrés (°C) (± écart-type) mesurées dans les sources

instrumentées par des sondes (enregistreurs thermiques) sur de longues périodes, de l’ordre d’une année.

Les caractéristiques météorologiques des sites étudiés le long de la vallée du Rhône différencient deux climats : le climat continental pour la partie nord et le climat méditerranéen pour la partie sud (Figure 1a). Le rapport du GIEC de 2013 traitant des changements globaux présente différents scenarii des changements climatiques pour les décennies à venir. Selon les modèles prenant en compte des paramètres démographiques, économiques, sociologiques (scenarii : RCP 2.6, RCP 2.4, RCP 6.0, RCP8.5), d'ici 2100, la température atmosphérique moyenne devrait augmenter de 0.3 à 4.8°C, selon notamment l’évolution du taux d’émissions mondiales des gaz à effets de serre (GES) (GIEC 2013). En outre, les écosystèmes de type méditerranéen seront probablement plus touchés que ceux sous climat continental à cause de la diminution plus importante des précipitations (Beniston et al. 2007, GIEC 2007), ce qui pourrait aussi entraîner de plus forts risques d’assèchement des cours d’eau et des zones humides. Les températures des écosystèmes aquatiques devraient augmenter du même ordre de grandeur. En conclusion, les conditions climatiques actuelles du sud de la vallée du Rhône renseignent sur les futures conditions du nord. Plus précisément, d’ici la fin du 21

siècle, l’augmentation de température devrait être de +2 à +2,5°C en France métropolitaine pour un scénario

« optimiste » quant aux émissions des GES, ou de +4 à + 4.5°C pour un scénario

« pessimiste » (Météo France, http://climat.meteofrance.com). En hiver, le réchauffement serait moindre d’environ 1°C mais plus important en été d’1°C (voire de 2°C pour le scénario le plus pessimiste). La figure 3 compare la température moyenne quotidienne en France durant l’année de référence 1970 et durant l’année 2085 selon les prédictions réalisées à partir de modèles issus du projet SCRATCH08 (www.drias-climat.fr).

Sites Chaûme

(resurgence) Val suzon Avy D’adane Mary Rose Localisation Balan (Ain)

Nord

Val Suzon (Côte d’or)

Nord

Grabels (Hérault)

Sud

Pélissanne (Bouches- du-Rhône)

Sud

Grans (Bouches- du-Rhône)

Sud Températures

enregistrées 12.3±0.8 10.38±0.5 14.8±0.6 15.2±0.1 15.9±0.1

Figure 2 : Carte de France : répartition et typologie des climats, modifiée d’après le site

cybergeo.revues.org

Figure 3 : Carte de France de la température moyenne quotidienne récente (a) en 1970 et (b)

celle prédite en 2085 selon le scénario d’évolution socio-économique intermédiaire (A1B) élaboré

à l’aide du modèle Arpège-V4.6 de Météo-France dans le cadre du projet

CERFACS/SCRATCH08 - France CNRM (source : www.drias-climat.fr).

2- Modèle biologique : Gammarus pulex (Linné 1758)

2.1 Répartition géographique

L’espèce Gammarus pulex a été identifiée par Linné en 1758 sous la dénomination Cancer pulex. Par la suite, l’espèce a été appelée par différents noms (Gammarus fluviatilis, Gammarus aquaticus, Gammarus polymorphus et Rivulogammarus pulex) avant son appellation actuelle Gammarus pulex en 1969 (Stock 1969). En 1931, Karaman publie dans Beitrag zur Kenntnis der Süsswasseramphipoden une description d’une sous-espèce de G. pulex, Gammarus pulex gallicus (Karaman 1931), initialement nommée Rivulogammarus pulex gallicus, et présentant des différences morphologiques fines avec les individus G. pulex au sens strict (Figure 6).

Son travail a ensuite été repris par Pinkster (1972), dont l’étude traite notamment de la répartition de cette sous-espèce en France. Une photographie d’individus Gammarus pulex et G. pulex gallicus est présentée sur la figure 4 ; leurs distributions géographiques respectives sont présentées sur la figure 5. Cette sous-espèce est endémique de la France métropolitaine, avec une aire de distribution restreinte à un petit secteur situé à proximité de la côte méditerranéenne et incluant le sud de la vallée du Rhône. Ce secteur correspond à la zone la plus chaude de France (Figure 3) également connue pour être la limite méridionale de l’aire de répartition totale de l’espèce (Pinkster 1972, Piscart &

Bollache 2012). Aussi, pour l’ensemble de mes travaux de recherche, nous avons émis l’hypothèse que les gammares G. pulex gallicus vivent en limite de tolérance thermique de l’espèce. De ce fait, ces individus, contrairement aux populations du nord de la vallée du Rhône ont probablement développé des mécanismes adaptatifs et/ou une plasticité phénotypique particulière pour survivre à ces conditions plus contraignantes.

Figure 4 : Photographie d’individus adultes conservés dans l’alcool (a) Gammarus pulex (b) Gammarus pulex gallicus.

(a) (b)

(a) (b)

Figure 6 : Illustration des différences morphologiques entre Gammarus pulex (a) et Gammarus pulex gallicus (b) concernant le métasome et l’urosome au dessus, et l’antenne 2

au-dessous, adapté d’après Piscart & Bollache (2012). Les flèches précisent la localisation de ces différences.

Figure 5 : Carte de France (a)

répartition de l’espèce Gammarus

Pinskter (1972).