Stratégies écologiques d’Arabidopsis thaliana au sein de son aire de répartition : variation, distribution et évolution - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2023

Ecological strategies of Arabidopsis thaliana within its geographical range : variation, distribution and evolution

Stratégies écologiques d’Arabidopsis thaliana au sein de son aire de répartition : variation, distribution et évolution

Abstract

The distribution range of a species corresponds to the geographical expression of its ecological niche, i.e. the set of biotic and abiotic conditions that allow the survival and reproduction of individuals. Thus, the genetic and phenotypic variability of a species is associated with the diversity of environments in which the species evolves. Among others, competition between plants, water stress or disturbances (i.e. partial or total destruction of biomass) represent major selection pressures for plants. However, adaptation within the range to these different environments is constrained by several evolutionary and ecological processes, particularly in relation to colonization history. In functional ecology, adaptation to different environments has been addressed by describing the diversity of functional traits based on interspecific comparisons. The study of trait relationships along environmental gradients has allowed the description of ecological strategies in plants at the interspecific scale, supposed to represent the adaptive response of populations to these environments. However, the adaptive nature of these ecological strategies remains to be determined and requires further study at the intraspecific scale to better understand the relationships between traits, performance and environments. Thus, studying the variability, distribution and evolution of the ecological strategies of a species within its distribution allows to question the local adaptation of the species in different environments, and to confront the expectations of functional ecology at the intraspecific scale. In this context, we used of the model species Arabidopsis thaliana, for which sequencing data allow a better understanding of the evolutionary mechanisms at the origin of phenotypic diversity. Its short life cycle and small size also make it an excellent model to study in controlled environments. Thanks to sequencing data, the demographic history of the species has recently been described and thus allows a better understanding of the geographical structure of phenotypic diversity and the evolution of the different ecological strategies that coexist within this species. Through a series of experiments, we have shown that the colonization of A. thaliana in northern Europe was concomitant with an adaptation to water stress, in trade-off with the reproductive capacity. Consequently, adaptation to water stress in northern Europe is one of the factors that determine the latitudinal limits of the range of this species. We also showed that the maintenance of the relict populations in the Iberian Peninsula was associated with a better tolerance to competition compared to the modern populations, which recolonized Europe from the Balkans 10,000 years ago. This tolerance to competition, associated with a higher seed mass, is in trade-off with the dispersal capacity, selected in return in these modern populations. Recent evolution of A. thaliana within its range is associated with adaptation to different land use, from forests to urban or agricultural environments. Populations in urban and agricultural environments show trait values associated with greater tolerance to disturbance, whereas populations in non-artificial environments show trait values associated with stress tolerance. Land use, in interaction with climate, is thus a major, yet still neglected, factor in the phenotypic and genotypic divergence of the species in Europe. Overall, this work allowed us to understand the evolution of the different ecological strategies during the colonization of the current distribution area of A. thaliana. These strategies are the result of major evolutionary trade-offs between stress survival, dispersal ability, competition tolerance and disturbance avoidance. An interdisciplinary approach, at the crossroads of functional ecology, biogeography and evolutionary biology, has led to a better understanding of the ecological and evolutionary determinants of a species' range
L’aire de répartition d’une espèce correspond à l’expression géographique de sa niche écologique, c’est-à-dire de l’ensemble des conditions biotiques et abiotiques qui permettent la survie et la reproduction des individus. Ainsi, la variabilité génétique et phénotypique d’une espèce sont associées à la diversité des environnements dans lesquels l’espèce évolue. Entre autres, la compétition entre plantes, le stress hydrique ou encore les perturbations (c’est-à-dire la destruction partielle ou totale de la biomasse) représentent des pressions de sélection majeures pour les végétaux. Cependant, l’adaptation au sein de l’aire de répartition à ces différents environnements est contrainte par plusieurs processus évolutifs et écologiques, notamment en lien avec l’histoire des colonisations. En écologie fonctionnelle, l’adaptation aux différents environnements a été abordée par la description de la diversité des traits fonctionnels à partir de comparaisons interspécifiques. L’étude des relations entre traits le long de gradients environnementaux ont permis de décrire des stratégies écologiques chez les végétaux à l’échelle interspécifique, censées représenter la réponse adaptative des populations à ces environnements. Cependant, la nature adaptative de ces stratégies écologiques reste à déterminer et nécessite une étude approfondie à l’échelle intraspécifique pour mieux comprendre les relations entre traits, performances et environnements. Ainsi, étudier la variabilité, la distribution et l’évolution des stratégies écologiques d’une espèce au sein de sa répartition permet de questionner d’une part l’adaptation locale de l’espèce dans différents environnements, et d’autre part, de confronter les attendus de l’écologie fonctionnelle à l’échelle intraspécifique. Dans ce cadre, l’utilisation de l’espèce modèle Arabidopsis thaliana, pour laquelle les données de séquençage permettent de mieux appréhender les mécanismes évolutifs à l’origine de la diversité phénotypique, prend tout son sens. Son court cycle de vie et sa petite taille en font aussi un modèle excellent pour l’étudier en environnements contrôlés. Grâce aux données de séquençage, l’histoire démographique de l’espèce a récemment été décrite et permet donc de mieux comprendre la structuration géographique de la diversité phénotypique et l’évolution des différentes stratégies écologiques qui coexistent au sein de cette espèce. Par une succession d’expérimentations, nous avons montré que la colonisation vers le nord de l’Europe d’A. thaliana a été concomitante d’une adaptation au stress hydrique, en compromis évolutif avec la capacité de reproduction. En conséquence, l’adaptation au stress hydrique du nord de l’Europe est l’un des facteurs déterminant les limites latitudinales de l’aire de répartition de cette espèce. Nous avons également montré que le maintien des populations dites relictes dans la péninsule ibérique était associé à une meilleure tolérance à la compétition en comparaison avec les populations dites modernes, ayant recolonisé l’Europe depuis les Balkans il y a 10 000 ans. Cette tolérance à la compétition, associée avec une masse de graine plus élevée, est en compromis évolutif avec la capacité de dispersion, sélectionnée en retour dans ces populations modernes. L’évolution récente d’A. thaliana au sein de son aire de répartition est associée à l’adaptation à différentes utilisations des terres, des forêts aux environnements urbains, en passant par les milieux agricoles. Les populations urbaines et de milieux agricoles présentent des valeurs de traits associées à une meilleure tolérance à la perturbation, tandis que les populations des milieux non-artificiels présentent des valeurs de traits associées à la tolérance aux stress. L’utilisation des terres, en interaction avec le climat, est ainsi un acteur majeur, pourtant encore négligé, de la divergence phénotypique et génotypique de l’espèce en Europe.
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tel-04639104 , version 1 (08-07-2024)

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  • HAL Id : tel-04639104 , version 1

Cite

Aurélien Estarague. Stratégies écologiques d’Arabidopsis thaliana au sein de son aire de répartition : variation, distribution et évolution. Biologie végétale. Université de Montpellier, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UMONG038⟩. ⟨tel-04639104⟩
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