THESE
Présentée en vue de l’obtention du grade de Docteur en Sciences
Discipline : Génétique des populations
Ecole Doctorale : Biodiversité Ecologie Evolution
par KOFFI Kouamé Guillaume
Etude de la variabilité génétique et de la phylogéographie de Santiria trimera (Burseraceae) - implications pour une
conservation durable des forêts humides d’Afrique
Soutenue le 22 Novembre 2010 Membres du jury :
Patrick MARDULYN Chercheur, Université Libre de Bruxelles Président Pierre MEERTS Professeur, Université Libre de Bruxelles Secrétaire Jean-Louis DOUCET Professeur, Université de Liège (GxABT) Examinateur Steven DESSEIN Chercheur, Jardin Botanique National de Belgique Examinateur Olivier J. HARDY Chercheur, Université Libre de Bruxelles Promoteur Myriam HEUERTZ Chercheur, Centre of Forest Research (CIFOR-INIA) Co-promotrice
RESUME :
La phylogéographie intègre l’information géographique et génétique pour inférer l’histoire démographique et les processus évolutifs des espèces. La présente étude recherche à travers les patrons de différenciation de l’ADN chloroplastique (ADNcp) au sein de Santiria trimera (Oliv.) H.J.LAM ex AUBR. [Emend. ONANA] la reconstitution d’une histoire des végétations des écosystèmes de forêts tropicales humides d’Afrique. Le modèle S. trimera est un arbre dioïque endémique des forêts humides d’Afrique dont les drupes sont dispersées par les primates et les oiseaux. Les formes morphologiques de ce modèle sont très variables et suscitent la délicate question de délimitation des espèces.
Trois régions de l’ADNcp (l’intergène trnL-F, une portion du gène rbcL et l’intron rpl36-infA-rps8) ont été séquencées chez 377 individus issus de 42 populations de l’île de São Tomé, du Haut- et Bas-Guinéen pour étudier la phylogéographie. Des arbres phylogénétiques ont été réalisés sur des séquences d’un intron nucléaire du gène Phosphoenolpyruvate Carboxylase (72 individus) et sur les trois régions chloroplastiques. Une analyse morphométrique a été réalisée sur des données collectées sur des arbres en fruits. A l’aide de 10 locus microsatellites nucléaires, nous avons déterminé la structure génétique entre trois morphotypes sympatriques et analysé la structure génétique spatiale au sein de chaque groupe génétique.
Le séquençage de l’ADNcp a mis en évidence des doubles pics sur les chromatogrammes de séquences. L’analyse des séquences clonées de produits PCR, la distribution des sites à doubles pics dans les séquences et dans les populations et les états ancestraux des positions à doubles pics nous ont permis d’interpréter les doubles pics comme résultant d’une co-amplification d’une copie chloroplastique et de copies nucléaires des régions séquencées. Les pics majeurs ont été considérés comme les nucléotides d’ADNcp d’origine maternelle et les pics mineurs ont été exclus de notre jeu de données.
Les domaines phytogéographiques de São Tomé, du Haut- et Bas-Guinéen ne partagent aucun haplotype chloroplastique. Le Bas-Guinéen montre une plus grande diversité génétique. Les zones de distribution des haplotypes rares coïncident avec les refuges forestiers hypothétiques. L’analyse morphométrique et la phylogénie des séquences d’ADNcp suggèrent conjointement la reconnaissance de deux espèces bien différenciées. La structure génétique au sein d’une même population présumée suggère que les trois morphotypes en sympatrie dans les populations du Gabon constituent deux réservoirs génétiques différenciés sans individus hybrides. Selon le Concept Biologique de l’Espèce, S. trimera est
probablement un mélange de deux espèces. On peut définir une espèce constituée d’individus avec des racines échasses et petites folioles coriaces (SRsl) et une seconde espèce constituée à la fois d’individus avec des racines échasses et de grandes folioles papyracées (SRll) et d’individus sans racine échasse avec de grandes folioles coriaces (NSR). Au vu de ces résultats, la classification taxonomique de S. trimera nécessite une révision. La confusion de ces deux espèces dans les forêts du Gabon explique une plus forte divergence de lignées chloroplastiques sympatriques par rapport aux lignées issues des régions biogéographiques isolées. L’un des deux haplotypes principaux de l’espèce à grandes folioles (SRll + NSR) est distribué dans le nord du Gabon et l’autre est distribué dans le sud. Au sein de l’espèce à petites folioles (SRsl), les zones d’endémisme de lignées chloroplastiques se situent dans l’Ouest du Cameroun qui est considéré comme une zone de fort endémisme et de forte diversité en espèces. Globalement, les patrons phylogéographiques mis en évidence entre lignées chloroplastiques de S. trimera sont compatibles avec les hypothèses biogéographiques basées sur les patrons de diversité et d’endémisme des espèces.
Mots clés : Burseraceae, Santiria trimera, diversité génétique, structure phylogéographique, phylogénie, dimorphisme sexuel, ADNcp, haplotype, ADNn, forêts tropicales humides, Refuges forestiers.
ABSTRACT:
Phylogeography combines geographic and genetic information to infer demographic history and evolutionary processes. The present study of the spatial structure of chloroplast DNA (cpDNA) within Santiria trimera H.J.LAM ex AUBR. [Emend. ONANA], a primate- and bird- dispersed dioecious tree typical of African rainforests, provides insights into African vegetation history. This tree displays striking morphological variation which poses the problem of species delineation.
Three regions of cpDNA (intergene trnL-F, a portion of rbcL gene and intron rpl36- infA-rps8) were sequenced in 377 individuals from 42 populations from São Tomé island and from Upper- and Lower-Guinean forests to study phylogeography. To study genetic divergence among morphotypes of S. trimera, phylogenies of a nuclear intron of Phosphoenolpyruvate Carboxylase from 72 individuals and concatenated sequences of the three cpDNA sequences were compared to morphological data from fruit-bearing trees. Using ten nuclear microsatellite markers, we defined the genetic structure among three sympatric morphotypes and analysed the spatial genetic structure within each genetic group.
CpDNA sequences revealed double-peaks on sequence chromatograms. Sequences of cloned PCR products, the distribution of double peaks on sequences and in populations and ancestral nucleotides inferred from different taxa of the Burseraceae family enabled us to deduce that double peaks were due to the co-amplification of chloroplast and nuclear copies of the cpDNA region. Major peaks were considered as originating from maternal cpDNA.
Subordinated peaks corresponding to the nuclear copies were excluded from our data set.
The phytogeographic domains of São Tomé, Upper and Lower Guinea did not share any haplotype. Lower Guinea was the most diversified and the most divergent haplotypes were found in Gabonese forests. Endemism areas of haplotypes coincide with hypothetic forests refuges. Morphometric analyses and phylogenies cpDNA converge to delineating two well-differentiated species within S. trimera. Likewise, the genetic structure within one assumed population suggests that the three sympatric morphotypes constitute two genetically isolated populations without any hybrid. Following the Biological Species Concept, S. trimera is probably a mixture of two species in Lower Guinean forests. The first species is composed of all individuals with stilt roots and small leaflets (SRsl) and the second one is composed of both the morphotype with stilt roots, large and thin leaflets (SRll) and the morphotype without stilt roots with large and tough leaflets (NSR). In the view of our results, the taxonomical
classification of S. trimera requires a revision. The confusion of both species in Gabonese forests explains that the highest divergence among chloroplast lineages was found in sympatric populations instead of among isolated biogeographic regions. One of the two major haplotypes of the second species (NSR + SRll) was distributed in the north of Gabon while the other haplotype was distributed in the south. Within the species with small leaflets (SRsl), areas of elevated haplotype endemism in West Cameroon coincided with hypothetic forest refuges. Overall, phylogeographic patterns within our model were in accordance with biogeographic hypotheses based on species endemism and diversity patterns.
Keywords: Burseraceae, Santiria trimera, genetic diversity, phylogeographic structure, phylogeny, sexual dimorphism, cpDNA, haplotype, nDNA, tropical rainforests, forest refuges.
REMERCIEMENTS
Les derniers mots de cette thèse m’offrent l’occasion d’adresser un mot de reconnaissance et de remerciement à chacune des personnes ou institutions qui ont contribué à divers niveaux à ce travail. Comme toute thèse, ce travail est d’abord un défi personnel mais elle n’aurait jamais vu le jour si certaines personnes ne m’avaient pas accordé leur confiance et leur soutien.
Cette aventure est rendue possible par la rencontre du promoteur de ce projet en la personne de Dr Olivier J. HARDY qui fut mon premier contact académique à l’Université Libre de Bruxelles l’après-midi du jeudi 27 Octobre 2005. C’est une chance véritable qu’il m’a accordé en acceptant sans hésiter d’encadrer mes travaux de DEA puis ma thèse alors qu’il venait de me rencontrer pour la première fois. Son engagement dans cette thèse va au- delà de l’encadrement que j’espérais. Il a parcouru les forêts parfois sous la pluie et le vent à la collecte des échantillons au Cameroun, Gabon et sur l’île de São Tomé. Avec son soutien, j’ai bénéficié d’un complément de bourse de la cellule de coopération de l’ULB, bourse sans laquelle, je ne saurais terminer les travaux puisque le paiement de la bourse que la Côte d’Ivoire m’a accordée pour cette formation doctorale était devenu événementiel depuis 2008.
Il a aussi préfinancé les frais de mes voyages d’études en Afrique sur fonds personnel avant d’être remboursé par le projet IFORA dont il était partenaire. J’associe à cette reconnaissance le Dr Myriam HEUERTZ, qui au côté d’Olivier est co-promotrice de ce projet. Ce travail lui a coûté beaucoup de temps en commençant par la mise en œuvre du projet, la collecte des échantillons, l’encadrement des travaux de laboratoire et un accompagnement de bout en bout dans ma formation. Olivier et Myriam, je retiens de vous, la rigueur, la patience dans le travail et votre disponibilité tout au long de l’accompagnement de ce travail. J’espère pouvoir être un bon rejeton au-delà du diplôme que j’obtiendrai pour continuer à faire carrière dans la recherche.
Ce travail a bénéficié de l’accompagnement scientifique des professeurs Pierre Jacques MEERTS et Patrick MARDULYN qui avaient déjà contribué au jury de mon mémoire de DEA que j’ai réalisé en option préparatoire à cette thèse. Messieurs, recevez toute ma reconnaissance pour votre disponibilité, vos critiques et vos encouragements.
Le goût de la recherche m’a été inspiré d’abord par l’encadreur de mes mémoires de Maîtrise et DEA à l’Université d’Abobo-Adjamé (Côte d’Ivoire), le professeur Yao DJE.
Depuis notre premier contact, il n’a cessé de m’accompagner. Avec sa collaboration, j’ai bénéficié de l’encadrement scientifique du professeur Irié Arsène ZORO BI qui depuis est resté pour moi un guide. Je profite de ce chapitre pour remercier l’ensemble des membres de leur équipe de recherche au sein du laboratoire de Biologie et Amélioration des Productions Végétales de l’Université d’Abobo-Adjamé.
Sans être exhaustif, je remercie toutes les personnes qui m’ont apporté leur soutien dans la réalisation de ces travaux :
Dr. Santiago GONZALEZ-MARTINEZ, pour son aide au financement d’un stage de huit semaines au Laboratoire Genexpress de Sesto Fiorentino (Université de Florence, Italie). Il a préfinancé ce stage sur ses fonds personnels et m’a hébergé à Madrid lors de mon voyage sur Florence.
Prof. Giovanni G. VENDRAMIN et son équipe du Laboratoire Genexpress pour leur accueil et leur contribution au développement des marqueurs microsatellites.
Prof. Jean-Loius DOUCET pour sa contribution personnelle à la collecte et aussi celle de tous les membres du service Gestion des Ressources Forestières et des Milieux Naturels (Université de Liège, Gembloux Agro-Bio Tech).
Dr. Charles DOUMENGE pour sa contribution scientifique et la collecte des échantillons au Cameroun et Gabon.
Dr. Jérôme DUMINIL, pour sa présence à mes côtés dans la mise au point des protocoles, la lecture de mes brouillons, et sa participation à la collecte des échantillons dans l’Est Cameroun.
Dr Gabriel DEBOUT avec qui nous avons initié le développement de la banque des microsatellites nucléaires. Gab, je n’ai toujours pas trouvé de mots pour te dire adieu tant ta mort a été brutale. Je garde de toi le souvenir de ta disponiblilté et de la bonne humeur quand nous travaillions ensemble. La mort a vraiment détruit la raison !
Les chercheurs post-doctorants de l’équipe de recherche d’O. J. HARDY Drs Alexandra LEY, Claire MICHENAU, Ingrid PARMENTIER et les doctorants Ebenezer EWEDJE, Gilles DAUBY pour leur collaboration au quotidien.
Le Programme Afrique Centrale du Missouri Botanical Garden, particulièrement Drs Tariq STEVART et Miguel LEAL et leurs équipiers Diosdado NGUEMA, Etienne MOUNOUMOULOSSI et Prince BISSIEMOU pour la collecte des échantillons au Gabon et en Guinée Equatoriale.
Faustino DE OLIVEIRA pour sa contribution à la collecte des échantillons de São Tomé.
MM. Prosper MBAZZA-MBADINGA, Nicolas YAO et Yves ISSEMBE pour leur contribution à la collecte des échantillons au Gabon.
Prof. Daniel Franck IDIATA et M. Samuel MBADINGA du Centre National de la Recherche Scientifique et Technologique (CENAREST) du Gabon pour les permis de collecte.
Dr. Ludovic NGOK-BANAK Directeur de l’Institut de Recherche en Ecologie Tropicale au Gabon, pour sa contribution à l’organisation des missions de collecte et un grand merci à tout le personnel de la Station Ipassa de Makokou pour les huit semaines d’hospitalité qu’ils m’ont accordées.
M. Cécé Urbain KOLIE, Directeur du Centre Forestier de Nzérékoré pour l’obtention du permis de collecte d’échantillons d’arbres dans les Centres Forestiers de Guinée.
MM. O. Norbert HABA, C. Jérôme HABA pour leur contribution à la collecte des échantillons de Guinée.
M. Yapo Jean ASSI pour sa contribution à la collecte des échantillons de Côte d’Ivoire.
Tous les membres du service Evolution Biologique et Ecologie, à commencer par le chef Prof. Serge ARON, tous les chefs d’équipe Denis FOURNIER, Jean- Christophe DE BISEAU D'HAUTEVILLE, Olivier J. HARDY, Patrick MARDULYN, Yves ROISIN, les doctorants du service devenus pour la plupart Docteurs François MAYER, Iris TIMMERMANS, Laurent COURNAULT, Maud QUINZIN, Nicolas THURIN, Nicolas VEREECKEN, Nora ELVINGER, Rachid HAMIDI, Simon DELLICOUR, Thomas BOURGUIGNON, Thomas VANTORRE, et les mémorants avec qui j’ai partagé l’espace de travail tout au long de ces travaux pour leur collaboration et l’ambiance conviviale dans laquelle nous avons travaillé depuis Février 2006. Je remercie également la secrétaire du service Patricia FERON pour toute son attention à mon égard. J’associe à ces remerciements les techniciens du service Céline HOYOIS, Frédéric WALMACQ et Laurent GRUMIAU pour les nombreux échanges professionnels qui ont fini par nous familiariser.
Cette étude est rendue possible grâce à la contribution de plusieurs institutions à travers le financement de projets de recherche :
Le Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique, l’Ambassade de Côte d’Ivoire près le Benelux pour la bourse doctorale qui m’a ouvert la voie de la Belgique.
L’Université Libre de Bruxelles pour m’avoir accueilli en tant qu’étudiant et m’avoir accordé un complément de bourse pour les trois dernières années de ma thèse dans le cadre de la coopération au développement.
Le Fonds National de la Recherche Scientifique (FNRS) pour le projet
« Phylogéographie des ligneux d’Afrique tropicale » et le Fonds de la Recherche Fondamentale Collective (FRFC) pour le projet FORTROP qui ont financé une partie des charges de laboratoire et des missions de collecte d’échantillons d’arbres de plusieurs membres de l’équipe de recherche dirigée par O.J. Hardy.
L’Agence Nationale de la Recherche (ANR) française pour le projet IFORA qui a contribué au financement pour la collecte des échantillons et au séquençage des fragments d’ADN chloroplastique et nucléaire.
Le Centre National de Séquençage français “GENOSCOPE” pour le projet
“Biodiversity patterns of tropical plant species”
Le projet Evoltree pour avoir financé un stage de huit semaines au laboratoire Genexpress à Sesto Fiorentino (Université de florence, Italie) pour le développement de marqueurs microsatellites.
L’Herbier du Jardin botanique national de Belgique à Meise pour m’avoir ouvert les portes et m’avoir permis d’observer des échantillons d’herbier de mon modèle d’étude avant ma première mission de terrain.
La Société de Développement de la forêt (SODEFOR) et l’Office Ivoirien des Parcs et Réserves (OIPR) pour les autorisations de collecte en Côte d’Ivoire.
Le Centre National de la Recherche Scientifique et Technologique (CENAREST) du Gabon pour sa collaboration.
Le Centre Forestier de Guinée pour l’autorisation à la collecte et à l’exportation des échantillons d’arbres.
Je dédie cette thèse à ma famille en particulier à mon oncle Jérémie ASSOUO qui m’a toujours soutenu, à mon père Koffi YAO, à ma mère Amoin ASSOUO, à mon cousin Paul DJE
ma femme Delphine KOUADIO, à mes frères et sœurs. Je ne manquerai pas de remercier affectueusement mes tuteurs et tutrices avec qui j’ai partagé la chaleur de leur famille durant
les cycles primaires et secondaires de ma scolarité. Une pensée à l’endroit de mes amis K.
André NGUESSAN, Claudine ASSOUMA, Issouf BAMBA, K. Jean KOFFI, K. Joseph DATTE, Joseph P. ASSI-KAUDJIS, Y. Lambert KOUADIO, Neuba F. DANHO, A. Noëllie YAO, Norbert POKOU, K. Nouho OUATTARA, Roméo K. KOUASSI, Y. Sabas BARIMA et K. Samuel NIAMIEN.
TABLE DES MATIERES
Abstract:... iii
Remerciements ... v
Avant-propos ...- 11 -
I- Introduction ...- 14 -
1.1- Biogéographie et histoire des forêts humides d’Afrique ...- 14 -
1.2- Conséquences de la fragmentation des forêts humides ...- 18 -
1.3- Facteurs de diversification et de distribution des espèces ...- 18 -
1.4- Organisation spatiale des lignées génétiques...- 24 -
1.5- Apport des marqueurs moléculaires ...- 25 -
1.6- Conservation et génétique des populations...- 27 -
1.7- Notion et délimitation d’espèce ...- 28 -
1.7.1- Espèce morphologique ...- 28 -
1.7.2- Espèce biologique...- 29 -
1.7.3- Espèce phylogénétique ...- 29 -
II- Santiria trimera : position systématique, description, distribution et écologie ...- 31 -
III- Objectifs ...- 33 -
IV- Matériels et méthodes...- 36 -
4.1- Stratégie d’échantillonnage ...- 36 -
4.1.1 Echantillonnage à l’échelle continentale pour étudier la phylogéographie et la phylogénie de S. trimera...- 36 -
4.1.2 Echantillonnage à une échelle locale pour étudier la morphométrie et la structure génétique intra-population de S. trimera ...- 40 -
4.2- Analyse de la structure spatiale des trois morphotypes à l’échelle locale et analyse morphométrique...- 41 -
4.3- Extraction, amplification et séquençage de l’ADN ...- 42 -
4.4- Interprétation des séquences brutes ...- 44 -
4.5- Marqueurs SSR et génotypage...- 45 -
4.6- Traitement des données ...- 47 -
4.6.1- Phylogéographie...- 47 -
4.6.2- Phylogénie...- 49 -
4.6.3- réservoirs de gènes au sein de S. trimera et Structure génétique Spatiale au sein de chaque réservoir génique dans une population ...- 49 -
V- Résultats et discussion...- 51 -
5.1- Comment interpréter les doubles pics sur un chromatogramme d’ADNcp ...- 51 -
5.1.1- Résultats ...- 51 -
5.1.2-Discussion ...- 57 -
5.2- Diversité de l’ADNcp et phylogéographie de Santiria trimera...- 61 -
5.2.1- Résultats ...- 62 -
5.2.2- Discussion ...- 72 -
5.3- Analyse combinée des caractères morphologiques et des séquences d’ADNcp et d’ADNn.- 77 - 5.3.1- Résultats ...- 78 -
5.3.2- Discussion ...- 87 -
5.4- Réservoirs géniques et structure génétique à l’échelle d’une "population"...- 93 -
5.4.1- Résultats ...- 93 -
5.4.2- Discussion ...- 97 -
VI- Conclusion générale et perspectives...- 102 -
6.1- Conclusion ...- 102 -
6.2- Perspectives ...- 105 -
Références bibliographiques ...- 107 -
Annexes ...- 115 -
Annexe 1 ...- 115 -
Annexe 2 ...- 129 -
Annexe 3 ...- 181 -
AVANT-PROPOS
La recherche des facteurs responsables de l’origine, du maintien et de la perte de la diversité biologique constitue un enjeu crucial pour la science. En effet, depuis plus de deux siècles les naturalistes proposent des hypothèses et des mécanismes pour expliquer la variation latitudinale du taux de diversification mais il n’y a pas suffisamment de données pour vérifier nombre d’entre eux (MITTELBACH et al. 2007). Dans le contexte actuel de la crise de la biodiversité, détecter l’origine de la diversification du vivant pourrait s’avérer capital pour la mise en œuvre des plans de conservation de la biodiversité car à défaut d’une conservation intégrale de la biodiversité, on pourrait protéger les centres de diversification si ceux-ci sont connus. Pour cette raison, il me paraît d’un grand intérêt d’intensifier la recherche sur la diversité du vivant dans les forêts tropicales. (1) D’abord pour une superficie couvrant seulement 6% de la surface des terres émergées, les forêts tropicales hébergeraient 50 à 70%
des espèces terrestres (SPICHIGER et al. 2000). (2) Le contexte économique difficile, les conflits armés et la croissance démographique galopante dans les pays tropicaux contribuent à une déforestation rapide et donc à une perte accrue des habitats tropicaux. Le risque de voir disparaître ces habitats justifie l’intérêt des mesures de protection. (3) Aussi la distribution spatiale de la diversité biologique au sein même des forêts tropicales est irrégulière. En Afrique, les taches de forêts de haute valeur de biodiversité sont localisées en particulier dans les régions de collines d’Afrique Centrale et de l’Ouest. L’une des questions capitales est de savoir s’il faut limiter les zones prioritaires pour la conservation de la biodiversité aux zones de haute diversité ou s’il faut considérer que toutes les forêts tropicales se valent.
A l’échelle biogéographique, l’Afrique tropicale abrite le second bloc forestier le plus important après celui du bassin Amazonien. Si des efforts sont menés pour inventorier la diversité biologique existante, très peu de recherches sur la diversité génétique au niveau intra-spécifique ont été menées (PENNINGTON et al. 2004 ; MULOKO-NTOUTOUME 2000).
L’étude de la diversité génétique au niveau intra-spécifique menée avec des marqueurs neutres permettrait d’inférer l’histoire démographique des espèces qui est l’émanation des forces évolutives et aussi des réponses de la végétation aux cycles climatiques majeurs. Par conséquent elle permettrait d’anticiper les réponses des forêts aux changements climatiques futurs. Cependant pour étudier la diversité génétique des « populations de plantes tropicales » il faut parvenir à identifier l’espèce.
Parfois la notion d’espèce reste floue même dans certains groupes taxonomiques comme les arbres où les spécimens sont pourtant évidents à observer ; or la délimitation hiérarchique notamment au niveau espèce est nécessaire à la compréhension des processus évolutifs. Il convient donc de combiner plusieurs techniques de la biologie pour une résolution même partielle du « problème de délimitation d’espèce ». Un des enjeux de cette étude est l’usage d’outils moléculaires de la génétique pour aider à la délimitation entre espèces dans les groupes taxonomiques problématiques. Les marqueurs moléculaires ont l’avantage de pouvoir séparer des taxons très proches dans un complexe d’espèces où les taxons ne sont distingables que par des caractères de fleurs parfois très subtiles. Même si l’utilisation de données moléculaires fait encore débat en botanique (systématique), elle ouvre de nouvelles perspectives pour un approfondissement des connaissances sur l’histoire démographique des espèces pour de meilleures prévisions en vue de la sauvegarde des espèces.
Ce travail est présenté sous la forme d’un chapitre introductif, suivi de la présentation du modèle biologique, des objectifs de l’étude, puis des matériels et des méthodologies. Les résultats et discussion seront présentés en quatre chapitres. La plupart des études phylogéographiques sur les plantes sont basées sur la diversité du génome chloroplastique.
Certaines de ces études ont révélé des réseaux d’haplotypes dans lesquels des haplotypes identiques par état seraient issus d’ascendants différents (homoplasie). L’homoplasie est un facteur limitant pour l’interprétation des processus évolutifs. La présence de doubles pics sur des chromatogrammes de séquences mise en évidence dans le cadre de cette étude révèle un autre aspect limitant de l’exploitation de l’ADNcp pour la phylogéographie. Le premier chapitre des résultats interprète les doubles pics sur les chromatogrammes de séquences d’ADNcp comme la co-amplification de copies chloroplastiques et nucléaires et formule des recommandations pour une meilleure interprétation des séquences chloroplastiques. Dans le second chapitre de cette étude, nous examinons la structure phylogéographique des lignées d’ADNcp du modèle Santiria trimera en relation avec les hypothèses biogéographiques basées sur les centres d’endémisme et la diversité des espèces. Le troisième chapitre combine l’analyse de la morphométrie sur deux morphotypes sympatriques dans le Bas-Guinéen et la phylogénie de séquences d’ADN chloroplastique et nucléaire issus de l’ensemble des morphotypes du modèle S. trimera pour traiter de la question de délimitation d’espèces dans les complexes d’espèces. Le quatrième et dernier chapitre des résultats est consacré à l’étude de la structure génétique entre trois morphotypes et de la structure génétique spatiale au sein de chaque réservoir de gènes. Une conclusion générale fera la synthèse des résultats obtenus
dans cette étude et ouvrira des perspectives en vue d’approfondir nos connaissances sur l’histoire de la végétation et la diversité génétique des arbres des forêts d’Afrique.
I- INTRODUCTION
1.1- Biogéographie et histoire des forêts humides d’Afrique
A l’échelle du globe, les forêts tropicales africaines appartiennent au centre régional d’endémisme Guinéo-Congolais. En Afrique sub-saharienne, on compte cinq centres régionaux d’endémisme avec une distribution plus ou moins continue. Ce sont les régions du Cap, Koroo-Namib, Zambézienne, Guinéo-Congolaise et Somalio-Massaï (WHITE 1979, 1983). Le centre régional d’endémisme Guinéo-Congolais est le second plus grand bloc de forêts tropicales de la planète après celui du bassin Amazonien. Il est réparti en trois sous- centres : Haut-Guinéen, Bas-Guinéen et Congolais (Figure 1). Ces sous-centres ont été définis sur la base de l’endémisme des espèces. Le Haut-Guinéen est le bloc forestier de l’Afrique de l’Ouest. Le Bas-Guinéen couvre le Cameroun, la république du Congo, la Guinée Equatoriale, le Gabon et le Nigéria. Le sous-centre Congolais couvre l’ensemble du bassin Congolais. Ces trois sous-centres sont séparés par des végétations de rupture comme la trouée de savane du Dahomey entre le Haut-Guinéen et le Bas-Guinéen et la rivière Sangha entre le Bas-Guinéen et le Congolais. La trouée du Dahomey est une barrière naturelle à la dispersion des espèces de forêt entre Haut-Guinéen et Bas-Guinéen. Entre le Bas-Guinéen et le Congolais, les conditions climatiques de la Sangha en saison sèche ne sont pas favorables au maintien de la forêt humide. La Sangha peut aussi agir comme une barrière à l’expansion de la végétation de forêt dense. Des trois sous-centres, le Bas-Guinéen est remarquablement riche en espèces (WHITE 1979). Au sein de chacun de ces sous-centres, des zones d’endémisme et d’importante richesse d’espèces que nous désignons comme des « hotspots de biodiversité » sont connues (ROBBRECHT 1996, TCHOUTO et al. 2009).
Figure 1 : Carte de la répartition potentielle des forêts humides du centre d’endémisme Guinéo-congolais définie selon WHITE (1979, 1983). Les lignes en gras délimitent le centre d’endémisme Guinéo-congolais. D’Ouest en Est, se situent les sous-centres du Haut-Guinéen, Bas-Guinéen et Congolais. La délimitation entre le Bas-Guinéen et le Conglais est le lit de la rivière Sangha. Le Haut-Guinéen et le Bas-Guinéen sont séparés par un domaine de savane appelée la trouée du Dahomey.
D’après les relevés des sédiments dans l’hémisphère Nord (O'BRIEN et al. 1995) et dans l’hémisphère Sud (LOWELL et al. 1995), la terre a connue plusieurs cycles climatiques alternant des phases de glaciation et des phases de réchauffement au cours du Pléistocène [1,8 Ma à 10 Ka avant notre ère (av.n.è.)]. Ces cycles climatiques majeurs ont eu des impacts bien
caractérisés sur les végétations des hautes latitudes et ont laissé des traces génétiques au sein des espèces (PETIT et al. 2003). En Afrique, il y a peu d’études sur l’histoire de la végétation.
Les rares études sur l’histoire des végétations Africaines ont porté sur l’étude des sédiments lacustres et marins qui, en général, permettent de dater des événements récents de l’Holocène (début de l’Holocène 10 Ka av.n.è). Ces études ont révélé des variations climatiques qui ont eu de sérieux impacts sur les forêts du centre régional d’endémisme Guinéo-Congolais (DUPONT 2000, M'VOUBOU 2005, LEZINE 2007). Ces analyses sont basées sur les proportions des fossiles de plantes de forêt et de savane dans les couches sédimentaires des sites étudiés.
Ces données peuvent être interprétées comme suit : les macro-fossiles (très peu mobiles) reflètent la végétation locale du passé alors qu’un assemblage de pollens fossiles caractériserait une région plus vaste (JACOBS 2004), du fait de leur capacité de dissémination sur une longue distance par le vent. Par déduction, l’abondance de pollen fossile d’herbacées dans des localités actuellement occupées par les forêts tropicales indique que le site étudié a été occupé par une végétation savanicole dans le passé. Il ressort de ces études que lors des phases arides et froides du climat, les forêts de plaine ont disparu laissant place à des végétations plus ouvertes (savane) alors que les forêts de montagne ont migré à des altitudes plus basses (de 1000 à 1700 m) par rapport à leur position altitudinale actuelle (LEZINE 2007).
Les résultats des études en date ont révélé une succession de végétations caractéristiques de forêts humides et des végétations caractéristiques de savanes sèches dans les mêmes sites (M'VOUBOU 2005, VINCENS et al. 1999). VINCENS et al. (1999) ont daté la dernière phase aride du climat correspondant à une végétation plus ouverte entre 1300 et 4000 ans av.n.è dans neufs forêts d’Afrique. Les périodes froides et arides du climat auraient entraîné d’importantes fragmentations de la forêt tropicale Africaine (LEZINE 2007). La réponse de la végétation aux variations climatiques n’est pas synchrone dans les sites étudiés. Par exemple la dernière phase d’expansion des forêts dans les environs du lac Sinnda au R.D. Congo a commencé entre 600 et 900 ans av.n.è. (VINCENS et al. 1999) alors qu’aux environs du lac Barombi Mbo au Cameroun, la dernière phase de ré-expansion forestière a commencé 2000 ans av.n.è. (MALEY et BRENAC 1998). On peut en outre remarquer sur la figure 2 que plus la pluviométrie (au temps présent) est élevée dans le site, plus tôt la forêt dense s’y est rétablie (au temps passé). La pluviométrie expliquerait en partie la réponse individuelle des sites à la phase d’expansion comme l’a souligné LEZINE (2007) dans son analyse.
Figure 2 : Evolution comparée des paléo-environnements des lacs de la république démocratique du Congo, Gabon et du Cameroun au cours des 5000 dernières années (M’VOUBOU, 2005).
1.2- Conséquences de la fragmentation des forêts humides
L’hypothèse de fragmentation du couvert forestier au Quaternaire (VINCENS et al. 1999, M'VOUBOU 2005, LEZINE 2007) a inspiré la définition de refuges forestiers (Figure 3 ; MALEY
1996 ; LEAL 2004). En théorie, la fragmentation du couvert forestier entraîne la réduction de la superficie des forêts et par conséquent, provoque la disparition de certains habitats et les populations qu’ils abritent. La réduction de la surface des forêts va entraîner la diminution de la taille des populations d’espèces et accentuer l’effet d’une dérive génétique (BITTKAU &
COMES 2005). La dérive génétique, lorsqu’elle est intense, se traduit par une perte de diversité génétique, une baisse de l’efficacité de la sélection, une baisse du potentiel évolutif et de la fitness moyenne des espèces (FRANKHAM 1995, SACCHERI et al. 1998, FRASER &
BERNATCHEZ 2001, REED & FRANKHAM 2003, HOGG et al. 2006). Ainsi, l’isolement créé entre différentes populations par la fragmentation du couvert forestier a dû laisser des signatures génétiques chez beaucoup d’espèces de forêts tropicales d’Afrique. En considérant que les facteurs responsables de la diversité génétique sont les mêmes qui agissent sur un plus long terme pour créer la diversité des espèces, l’examen de la diversité génétique intra-espèce pourrait élucider notre compréhension de l’histoire des forêts d’Afrique.
Figure 3 : Reconstitution des refuges forestiers hypothétiques des phases arides du Pléistocène (LEAL 2004).
1.3- Facteurs de diversification et de distribution des espèces
Pour expliquer la diversification des espèces dans les biotopes tropicaux, plusieurs hypothèses ont été proposées. En supposant que ces hypothèses sont aussi valables pour la diversité génétique au niveau intra-spécifique mais à une échelle de temps plus courte, nous désignerons par diversité à la fois l’intra-espèce comme l’inter-espèce. Nous résumons l’essentiel des hypothèses de diversification en quatre théories non exclusives :
i) La théorie d’équilibre entre taux d’extinction et taux de spéciation soutient que le biotope tropical est resté stable depuis des millions d’années et a accumulé un grand nombre d’espèces sur un long terme comparativement aux écosystèmes boréal et tempéré où de longues périodes de glaciation alternant avec des périodes de réchauffement (inter-glaciaires) climatiques sont admises (MORITZ et al. 2000). Ainsi la stabilité des écosystèmes tropicaux a dû favoriser un faible taux d’extinction. Il en résulte l’accumulation de paléo et néo- endémisme (Figure 4, PLANA 2004).
Figure 4 : Représentation schématique de l’évolution de la diversité spécifique ou génétique dans un biotope stable sur un long terme. Les temps T0, T1 et T2 sont classés du plus ancien au plus récent. L’accumulation des formes et couleurs au fil du temps représente l’accumulation de diversité.
En effet, dans un biotope où le taux d’extinction est inférieur au taux de spéciation sur un long terme, il devrait y avoir une augmentation du nombre d’espèces. Cette condition est d’ailleurs indispensable pour une accumulation des espèces dans un milieu donné. Mais cela n’exclut pas la possibilité d’autres facteurs tels que l’hétérogénéité des habitats ou la spéciation due à l’isolement par la distance à l’origine d’une évolution allopatrique d’espèces sœurs. Au
niveau intra-spécifique, les conséquences d’un biotope stable sur un long terme favoriserait un faible taux de fixation des allèles combiné à une accumulation des mutations d’où une accumulation de lignées anciennes et nouvelles. Une telle théorie implique une grande diversité intra-spécifique plus ou moins continue au sein des populations.
ii) L’hypothèse des refuges forestiers en Afrique s’appuie sur l’idée que pendant les périodes glaciaires du climat aux hautes latitudes, en Afrique, le climat était froid et aride et n’aurait pas favorisé le maintien des forêts de basse altitude. L’alternance de longues périodes arides (concomitantes aux phases de glaciation aux hautes latitudes) et périodes humides (concomitantes aux phases inter-glaciaires aux hautes latitudes) aurait provoqué la fluctuation des superficies des forêts tropicales africaines en réponse aux différentes phases climatiques (DUPONT et al. 2000). En effet, les données palynologiques de sédiments lacustres et marins ont révélé des phases de fragmentation des forêts humides de basse altitude accompagnées d’une expansion des savanes et d’une expansion des forêts de type montagnard à des altitudes plus basses. A l’inverse, pendant les phases chaudes et humides du climat, on a détecté des phases d’expansion des forêts de basse altitude au détriment des savanes (VINCENS et el.
1999, DUPONT et al. 2000, M'VOUBOU 2005). Les zones de persistance des forêts ont probablement servi de refuges aux espèces forestières pendant les phases de péjoration climatique du Quaternaire (Figure 5 ; MALEY 1996, LEAL 2004) pour recoloniser les savanes adjacentes aux forêts (expansion) pendant les phases humides (MALEY 1996, MALEY &
BRENAC 1998, TCHOUTO et al. 2009). Les refuges pourraient aussi contribuer à la diversification des espèces car l’isolement génétique des populations pendant un long terme est favorable à la spéciation allopatrique (ROBBRECHT 1996). Les refuges forestiers hypothétiques d’Afrique tropicale ont été définis sur base des patrons de diversité et d’endémisme des espèces par MALEY (1996). Au niveau intra-spécifique, la fragmentation peut causer (1) la réduction des tailles des populations et engendrer une dérive génétique, (2) une rupture de flux de gènes entre forêts isolées. Sur un long terme, la dérive génétique et la suppression des flux de gènes peuvent accentuer la différenciation génétique entre populations de différents refuges. Les changements démographiques engendrés par les fluctuations climatiques peuvent laisser des signatures dans la structure génétique des populations. L’étude de la structure génétique spatiale des espèces typiques de forêts matures peut informer sur leur histoire démographique (PENNINGTON et al. 2004). On s’attend à caractériser les zones refuges par l’endémisme des allèles et/ou une forte diversité génétique due à l’accumulation de lignées génétiques au fil du temps dans les refuges, quoique les zones
de forte diversité génétique puissent aussi résulter de la convergence des voies de recolonisation des lignées de différents refuges qui se sont rencontrées (PETIT et al. 2003). En supposant que les mêmes forces évolutives agissent aux niveaux intra-spécifique et interspécifique, on pourrait comparer les zones d’endémisme allélique ou de forte diversité génétique avec les zones refuges d’Afrique (caractérisées par une forte diversité spécifique et un fort taux d’espèces endémiques) cartographiées par MALEY (1996) et LEAL (2004).
Figure 5 : Représentation schématique de l’évolution de la diversité spécifique ou génétique en supposant des événements de fragmentation suivis de ré-expansion des populations. Les temps T0, T1 et T2 sont classés du plus ancien au plus récent. A l’origine (T0) la forêt constituait un seul bloc, puis il y a eu fragmentation du bloc forestier (T1). Les refuges évoluent indépendamment les uns des autres. Pendant les phases d’expansion (T2), les espèces et les lignées génétiques migrent et se rencontrent dans des zones de contact secondaires.
iii) La théorie des gradients environnementaux est une extension des théories de gradients écologiques. Les zones de transition entre la forêt et la savane (écotones) constituent un exemple type de gradient environnemental. L’écotone est caractérisé par un gradient d’humidité décroissant de la forêt vers la savane. Parallèlement au gradient d’humidité, la richesse spécifique dans les écotones décroît dans le sens de la forêt vers la savane. Dans les écotones coexistent une large gamme de niches écologiques, ce qui est un facteur déterminant pour les assemblages d’espèces à un niveau local (PARMENTIER et al. 2005). La divergence entre lignées et la spéciation résulteraient d’une adaptation à un fort gradient environnemental. Par conséquent, la suppression des flux de gènes n’est pas nécessaire pour qu’il y ait divergence morphologique et spéciation (MORITZ et al. 2000). C’est le cas
d’espèces sœurs adaptées à des environnements adjacents mais distincts. Ce modèle a été mis en évidence par SMITH et al. (2001) chez les oiseaux des genres Pyrenestes et Adropadus dans le Haut-Guinéen et le Bas-Guinéen et aussi chez les oiseaux du genre Carlia ; C. rubrigularis et C. rhomboïdalis. Mais ce modèle n’a pas encore été formellement démontré chez les végétaux (SCHLUTER et al. 2009). Peut-être que ce modèle est adapté aux espèces peu exigeantes qui ont la capacité de supporter un long spectre environnemental. Cette théorie se vérifierait suivant un gradient d’altitude ou d’humidité et peut se traduire par une diversité en espèces plus importante dans les forêts les plus humides que dans les écotones ou dans les mosaïques forêt-savane (Figure 6). Au niveau intra-spécifique, on s’attend à observer une divergence entre lignées génétiques issues de conditions écologiques différentes (basse et moyenne altitude par exemple). Une telle hypothèse ne peut être testée sur des locus non- codant, comme c’est le cas de la plupart des locus que nous exploitons dans cette étude (cf.
chapitre 1.5).
Figure 6 : Représentation schématique de l’évolution de la diversité spécifique ou génétique suivant un gradient écologique. Les temps T0, T1 et T2 sont classés du plus ancien au plus récent. Il y a d’abord colonisation (T0), puis adaptation à l’environnement (T1) accompagnée d’une accumulation de lignées dans les biotopes anciennement colonisés (T2).
iv) L’hypothèse des isolements majeurs par des barrières entre blocs forestiers est inspirée des systèmes fluviaux de l’Amazonie (MORITZ et al. 2000). Dans le paysage forestier, des barrières peuvent constituer des obstacles à la dispersion des espèces. Ces barrières
peuvent expliquer les limites de distribution de certaines espèces. Une barrière physique peut être le lit d’un fleuve, une chaîne de montagne ou une large bande de savane. Une barrière à la dispersion des espèces forestières peut aussi être abstraite. Si on s’imagine que la zone de convergence intertropicale (ZCIT) qui détermine les saisons climatiques entre le Nord et le Sud est une ligne, de part et d’autre de la ZCIT, les saisons climatiques sont inversées. Or les saisons climatiques déterminent la phénologie des espèces. Le décalage entre les périodes de floraison d’une espèce dans des localités même adjacentes pourrait suffire pour créer une barrière de reproduction entre des populations proches et même affecter la survie des graines qui passeraient la ligne de démarcation. Dans ces conditions, deux populations adjacentes peuvent être génétiquement isolées et donner lieu à une évolution divergente des lignées (Figure 7). Cette hypothèse peut être testée par une nette démarcation entre l’identité des lignées des zones Nord et les lignées des zones Sud de part et d’autre de la ZCIT qui oscillerait entre le 2 et 4°N en Afrique tropicale (LEZINE, 2007), et entre le Haut- et Bas- Guinéen à cause de la discontinuité créée par la trouée du Dahomey, entre l’île de São Tomé et le continent Africain à cause de l’isolement par l’océan Atlantique et de part et d’autre des chaînes de montagnes et des lits des rivières dans le Bas-Guinéen.
Figure 7 : Représentation schématique de l’évolution de la diversité génétique au sein de populations séparées par des barrières au flux de gènes. Les temps T0, T1 et T2 sont classés du plus ancien au plus récent. Les populations cloisonnées évoluent indépendamment malgré leur proximité.
Les quatre hypothèses sur la diversité biologique sont comparables aux trois modes de spéciation géographiques (allopatrique, parapatrique et sympatrique). Ainsi l’hypothèse des
biotopes tropicaux stables (i) est comparable à une spéciation sympatrique des espèces et une divergence entre lignées génétiques en sympatrie. La spéciation ou la divergence entre lignées génétiques se fait par l’accumulation de mutations divergentes, par la dérive génétique et par la sélection naturelle pour l’adaptation aux conditions environnementales locales. La spéciation en sympatrie n’est possible que si la sélection et l’auto-incompatibilité sont assez efficaces (GAVRILETS 2003). Les hypothèses de la divergence sous l’effet des refuges (ii) et l’effet barrière (iv) s’apparentent à une spéciation en allopatrique. La spéciation allopatrique est essentiellement due à l’accumulation de mutation de lignées incompatibles adaptées aux conditions écologiques des différents sites (REISEBERG & WILLIS 2007, SCHLUTER 2009).
L’hypothèse de la spéciation sous l’effet des barrières combine aussi la spéciation en sympatrie qui serait responsable de la diversité au sein de chaque communauté ou population isolée. L’hypothèse des gradients environnementaux est similaire à une spéciation parapatrique où des espèces ou des lignées divergentes se trouvent dans des milieux distincts mais adjacents (MALLET et al. 2009). Une évolution en parapatrie peut subvenir sans rupture de flux de migrants ou de gènes entre les communautés ou populations adjacentes.
1.4- Organisation spatiale des lignées génétiques
Le processus de spéciation peut être considéré comme l’émergence de nouvelles espèces suite à l’action des forces évolutives (dérive, mutation, sélection diversifiante) sur un long terme à partir d’un taxon ancien. D’où les mécanismes à l’origine de la diversification des espèces sont de même nature que ceux qui gouvernent la diversité génétique intra-spécifique (DYER &
NASON 2004). Ces mécanismes opèrent à une échelle de temps plus longue pour aboutir à une spéciation que pour engendrer la diversité intra-spécifique. Comme la spéciation, l’organisation de la diversité génétique intra-spécifique, en particulier la distribution spatiale des lignées résulte de la combinaison de plusieurs forces évolutives telles que la mutation, la dérive génétique, la migration et la sélection naturelle (NEVO 1998, GAVRILETS 2003).
L’étude de la structure spatiale des lignées génétiques est l’objet de la phylogéographie (AVISE 2004). Elle permet d’inférer les barrières aux flux de gènes (barrières géographiques ou barrières génétiques liées à une spéciation) et de reconstruire l’histoire démographique des populations, notamment suite à des phases de fragmentation-recolonisation subies par les populations (PETIT et al. 2002).
1.5- Apport des marqueurs moléculaires
L’acide désoxyribonucléique (ADN) est le support de l’information génétique. En fonction de sa localisation dans les cellules eucaryotiques, on peut classer l’ADN en trois génomes : le génome nucléaire (ADNn), le génome mitochondrial (ADNmt) et le génomone chloroplastique (ADNcp chez les plantes chlorophylliennes). Chaque génome a son mode de transmission qui lui est propre selon le groupe d’organismes. Par exemple chez les conifères, l’ADNmt est hérité de la lignée maternelle alors que l’ADNcp est hérité de la lignée paternelle (CHIANG et al. 2006, DU et al. 2009).
L’ADNn est un brassage de deux jeux de chromosomes, l’un issu de la mère et l’autre issu du père. Ce brassage est à l’origine de la singularité de chaque individu par rapport à un autre de son espèce. Du fait que l’ADNn soit constitué de plusieurs chromosomes indépendants, le génome nucléaire fournit plusieurs locus indépendants. Le génome nucléaire fournit donc autant de réalisations indépendantes de généalogies qu’il y a de locus indépendants, permettant des inférences biogéographiques plus précises (FULTON &
STROBECK 2010). Les marqueurs microsatellites nucléaires (ou encore Simple Sequence Repeat ; SSR) sont très souvent utilisés pour étudier la structure génétique spatiale à une échelle géographique locale (MARQUARDT & EPPERSON 2004, BORN 2007). Les SSRs sont très polymorphes et permettent d’étudier les flux de gènes entre taxons proches, d’inférer le système de reproduction prépondérant au sein d’une espèce et même de mettre en évidence des formes hybrides entre espèces sœurs. Mais deux facteurs peuvent s’avérer limitant à l’usage des SSRs, à savoir le problème d’homoplasie (deux allèles identiques par état peuvent être issus d’ancêtres différents) dû au taux de mutation élevé chez les SSRs, et la nécessité de développer des amorces spécifiques à chaque espèce qui peut être un frein à une étude (DUMINIL & DI MICHELE 2009).
L’ADNcp et l’ADNmt sont de transmission uniparentale chez la plupart des groupes taxonomiques. Chez les plantes, l’ADNmt subit de fréquents réarrangements structuraux dont l’historique est difficile à reconstituer (KUBO & MIKAMI 2007). Pour cette raison, son exploitation est très limitée pour les analyses moléculaires en systématique et pour la phylogéographie des plantes. L’ADNcp est une molécule circulaire (Figure 8) et à la lumière des connaissances actuelles, non recombinante. Il est abondant dans les cellules, ce qui facilite l’optimisation de la réaction d’amplification des gènes chloroplastiques. La taille du génome
chloroplastique est constante au niveau intra-spécifique (120-217 kb) chez les plantes terrestres photosynthétiques. A quelques exceptions près, le taux d’évolution de l’ADNcp est faible entre taxons proches (HARTL 1987, CLEGG et al. 1994). De plus, plusieurs amorces non spécifiques ont été définies et permettent de comparer plusieurs espèces sur les mêmes locus (KRESS et al. 2005, SHAW et al. 2005). Chez la plupart des Angiospermes, l’ADNcp est haploïde, transmis par la mère (fleur femelle) et donc dispersé par la graine (PILLAY &
ARMSTRONG 2001, PHARMAWATI et al. 2004). Il est soumis à la dérive génétique à un degré plus élevé que l’ADNn causant ainsi une structuration plus rapide entre populations isolées.
Ces propriétés font de l’ADNcp le marqueur de prédilection pour la phylogéographie surtout pour les espèces à dispersion de graines limitée en raison de la faible mobilité de l’agent de dispersion (gravité, petits rongeurs…). Les gènes chloroplastiques sont considérés comme source d’information pour la phylogéographie infra-spécifique (AVISE, 2004). Par comparaison avec des données palynologiques, ils révèlent des refuges du Pléistocène et aussi les voies de recolonisation postglaciaires (PETIT et al. 2003). Une étude comparative de l’ADNcp de 22 espèces d’arbres et arbustes de 25 forêts européennes a confirmé l’existence de refuges forestiers du Quaternaire (PETIT et al. 2003). Par conséquent, l’ADNcp peut être un outil précieux pour explorer la structure spatiale de la diversité génétique dans une métapopulation telle que les massifs forestiers d’Afrique tropicale. En dépit des ces propriétés avantageuses pour la phylogéographie, il peut y avoir des obstacles à l’exploitation des séquences d’ADNcp. En effet, des études basées sur du polymorphisme de longueur ou des microsatellites de l’ADNcp ont révélé des réseaux avec des haplotypes homoplasiques (PALME et al. 2003 a, PALME et al. 2003b, HEUERTZ et al. 2004, 2006). En outre, STEGEMANN
et al. (2003) ont montré qu’il y a translocation de fragment d’ADN du chloroplaste vers le noyau (copie nucléaire d’ADN du plaste (ADNnupt)) chez le tabac (Nicotiana tabacum). La présence de plusieurs copies d’ADN du plaste dans le génome nucléaire peut conduire à la co- amplification de l’ADNcp et de l’ADNnupt et donc à du polymorphisme intra-individu si une mutation apparaît sur l’une des copies. Une telle éventualité compliquerait l’éditage des séquences chloroplastiques avec parfois des doubles pics sur le chromatogramme de séquence. En outre, les locus chloroplastiques sont liés et non recombinant. Par conséquent, l’ensemble des locus chloroplastiques est réduit à un seul locus et sa généalogie ne représente qu’une seule réalisation possible des généalogies de tous les gènes de l’espèce qui reflètent son histoire démographique.
Figure 8 : Représentation schématique de l’ADN chloroplastique de Coffea arabica tirée de SAMSON et al. 2007. trnC-ycf6, trnL-trnF, rbcL, et rpl36-rps8 sont les régions qui ont été séquencées pour cette étude.
1.6- Conservation et génétique des populations
Un bon plan de conservation de la biodiversité devrait être soutenu par une connaissance approfondie de la capacité de dispersion (ancienne et contemporaine) et d’éventuels processus adaptatifs et neutres à travers une structuration spatio-temporelle de l’espèce ou des espèces (WATTS et al. 2005). Face à la menace sur la biodiversité, les mesures de conservation s’inspirent de plus en plus des principes scientifiques pluridisciplinaires pour élaborer des plans de gestion durable de la biodiversité. Les menaces peuvent être d’ordre déterministe ou stochastique. Les facteurs déterministes sont essentiellement d’ordre humain à savoir la destruction des habitats, la pollution, la surexploitation et l’introduction d’espèces. Les facteurs déterministes entrainent un engrenage des problèmes impliquant des processus
stochastiques liés à la fragmentation, la réduction, ou la perte de populations, entraînant la perte de diversité génétique, la réduction du potentiel adaptatif, du potentiel reproductif et de la survie des espèces (EPPS et al. 2006). L’apport de la génétique des populations dans la conservation est de pouvoir définir de manière objective des unités de gestion et des unités évolutives significatives pour une meilleure survie des populations (MORITZ 1994) et de proposer des plans d’aménagement à court et long terme (SONG et al. 2005, WATTS et al.
2005). Pour ce faire, la génétique des populations fournit des estimateurs de paramètres génétiques qui peuvent donner des informations sur la taille efficace des populations, les flux de gènes ou les groupes d’individus génétiquement différenciés (ZINK 2000, DINIZ-FILHO &
DE CAMPOS-TELLES 2002). Pour une meilleure conservation, il est aussi nécessaire que l’espèce qui est l’une des notions de base de l’évaluation de la biodiversité soit sans équivoque pour tous les acteurs de la conservation de la biodiversité.
1.7- Notion et délimitation d’espèce
D’après Le Petit Robert, le terme espèce provient du latin « species » qui signifie aspect ou apparence. L’espèce peut donc se définir comme un ensemble d’individus qui ont des traits morphologiques similaires qui permettent de les différencier des individus d’une autre espèce.
Si cette définition paraît simple à comprendre, dans la pratique, la notion d’espèce a une définition plurielle qui varie d’un concept à l’autre selon les domaines (LEE 2003). Dès lors la notion d’espèce apparaît plus comme une commodité de travail qu’une réalité de la subdivision du monde vivant. Des douzaines de concepts d’espèce sont définis dans la littérature scientifique (REYDON 2004). Dans cette thèse, nous emploierons le terme espèce sous trois concepts différents à savoir l’espèce morphologique, l’espèce biologique et l’espèce phylogénétique.
1.7.1- Espèce morphologique
Cette définition est la plus intuitive de tous les concepts d’espèces. Elle réunit sous une espèce, tous les individus possédant des caractères morphologiques semblables (BRAY 2009).
Par ailleurs, cette définition est la plus proche de la définition de l’espèce donnée par Darwin (1859) : « Dans un but de commodité, on a appliqué arbitrairement le terme espèces à certains individus qui se ressemblent de très près, ce terme ne diffère pas essentiellement du terme variété, donné à des formes moins distinctes et plus variables ». Darwin reconnaît le caractère
arbitrire dans la délimitation du vivant par sa définition de l’espèce. Aujourd’hui encore, le concept morphologique reste la base de la délimitation des espèces par les taxonomistes.
Cependant, cette définition a quelques limites pour classer certaines formes juvéniles avec les adultes qui peuvent parfois présenter une dissemblance considérable, il en est de même pour les organismes dont les mâles et les femelles ne se ressemblent pas (dimorphisme sexuel). Si deux individus qui se ressemblent peuvent être classés sous la même espèce, classer deux individus qui ne se ressemblent pas sous deux espèces différentes n’est pas sans risque de se tromper. Il faut donc faire référence au critère de reproduction qui me semble essentiel si la classification du vivant doit aider à la préservation de la vie.
1.7.2- Espèce biologique
Ce concept est mené par Mayr (1942) qui définit l’espèce comme des groupes de populations naturelles qui sont génétiquement isolées d’autres groupes similaires et dont les individus sont effectivement ou potentiellement capables de se reproduire entre eux pour engender une descendance viable et féconde dans les conditions naturelles. Dans son commentaire de la définition de l’espèce biologique BRAY (2009) fait remarquer que cette définition de l’espèce ne s’applique pas aux formes de vie à propagation par multiplication végétative. Sous le concept d’espèce biologique, les espèces ne sont plus seulement des classes d’organismes mais des populations isolées les unes des autres par des barrières de reproduction (REYDON
2004). Au niveau génétique, l’espèce se caractérise donc par un réservoir commun de gènes (BRAY 2009).
1.7.3- Espèce phylogénétique
L’espèce phylogénégtique est définie par CRACRAFT (1989) comme un ensemble non réductible d’individus ayant en commun une diagnose qui les différencie des autres et comprenant les ancêtres, les individus actuels et leurs descendances. L’espèce est donc le plus petit groupe monophylétique ayant un ancêtre commun. Cette définition combine à la fois, les caractères morphologiques à travers le terme « diagnose », l’information génétique et l’histoire et la généalogie. Cette définition est plus appropriée pour la phylogéographie où la compréhension du processus de l’évolution des lignées est le but recherché plutôt que la classification du vivant (MALLET 2005).
Compte tenu de la place centrale que tient l’espèce dans toute étude des processus évolutifs du vivant, il s’impose de trouver des critères plus " universels " pour une meilleure définition de la notion d’espèce afin que l’espèce serve plus à une réalité biologique qu’à une
base de travail. DAYRAT (2005) propose une intégration de méthodes comme la phylogéographie, la morphologie comparative et la génétique des populations pour la délimitation des espèces dans les complexes d’espèces d’autant que les données moléculaires sont de plus en plus disponibles dans les bases de données. Un autre avantage des données moléculaires est qu’elles permettent de tester l’interfécondité entre individus à travers les flux de gènes sans attendre des tests d’hybridation expérimentale qui sont parfois longs et fastidieux. Dans la pratique, la génétique peut être présentée comme un recours en cas de doute à identifier des structures morphologiques observables bien tranchées comme c’est le cas dans des complexes d’arbres tropicaux.
