Alexis Reding Master PEP 2010 Organisation de la diversité spécifique et génétique au sein de deux ordres d'insectes aquatiques en Suisse occidentale Alexis Reding Master PEP 2010 Supervision par: Dr. N. Alvarez, Dr. M. Bouzelboudjen & Dr. J.-P. G. Reding

Ephéméroptères Introduction Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Introduction Baetis rhodani Ephéméroptères Probablement un des plus anciens ordres d’insectes aquatiques encore vivant Apparition au Carbonifère supérieur (~300mya) ~ 3000 sp. (42 familles), dont ~ 350 en Europe Distribution mondiale Milieux aquatiques diversifiés (eaux courantes et stagnantes) Imités pour la pêche à la mouche Larve exclusivement aquatique (seul 5 des 11 ordres d’insectes présents dans les milieux aquatiques ne comportent que des larves vivant dans l’eau) Tachet H. & Richoux P. & Bournaud M. & Usseglio-Polatera P. 2002. Invertébrés d’eau douce: systématique, biologie, écologie, Paris, CNRS Editions. 587 pp. Barber-James HM, Gattolliat J-L, Sartori M, Hubbard MD. 2008. Global diversity of mayflies (Ephemeroptera, Insecta) in freshwater. Hydrobiologia 595:339-350 Brittain J.E. & Sartori M. 2003. Ephemeroptera (Mayflies). Pages 373-380 in Resh VH; Cardé RT. (eds). Encylopedia of Insects. Academic Press, Amsterdam.

Plécoptères Introduction Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Introduction Dinocras cephalotes Nemoura dubitans Plécoptères Apparition contemporaine aux Ephéméroptères (~300 mya) ~ 3500 sp. (16 familles), dont ~430 en Europe Distribution mondiale Spécialistes des eaux froides et courantes En général très sensibles à la pollution (classe la plus poluo-sensible de l’IBGN composée exclusivement de Plécoptères) Larve exclusivement aquatique (seul 5 des 11 ordres d’insectes présents dans les milieux aquatiques ne comportent que des larves vivant dans l’eau) Fochetti R, Tierno de Figueroa JM. 2008. Global diversity of stoneflies (Plecoptera, Insecta) in freshwater. Hydrobiologia 595:365–377 Photo: Photo: A. Ruffoni Tachet H. & Richoux P. & Bournaud M. & Usseglio-Polatera P. 2002. Invertébrés d’eau douce: systématique, biologie, écologie, Paris, CNRS Editions. 587 pp. DIREN Haute-Normandie – Service Eau et Nature – Laboratoire d’hydrobiologie : Généralités sur l’Indice Biologique Global Normalisé (I.B.G.N.) (http://www.haute-normandie.developpement-durable.gouv.fr/suivi-de-la-qualite-biologique-des-r224.html)

Spéciation: Spéciation ? Origine? Fondement? Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Introduction Mon projet Phylogénie basée sur des données moléculaires Volet biogéographique Relation entre la faune E+P des massifs du Jura et des Alpes 2) Volet écologique Focus sur deux cas de figure: 1) Couple de taxons, un endémique du Jura à distribution restreinte et son cousin alpin morphologiquement très proche et largement répandu 2) Taxon présent dans les deux massifs mais plus largement répandu dans les Alpes, spécimens jurassiens non dissociables des alpins sur la base de critères morphologiques Spéciation plus ou moins vérifiée dans le cas des endémiques, mais pas pour l’autre cas de figure Pour l’instant, seules des descriptions morphologiques en quantité limité attestent cette thèse Spéciation: Origine? Fondement? Spéciation ?

Résumé Cas d’étude Volet biogéographique – questionnement Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – questionnement Résumé Proximité voir identité morphologique entre spécimens alpins et jurassiens Similitude des profils de distribution entre les taxons des deux groupes (endémique/cousin et taxon unique): spécimens fréquents dans les Alpes mais limités dans le Jura Cas d’étude 1) Taxons endémiques du Jura 1) Taxons proches des Alpes Baetis nubecularis (Ephemeroptera) Baetis alpinus (Ephemeroptera) Perlodes jurassicus (Plecoptera) Perlodes intricatus (Plecoptera) 2) Taxons Présents DANS LES DEUX MASSIFS Chloroperla susemicheli (Plecoptera) Leuctra braueri (Plecoptera) Question: quel phénomène à quelle époque est responsable de la distribution actuelle? Couple Alpes-Jura: Processus biogéographiques plus anciens que le dernier maximum glaciaire (23’000 ans)? SP cryptique: Processus biogéographiques récents? (depuis le dernier maximum glaciaire?) Connaître la diversité phylogénétique d’une communauté permet de comprendre les processus qui l’ont formée: espèces proches dans la phylogénie (agrégation: adaptations dans une ou quelques lignées, envahissement d’une nouvelle niche puis diversification)? Espèces distantes dans la phylogénie (surdispersion: la compétition est très forte, et il faut être vraiment différents pour cohabiter)?

Impact : si mes hypothèses se vérifient… Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – questionnement Hypothèses 1) La diversification des endémiques est le résultat d’un isolement par les glaciations des deux massifs au cours des dernières 3 millions d’années (pléistocène) et se reflète au niveau génétique 2) Les taxons du second groupe, également isolés par les glaciations, présentent une distinction du point de vue génétique similaire à celle des endémiques Impact : si mes hypothèses se vérifient… Confirmation moléculaire du statut d’endémique pour B. nubecularis et P. jurassicus Endémisme aussi applicable aux spécimens des taxons du second groupe -> reconsidération de la richesse spécifique du massif jurassien et influence sur les décisions à prendre dans les efforts de préservation de la faune Massif du Jura = zone refuge durant les glaciations Similitude des profiles de distribution des deux groupes suggèrent qu’il pourrait y avoir des espèces cryptiques dans le Jura, avec des conséquences du point de vue de la conservation: dans le cas d’sp cryptique on a une aire de répartition propre à une espèce endémique alors si que les spécimens alpins sont pareils que les jurassiens on est simplement à la limite de l’aire de répartition d’une espèce alpine.

Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding L’exemple de Perlodes jurassicus (Aubert, 1946) et P. intricatus (Pictet, 1842) Ecologie P. jurassicus Histoire mouvementée Confusion avec P. intricatus (très proche morphologiquement) Clarification par Knispel et al. (2002) Histoire mouvementée: Ris 1923 (première mention dans le Jura) -Aubert 1946 (première description, subjective) Confusion avec P. intricatus -Berthélemy 1964 (ootaxonomie, erreur dans les dessins) -Berthélemy 1975 (dessin juste de P. jurassicus, mais un autre de P. intricatus malattribué) Clarification: -Knispel 2002: ootaxonomie juste -> sp. endémique. Photo: J.-P. G. Reding Aubert J (1946) Les Plécoptères de la Suisse romande. Bulletin de la Société entomologique suisse 20: 7–128 Berthélemy C, Laur C (1975) Plécoptères et Coléoptères aquatiques du Lot (Massif Central Français). Annales de Limnologie 11(1) : 263-285 Berthélemy C (1964) Intérêt taxonomique des oeufs chez les Perlodes européens (Plécoptères). Bulletin de la Société d'histoire naturelle de Toulouse 99(3-4): 529-537 Knispel S, Rosciszewska E, Vinçon G, Lubini V (2002) The status of Perlodes jurassicus AUBERT, 1946 (Insecta: Plecoptera: Perlodidae). Bulletin de la Société Entomologique Suisse 75: 183-189

B. nubecularis Ecologie Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding L’exemple de Baetis nubecularis Eaton, 1898 et Baetis alpinus (Pictet, 1843) B. nubecularis Ecologie 1ère mention par EATON en 1898 Apparentement à B. alpinus soupçonné par MÜLLER-LIEBENAU dès 1969 Redescription par SARTORI en 1985 Atlas de distribution des Ephéméroptères par SARTORI & LANDOLT (CSCF 1999), travaux de REDING J.-P. G. et STUCKI P. synthétisés par WAGNER en 2005 pour B. nubecularis Confirmation du statut de seul Ephéméroptère endémique jurassien Centre Suisse de Cartographie de la Faune (CSCF) – Chronique de la faune – Espèces rares (faune indigène) septembre 2011. http://www.cscf.ch/cscf/page-20447_fr.html Wagner A. (2005) Inventaire des Ephémères de France: quelques citations d’espèces rares ou nouvelles pour le Massif du Jura [Ephemeroptera]. Ephemera 6 (2): 65-71 Müller-Liebenau I. (1969) Revision der europaïschen Arten der Gattung Baetis LEACH, 1815 (Insecta, Ephemeroptera). Gewäss. Abwäss. 48-49: 1-214 Eaton A.E. (1898) Ephemeridae taken by McLachlan in the district of the Lake de Joux in 1898. Entomologist’s Monthly Magazine 34: 265-266 Sartori M. (1985) New records and redescription of Baetis nubecularis Eaton, 1898 from the Swiss Jura (Ephemeroptera, Baetidae). Aquatic Insects 7 (4): 209-214

Ecologie C. susemicheli Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding L’exemple de Chloroperla susemicheli Zwick, 1967 Ecologie C. susemicheli

Autre question Hypothèses Volet biogéographique – questionnement Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – questionnement Autre question Vecteur de dispersion? Hypothèses Les larves sont les principaux acteurs de la dispersion  les grands bassins versants (Rhin, Rhône) sont les déterminants de la structuration génétique des espèces Les adultes sont les principaux acteurs de la dispersion  la proximité géographique régit la structuration (isolation génétique par la distance; les grands massifs sont structurants) Question dispersion: hypothèse: Différence dans la séquence de COI à l’intérieur du massif  bassin versant structure la génétique car larve dispersent via cours d’eau / aucune différence dans la séquence à l’intérieur du massif  massif structure car dispersion par les adultes ailés. A priori on ne sait rien sur la structuration génétique du couple d’espèces, on peut trouver de la variation au sein même du massif, c’est pourquoi je recherche les séquences en provenance de plusieurs stations représentant les différents facteurs de ségrégation génétique retenus (massif vs bassin versant).

Rappel: questions et impact Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – questionnement Rappel: questions et impact Les populations jurassiennes de mes taxons d’intérêt peuvent-elles être considérées comme endémiques du point de vue génétique? Les biotopes jurassiens les hébergeant doivent-ils être considérés simplement comme l’extrême limite d’une aire de répartition alpine, ou alors au contraire comme des centres précieux du point de vue évolutif ? La structuration génétique à l’intérieur de mes groupes reflète-t-elle une ségrégation des populations par les bassins versants? Séquençage de deux gènes mitochondriaux (16S et COI) Reconstruction des relations phylogénétiques avec des analyses en parcimonie et en inférence bayésienne avec utilisation d’une horloge moléculaire mitochondriale pour inférer les temps de divergence

Collecte (février-décembre 2010) Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Collecte (février-décembre 2010) Parapluie japonais : battage de la végétation et récupération dans le parapluie (adultes) Recherche active sur les rochers, parois ou autres surfaces (adultes) Piège lumineux (adultes) Épuisette à maillage fin et raclage des fonds meubles et de la végétation aquatique des cours d’eau (larves) Recherche active sous les cailloux tapissant les cours d’eau (larves) Capture grâce à une pincette entomologique Conservation dans de l’éthanol à 96% Photo: J.-P. G. Reding

Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Une cinquantaine de cours d’eau visités dans le Jura plus une dizaine dans les Alpes et Préalpes entre février et décembre 2010

Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Photo: J.-P. G. Reding

Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Photo: J.-P. G. Reding

Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Photo: J.-P. G. Reding

Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Photo: J.-P. G. Reding

Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Photo: J.-P. G. Reding

Laboratoire (mars-juillet 2011) Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de séquençage Laboratoire (mars-juillet 2011) Extraction de l’ADN avec le « Dneasy Blood & Tissue Kit » (QIAGEN, Germany) Amplification de régions mitochondriales informatives par PCR: 16S et COI Amorces: COI C1-J-1751 F 5'-GGATCACCTGATATAGCATTCCC-3' Simon et al, 1994 C1-N-2191 R 5'-CCAGGTAAAATTAAAATATAAACTTC-3' LCO1490 5'-GGTCAACAAATCATAAAGATATTGG-3' Folmer et al, 1994 HCO2198 5'-TAAACTTCAGGGTGACCAAAAAATCA-3' 16S LR-J-12864 5'-CTCCGGTTTGAACTCAGATCA-3' Arnedo et al, 2001 LR-N-13398 5'-CGCCTGTTTATCAAAAACAT-3' Séquençage au CIG à Lausanne

Analyses Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase d’analyse Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase d’analyse Analyses Nettoyage des séquences avec Chromas Lite Alignements selon MUSCLE avec BioEdit et MEGA Reconstruction phylogénétique en parcimonie avec TCS Reconstruction phylogénétique en inférence bayésienne avec BEAST Datation d’un chronogramme en utilisant les horloges moléculaires classiques de l’ADN mitochondrial chez les insectes Borer M, Alvarez N, Buerki S, Margraf N, Rahier M, Naisbit R E (2010) The phylogeography of an alpine leaf beetle: Divergence within Oreina elongata spans several ice ages, Molecular Phylogenetics and Evolution 57 703–709

Résultats Volet biogéographique – Résultats Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Résultats Résultats Perlodes jurassicus & Perlodes intricatus Baetis nubecularis & Baetis alpinus Chloroperla susemicheli Leuctra braueri

Autres taxons remarquables Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Conclusion Autres taxons remarquables Drusus mixtus (Trichoptera) et Dictyogenus jurassicus (Plecoptera) : endémique jurassiens Leuctra rauscheri et Protonemura brevistyla (Plecoptera): distribution similaire à C. susemicheli ou L. braueri

Mon projet Introduction 2) Volet écologique Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Introduction Mon projet 2) Volet écologique Evaluation de la diversité phylogénétique dans différentes communautés E+P Collection J.-P. G. REDING forte de plus de 15’000 spécimens, collectés essentiellement dans le Jura franco-suisse depuis 1989 Stations visitées régulièrement: Connaître la diversité phylogénétique d’une communauté permet de comprendre les processus qui l’ont formée: espèces proches dans la phylogénie (agrégation: adaptations dans une ou quelques lignées, envahissement d’une nouvelle niche puis diversification)? Espèces distantes dans la phylogénie (surdispersion: la compétition est très forte, et il faut être vraiment différents pour cohabiter)? Emerson BC & Gillespie RG (2008) Phylogenetic analysis of community assembly and structure over space and time. Trends in Ecology and Evolution Vol.23(11):619-630.

Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet écologique – questionnement Questions Comment se structurent les communautés d’un point de vue phylogénétique? Les espèces d’une même communauté sont réparties selon un modèle neutre dans la phylogénie Les espèces d’une même communauté sont agrégées dans la phylogénie Les espèces d’une même communauté sont sur-dispersées dans la phylogénie Agrégation = une ou quelques lignées s’adaptent à l’habitat, et s’y diversifient Sur-dispersion: certains facteurs (notamment la compétition) déterminent une structuration des communautés où pour coexister, les espèces doivent être suffisamment différentes d’un point de vue phylogénétique Modèle neutre: pas de contrainte des relations phylogénétiques dans l’assemblage de la communautés

Questions Volet écologique – questionnement Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet écologique – questionnement Questions Que reflète ces situations phylogénétiques sur le plan écologique? Clustering: adaptations clés rares et à la base de la diversification d’une lignée, le milieu contraignant est principalement responsable de cet assemblage Overdispersion: cet assemblage peut être le résultat d’une des deux forces écologiques majeures, selon que l’adaptation clé soit conservée ou convergente Webb CO, Ackerly DD, McPeek MA, Donoghue MJ (2002) Phylogenies and community ecology. Annual Review of Ecology and Systematics, 33, 475–505.

Hypothèses Impact Volet écologique – questionnement Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet écologique – questionnement Hypothèses Un milieux contraignant pour mes insectes aquatiques, comme une tourbière, est associé à un clustering ; la diversité phylogénétique y est moindre que dans un cours d’eau Impact Diversité génétique ~ diversité métabolique ~ potentiel évolutif Cas critique: communauté pauvre en espèces mais recelant une grande diversité phylogénétique (dommages accrus en cas d’extinction)

Cas d’étude Volet écologique – questionnement Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet écologique – questionnement Cas d’étude Mesure et comparaison de la diversité phylogénétique dans différents types de milieux aquatiques hébergeant des communautés E+P Données disponibles et nécessité de connaître la diversité spécifique exhaustive des milieux conduisent à cette sélection: Tourbières Résurgences Sources Ruisseaux Rivières Cachot Areuse Conte Dénériaz Noiraigue Vraconnaz Ruisseau du Val Saut de l’Eau Buttes Vurpillières Soubey Consolation Combes Dernier Champ du Moulin Faith DP (1992) Conservation Evaluation and Phylogenetic Diversity. Biological Conservation, 61: 1-10.

Tourbière du Cachot dans la vallée de la Brévine (NE)

Laboratoire (mars-juillet 2011) Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet écologique – Matériel & Méthodes: phase de séquençage Laboratoire (mars-juillet 2011) Extraction de l’ADN avec le « Dneasy Blood & Tissue Kit » (QIAGEN, Germany) Amplification de régions nucléaire et mitochondriales informatives: 16S, COI et 28S Amorces: COI LCO1490 F 5'-GGTCAACAAATCATAAAGATATTGG-3' Folmer et al, 1994 HCO2198 R 5'-TAAACTTCAGGGTGACCAAAAAATCA-3' 16S LR-J-12864 5'-CTCCGGTTTGAACTCAGATCA-3' Arnedo et al, 2001 LR-N-13398 5'-CGCCTGTTTATCAAAAACAT-3' 28S 28S D2 for 5'-AGA GAG AGT TCA AGA GTA CGT G-3' Belshaw & Quicke, 1997 28S D2 rev 5'-TTG GTC CGT GTT TCA AGA CGG G-3' Séquençage au CIG à Lausanne

Analyses Volet écologique – Matériel & Méthodes: phase d’analyse Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet écologique – Matériel & Méthodes: phase d’analyse Analyses Nettoyage des séquences avec Chromas Lite Alignements selon MUSCLE avec BioEdit et MEGA Reconstruction phylogénétique en inférence bayésienne avec MrBayes Matrices de présence / absence des espèces dans mes stations (requêtes sous ACCESS sur les données de la collection REDING) Calcul de la diversité phylogénétique, des indices d’agrégation / dispersion par milieux et tests statistiques avec R (package « picante »), ordres séparés

Résultats Volet écologique – Résultats Phylogénies (arbre) Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet écologique – Résultats Résultats Phylogénies (arbre)

Résultats Volet écologique – Résultats Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet écologique – Résultats Résultats Diversité phylogénétique avec le package « picante » sous R

Volet écologique – extensions Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet écologique – Conclusion Volet écologique – extensions Spécimens E+P sédentaires, cycle de vie bouclé sur une faible surface Nécessité d’affiner l’échelle d’étude des communautés le long des cours d’eau Création d’un modèle de ma zone d’étude selon la méthode de cartographie en zones homogènes ->segmentation des cours d’eau en fonction de facteurs: obstacle naturel (cascades) ou anthropique (barrages, corrections de lit) substrat réseau hydrologique (confluences) petit bassin versant Optimisation de l’échantillonnage en vue des hypothèses à tester Collecte dans les segments ainsi définis pour en connaître la diversité spécifique

Modèle de terrain – facteurs structurants Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet écologique – Conclusion Modèle de terrain – facteurs structurants Obstacles naturels (cascades) ou anthropiques (barrages, corrections de lit) Substrats Réseau hydrologique (confluences) Petits bassins versants (qualité de l’eau)

Pour la suite Conclusion Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Conclusion Pour la suite Perfectionnement d’une base de données pour organiser la partie laboratoire Systématique des Plécoptères à revisiter Inclusion des Trichoptères dans mes analyses Calcul de la diversité phylogénétique à plus grande échelle (grille de 5x5km sur l’ensemble de la Suisse (si disponibilité des données du CSCF)

Un grand merci à toutes les personnes qui m’ont aidé durant ce travail: