Sélection sexuelle et tactiques de reproduction chez les ongulés: exemple de la territorialité chez le chevreuil. Hej ! I will present you my problematic,

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1 Sélection sexuelle et tactiques de reproduction chez les ongulés: exemple de la territorialité chez le chevreuil. Hej ! I will present you my problematic, the data collected and the very first results of my analyses. My study deals with the mating tactics in roe deer, and uses an evolutionary approach to try to better understand the functional role of territoriality in this species and more widely in ungulates. As you know, this study is part of a collaboration between the french lab “Comportement et Ecologie de la Faune Sauvage” and the “Grimsö Wildlife Research Station” in Sweden. and my PhD is performed into the framework of a join agreement between the UPS and the SLU. Cécile VANPE (Laboratoire Comportement et Ecologie de la Faune Sauvage, INRA)

2 PLAN Un peu de théorie... La théorie de la sélection sexuelle.
Les tactiques de reproduction chez les mammifères. Les tactiques de reproduction chez le chevreuil. Quelques préalables: la territorialité chez le chevreuil. Objectifs de l’étude. L’approche moléculaire. Estimation du succès reproducteur des mâles. Bonus: Utilisation du logiciel CERVUS.

3 Un peu de théorie...

4 La théorie de la sélection sexuelle
Sélection agissant, au sein d’un sexe (mâles), sur les traits individuels dont les variations affectent le succès d’accouplement et de fertilisation. (Darwin 1859, 1871)

5 (Darwin 1871) SELECTION INTRASEXUELLE (confrontations entre mâles pour l’accès aux femelles) favorise les traits qui accroissent l’habilité des mâles à combattre et dominer. SELECTION INTERSEXUELLE (choix de partenaires sexuels par les femelles) favorise les structures ou comportements qui attirent les femelles et qui sont des indicateurs fiables de la qualité des mâles.

6 Les tactiques de reproduction chez les mammifères
But: maximisation de la contribution génétique aux générations futures. Femelles besoin d’1 seul mâle pour être fertilisées, prédisposition aux soins parentaux, succès reproducteur limité par l’accès aux ressources. Choix d’un male de la meilleur qualité possible. Distribution en fonction de la dispersion des ressources. Polygynie ! Futhermore, the aim of mating systems is to maximize the relative genetic contribution to subsequent generations. But in mammals, optimal mating strategies tend to be different for the two sexes: Females need only one male to fertilize them, are strongly predisposed to care for the young, their RS is limited most by access to resources. So females should try to choose the highest quality males as mates. distribute themselves according to resource dispersion. Males have the capacity to fertilize many females their RS is limited most by access to females. So males should attempt to mate with as many females as possible. distribute themselves in relation to female dispersion. Mâles capacité de fertiliser de nombreuses femelles, succès reproducteur limité par l’accès aux femelles. Accouplement avec autant de femelles que possible. Distribution en fonction de la dispersion des femelles. (Trivers 1972, Clutton-Brock 1989)

7 Polygynie avec défense des femelles.
(Elmen & Oring 1977) Polygynie avec défense des femelles. Les males suivent et défendent directement les femelles. ROAMING (femelles vivant en petits groupes) HAREM (femelles vivant en larges groupes) Yet males have 2 main options to maximise the number of their mating in mammals : Males can directly follow and defend one or a group of females: (female defence polygyny). 1) Where females live in small groups, males can rove and try to associate with individuals in œstrus : “ roaming strategy  ” (mountain sheep, elephant). 2) Where female groups are larger, the most dominant males may attempt to control and defend the female groups against other males attempting to have exclusivity of mating: “ harem ” (red deer, buffalo). This strategy should be favoured when the possibility of finding a receptive female is low (that is to say at low population densities or when food is unpredictable and females range over large areas). Males can defend against other males an area with resources where females can occupy small ranges: (resource defence polygyny). This is “ territoriality  ” (roe deer, pronghorn), a territory being caracterised by its exclusivity, its defence, or its site-specific dominance. This strategy should be favored when females are spatially predictable (that is to say when females occupy small ranges due to clumped and high-quality food resource). Males can aggregate into groups in an area containing no resources, and defend a tiny mating territory, attempting to attract females by display : (the special case of lekking). This strategy should be favored when neither females nor their home range are defensible. Territoriality is common among wild ungulates but exceptional among cervids. The roe deer is the only cervid of the holarctic region to exhibit such behaviour. This raises the question of the functional role and the evolution of territoriality in ungulates (deers) Combats directs entre mâles fréquents. sélection principalement intrasexuelle ? (Krebs & Davies 1978)

8 Polygynie avec défense des ressources.
(Elmen & Oring 1977) Polygynie avec défense des ressources. Les males défendent une zone avec des ressources qui intéressent les femelles et au sein de laquelle elles peuvent occuper de petits domaines. TERRITORIALITE Un territoire est une zone géographiquement fixe, pouvant être exclusive, défendue, avec une dominance spécifique au site. (Owen-Smith 1977) Choix des femelles dirigé vers qualité territoire plutôt que vers mâle. Combats directs entre mâles moins importants. sélection principalement intrasexuelle ? (Krebs & Davies 1978)

9 Lek (male dominance polygyny).
Les mâles se regroupent sur une petite aire où chacun défend un très petit territoire sans aucune ressource et tente d’attirer les femelles en paradant. (lorsque ni les femelles ni leur domaine vital n’est défendable) The central question of my study deals with the role of territoriality in male mating tactic in roe deer. It has been recently suggested that territories in roe deer may have evolved as a mating tactic, aiming at monopolizing females and assuring mating success in males. This is the defence of mating territory hypothesis. Indeed, only adult males are territorial, ... So, in this case, territories should be subject to sexual selection. But it is still subject to controversy because territoriality seems not to be an optimal mating tactic in roe deer... Choix des mâles par les femelles & Combats entre mâles. sélection surtout intersexuelle mais aussi intrasexuelle. (Krebs & Davies 1978)

10 Les tactiques de reproduction
chez le chevreuil

11 La territorialité chez le chevreuil
Mâles adultes: territoriaux (début printemps–après rut). territoires plus ou moins exclusifs. Femelles: non-territoriales, solitaires (avec faons). domaines vitaux chevauchant. My model, the roe deer, is one of the very few cervid species that is territorial and that can be quite easily studied. ...a territory being defined as a geographically fixed... In roe deer, ad males are territorial... Females are not territorial, ... The spatial system of the 2 sexes... And female home range can overlap several male territories. Le système spatial des 2 sexes est indépendent. Subadultes tolérés sur territoire des mâles (périphériques ou satellites).

12 Cycle de reproduction:
January February March April May June Jully August September October November December Implantation Gestation Fecondation Implantation delay Births Rut Territorial behaviour Antler casting Velvet cleaning Antler growth Non territorial Let’s have a look on the reproductive cycle of the roe deer: from march to the end of august: territorial period. the other part of the year: non territorial, can gather in small groups. Rut: mid jully - mid august ; The antler cycle follows the reproductive cycle of males. antler casting in autumn. antler growth during winter. velvet shedding in spring. fecondation: mid jully - mid august. delay of 5 months in the foetus implantation. gestation. fawn birth: may-june.

13 Hypothèse de “Défense d’un territoire d’accouplement”
(Putman 1988, Wahlström 1994, Liberg et al.1998). Les territoires permettraient aux mâles de monopoliser les femelles et d’assurer leur succès d’accouplement. QUESTIONS: variation et distribution du succès reproducteur au sein des mâle chez le chevreuil ? déterminants des variations du succès reproducteur des mâles? rôle de la territorialité dans les tactiques de reproduction du chevreuil?

14 2) Identifier les déterminants de la variation du succès repro.
Objectifs de l’étude 1) Fournir pour la 1re fois des données sur la variation du succès reproducteur des mâles chez le chevreuil. 2) Identifier les déterminants de la variation du succès repro. 3) Comparaison au sein des ongulés. 1) To provide data on the variation in male lifetime RS for the 1st time ever (based on genetic).

15 Evaluer le degré de polygynie chez le chevreuil.
Les males s’accouplent avec les femelles dont le domaine vital chevauche leur territoire: généralement  5 (Hewison et al. 1998). Lien direct entre le degré de dimorphisme de taille entre les sexes et le niveau de polygynie chez les ongulés (Loison et al. 1999). Un faible niveau de polygynie ? (Hewison et al. 1998, 2005 ; Hewison & Gaillard 1999). 1) To provide data on the variation in male lifetime RS for the 1st time ever (based on genetic).

16 Etudier les patrons controversés de la reproduction.
Possibilité de reproduction chez les subadultes ? Possibilité de reproduction chez les subadultes non territoriaux (satellites et périphériques) ? Possibilité de territorialité chez les subadultes ? Existence possible de paternités multiples ? Les femelles donnent généralement naissance à 2 faons (1-4 faons). Les femelles en oestrus pourraient s’accoupler avec plusieurs mâles territoriaux. Ex. cerf de Virginie en captivité (DeYoung et al. 2002), antilope américaine (Carling et al. 2003). Rôle fonctionnel des excursions des femelles durant l’oestrus. Second, males seem not to have the entire monopoly of mating within their territory. 30 à 50 % des femelles matures (Liberg et al. 1992, 1998, Linnell 1994, Andersen et al. 1995). Explications: évitement de la consanguinité, choix du partenaire, interférence ? Conséquence: Les mâles territoriaux pourraient ne pas avoir le monopole des accouplements au sein de leur territoire.

17 2) Identifier les déterminants de la variation du succès repro.
Objectifs de l’étude 1) Fournir pour la 1re fois des données sur la variation du succès reproducteur des mâles chez le chevreuil. 2) Identifier les déterminants de la variation du succès repro. 3) Comparaison au sein des ongulés. 1) To provide data on the variation in male lifetime RS for the 1st time ever (based on genetic).

18 Rôle de la territorialité dans le succès reproducteur?
Le choix des femelles devrait être dirigé non pas vers les mâles eux-mêmes, mais vers la quantité ou la qualité des ressources défendues par les mâles. Les mâles devraient chercher à maximiser leur nombre de partenaires potentiels: - soit en élargissant leur zone de dominance, - soit en occupant les zones préférées par les femelles. (Owen-Smith 1977) 2) To identify the local determinants of the variation in male RS: Qualité du territoire: Taille du territoire. Qualité et quantité de ressources alimentaires au sein du territoire.

19 Traits individuels des mâles sujets à la sélection sexuelle?
La sélection intra- (et inter-?) sexuelle devrait favoriser les traits des mâles leur permettant d’établir et de défendre ces territoires de grande taille et/ou de bonne qualité. La sélection sexuelle devrait favoriser plutôt les traits indicateurs de leur dominance, statut ou habilité à combattre: traits qui leur permettent de défendre leur territoire sans intervention de combats directs (Krebs & Davies 1978). Importance du choix de partenaire par les femelles ? Qualité individuelle: Age, Taille et symmétrie de taille des bois, Masse et condition corporelle, Niveau d’hétérozygotie. Autres (degré d’agressivité, vocalisation, degré de parasitisme).

20 Influence des conditions environmentales dans les variations du succès reproducteur?
Densité de population, Conditions climatiques, Pression de prédation du renard.

21 2) Identifier les déterminants de la variation du succès repro.
Objectifs de l’étude 1) Fournir pour la 1re fois des données sur la variation du succès reproducteur des mâles chez le chevreuil. 2) Identifier les déterminants de la variation du succès repro. 3) Comparaison au sein des ongulés. 1) To provide data on the variation in male lifetime RS for the 1st time ever (based on genetic).

22 Evaluer l’intensité de sélection sexuelle chez le chevreuil comparé aux autres espèces d’ongulé.
Sexual selection intensity in ungulates Monogamous Monomorphic Similar life-history traits between sexes Highly polygynous Highly sexual dimorphic Different life-history traits between sexes Variance (LRS males) / Variance (LRS females) Dik-dik ?? Chevreuil ???? Cerf, Daim 3) To compare ungulate species in the framework of an evolutionary approach based on party size, sexual size dimorphism, mating tactics: Previous ungulate studies (e.g. Jarman 1983) described a continuum of sexual selection intensity. (e.g. Jarman 1983) Chez les mammifères, le ratio de variance du LRS des mâles sur celui des femelles est positivement corrélé à l’intensité de la sélection sexuelle (Trivers 1972, Ralls 1976, Clutton-Brock 1983)

23 L’approche moléculaire

24 Estimation du succès reproducteur des mâles
Méthode conventionnelle directe. Basée sur des observations comportementales au cours du rut. Pb chez les brocards: habitat forestier, comportement discret. Nouvelle méthode indirecte: l’approche moléculaire. Basée sur le génotypage de marqueurs neutres codominants microsatellites (Séquences d’ADN hypervariables composées de motifs de 1 à 5 bases répétés n fois) et une analyse de paternité. Assignation de parenté et estimation du degré d’apparentement génétique avec un haut degré de confiance (Fleischer 1996, Marshall et al. 1998). Mise en évidence de différences entre les estimations comportementales et génétiques du succès reproducteur (Pemberton et al. 1992, Amos et al. 1993, Coltman et al. 1999). Mise en évidence de paternités multiples (DeYoung et al. 2002, Carling et al. 2003), de copulations extra-couples, de parasitisme de la reproduction, et de “sneaky strategies” (Gibbs et al. 1990).

25 Identification des mères des faons par observations directes après naissances.
Collecte d’échantillons de tissus (peau, poils) sur les faons, les mères et tous les pères potentiels durant les captures.

26 Génotypage des échantillons d’ADN grâce à un kit de 22 microsatellites spécifiques de l’espèce (Galan et al. 2003, unpub.). ECHANTILLON DE TISSSU AMPLIFICATION PAR PCR GENOTYPAGE SUR SEQUENCEUR EXTRACTION DE L’ADN GeneScan Réalisé au CBGP – INRA Montpellier Genotyper

27 Assignation de paternité en utilisant l’approche par maximum de vraissemblance du logiciel CERVUS (Marshall et al. 1998). Comparaison du génotype de chaque faon avec les génotypes de tous les pères potentiels échantillonnés, connaissant ou non l’identité et le génotype de la mère. Donne un degré de confiance statistique dans l’assignation de paternité. Tient compte du nombre de pères potentiels dans la population, du nombre de pères potentiels échantillonnés, du taux d’erreur de typage. Estimation du nombre de faons engendrés chaque année par chacun des mâles et éventuellement au cours de leur vie entière. succès reproducteur saisonnier et à vie.

28 Merci pour votre attention...
Laboratoire Comportement et Ecologie de la Faune Sauvage, INRA Toulouse, France. Mark HEWISON, Stéphane AULAGNIER Grimsö Wildlife Research Station, Dpt. of Conservation Biology, Swedish University of Agricultural Science, Sweden. Petter KJELLANDER, Henrik ANDRÉN, Olof LIBERG Centre d’étude sur la Biologie et la Gestion des Populations, INRA Montpellier, France. Jean-François COSSON, Maxime GALAN Laboratoire de biométrie, CNRS Lyon, France. Jean-Michel GAILLARD Office National de la Chasse et de la Faune Sauvage, CNERA Cervidés-Sangliers. Daniel DELORME, Guy VAN LAERE Dpt. of Population Biology, Uppsala University, Sweden. Jacob HÖGLUND

29 Logiciel CERVUS Présentation du logiciel:
Logiciel en libre accès sur le net (développé par T. Marshall): helios.bto.ed.ac.uk/evolgen Analyse de paternité automatisée: sur popu naturelles avec échantillonnages partiels des pères potentiels. à partir du génotype des individus (jeunes, pères potentiels, mères connues ou non). sur locus codominants (les 2 allèles s’expriment: accès aux fréquences alléliques). tient compte de la proportion de pères potentiels échantillonnés et du taux d’erreurs de typages. approche par maximum de vraissemblance.

30 Approches par exclusion:
Comparaison des génotypes des pères potentiels avec ceux des jeunes. Exclusion des pères potentiels de la paternité lorsque incompatibilités génotypiques. Quand peu de pères potentiels, 100% des pères potentiels échantillonnés, loci hautement polymorphes et taux d’erreurs de typage et taux de mutations nuls: il devrait rester qu’1 seul père potentiel non-exclus à la fin: vrai père. par maximum de vraissemblance: Utilisé quand il reste plusieurs pères potentiels non-exclus à la fin ou quand le taux d’erreurs de typages/mutations est important et donc le vrai père peut présenter des incompatibilités génotypiques avec le jeune. méthode pour distinguer statistiquement les pères potentiels non exclus. quel est le père potentiel qui a la + forte proba d’être le vrai père ?

31 Les 3 modules du logiciel:
Analyse des fréquences alléliques estimation fréquences alléliques de chaque locus dans la popu échantillonnée. calcul de divers paramètres statistiques utiles pour la suite. Fichiers d’entrée: Créer un fichier .txt avec génotypes de tous les inds. Créer un fichier .txt avec liste des pères potentiels. Créer un fichier .txt avec liste des faons et identité de leur mère. module Allele frequencies: Fichier de sortie:

32 Paramètres: k : nombre d’allèles du locus. N : nombre d’individus typés. Hets : nombre d’individus hétérozygotes pour ce locus. Homs : nombre d’individus homozygotes pour ce locus. H(0) : proportion d’individus hétérozygotes observés pour ce locus. H(E) : proportion d’individus hétérozygotes attendus pour ce locus si popu à l’équilibre de Hardy-Weinberg. qd H(E) < 0.5 : locus apporte peu d’info pour analyse de paternité. PIC : Contenu de l’information polymorphique (formule: Cf. Bostein et al. 1980). mesure l’info apportée par chaque locus pour l’analyse de paternité étant donné H(E) et supposant que la popu est à l’équilibre. + H(E) élevé, + PIC élevé, + locus intéressant. Equilibre de Hardy-Weinberg: si f(A)=a et f(B)=b alors f(AA)=a2, f(BB)=b2, f(AB)=2ab

33 Excl : probabilités moyennes d’exclusion.
proba d’exclusion d’un père potentiel pris au hasard pour un jeune donné. + H(E) élevé, + Excl élevé, + il est probable qu’un père potentiel non apparenté au jeune présente des incompatibilités génotypiques avec le jeune. Excl(1): ne connaissant pas l’identité et le génotype de la mère. Excl(2): connaissant l’identité et le génotype de la mère. HW : test de l’équilibre de Hardy-Weinberg. basé sur la différence entre H(0) et H(E). NS : popu à l’équilibre. ** : popu pas à l’équilibre. Null freq : fréquence des allèles nuls. qd Null freq > 0.05, il est préférable d’exclure ce locus de l’analyse. Popu pas à l’équilibre: Accouplement pas au hasard. plusieurs sous popu ? groupes familiaux ? Allèles nuls: Allèles non détectés lors du génotypage. dus à une mutation sur le site amorce. empêche l’amplification du fragment. sur-estimation des homozygotes. erreurs d’assignement ou incompatibilités mère-jeune.

34 Simulation d’une analyse de paternité
estimation de la puissance de résolution d’une analyse de paternité avec ce groupe de loci (étude de faisabilité). calcul des valeurs statistiques critiques permettant d’attribuer un d° de confiance dans l’assignement des paternités. module Simulation: Fichier d’entrée: Fichier de sortie des fréquences alléliques Taux d’erreur de typage Nb de pères potentiels au total (échantillonnés ou non) Proportion de pères potentiels échantillonnés

35 Paramètres: Maximum de vraissemblance: (likelihood) - vraissemblance que le père potentiel soit le vrai père. - proba d’obtenir le génotype du père potentiel sous l’hypothèse que c’est le vrai père, connaissant le génotype du jeune et éventuellement celui de la mère (proba d’apparentement). Ratio de maximum de vraissemblance: (likelihood ratio) vraissemblance que le père potentiel soit le vrai père vraissemblance que le père potentiel ne soit pas la vrai père + incompatibilités génotypes père potentiel – jeune sont nombreuses, + vraissemblance que le père potentiel soit le vrai père est faible, + ratio de max de vraissemblance est faible. LODscore: transformation logarithmique du ratio de max de vraissemblance. si LODscore > 0: père potentiel + probable d’être vrai père que père pris au hasard. si LODscore = 0: père potentiel aussi probable d’être vrai père que père pris au hasard. si LODscore < 0: père potentiel - probable d’être vrai père que père pris au hasard. + nb incompatibilités pères potentiels – jeune élevé, + LODscore faible. à moins que taux de erreur typage/mutation élevé, le vrai père aura tjrs un LODscore > 0. le père potentiel avec le LODscore le + élevé présente la + forte proba d’être le vrai père.

36 Démarche: les fréquences alléliques des locus de la population échantillonnée sont utilisées pour générer un couple de génotypes parentaux + une série de génotypes de pères potentiels non apparentés créés au hasard. le génotype du jeune engendré par le couple parental créé est ensuite généré par échantillonnage mendéléniens (ségrég. allèles indep.) des allèles du père et de la mère. comparaison du LODscore du vrai père avec celui de chacun des pères potentiels créés: Δscore = (LODscore le + élévé) – (LODscore le - élévé). comparaison de la distribution des Δscores (Δdistribution) dans cas où LODscore le + élévé correspond au vrai père et cas où LODscore le + élévé ne correspond pas au vrai père. détermination d’une valeur critique du Δscore (Δcriterion) au-dessus de laquelle la proba que père potentiel avec LODscore le + élévé soit vrai père est sup à 95% ou 80%. Fichier de sortie:

37 Analyse de paternité comparaison automatisée des génotypes des jeunes et des pères potentiels. pour chaque jeune, la paternité est assignée au père potentiel le + probable (LODscore le + élevé) en fonction d’un d° de confiance pré-déterminé. Fichiers d’entrée: Fichiers de sortie des fréquences alléliques et paramètres statistiques de la simulation

38 module Paternity analysis:

39 Démarche: pour chaque jeune testé, calcul des LODscores de chaque père potentiel. sélection des 2 pères potentiels avec LODscores les + élevés (pères les + probables). calcul du Δscore correspondant. estimation du d° de confiance dans l’assignement de paternité au père potentiel avec LODscore le + élevé en comparant Δscore avec Δcriterion à 95% et 80%. si Δcriterion 95% < Δscore, d° de confiance > 95% : "*". si Δcriterion 80% < Δscore < Δcriterion 95%, d° de confiance > 80% : "+". si Δscore < Δcriterion 80%, d° de confiance < 80% : " ". Fichiers de sortie:

40 Influence des paramètres de départ:
Influence de la connaissance de la mère. Influence de la proportion de pères potentiels échantillonnés. Influence du taux d’erreurs de typage.