A discrete forest in a continuous landscape : investigating interactions between natural resource management and sustainable development

Summary Forests are key ecosystems of the earth and associated with a large range of functions. Many of these functions are beneficial to humans and are referred to as ecosystem services. Sustainable development requires that all relevant ecosystem services are quantified, managed and monitored equally. Natural resource management therefore targets the services associated with ecosystems. The main hypothesis of this thesis is that the spatial and temporal domains of relevant services do not correspond to a discrete forest ecosystem. As a consequence, the services are not quantified, managed and monitored in an equal and sustainable manner. The thesis aims were therefore to test this hypothesis, establish an improved conceptual approach and provide spatial applications for the relevant land cover and structure variables. The study was carried out in western Switzerland and based primarily on data from a countrywide landscape inventory. This inventory is part of the third Swiss national forest inventory and assesses continuous landscape variables based on a regular sampling of true colour aerial imagery. In addition, land cover variables were derived from Landsat 5 TM passive sensor data and land structure variables from active sensor data from a small footprint laserscanning system. The results confirmed the main hypothesis, as relevant services did not scale well with the forest ecosystem. Instead, a new conceptual approach for sustainable management of natural resources was described. This concept quantifies the services as a continuous function of the landscape, rather than a discrete function of the forest ecosystem. The explanatory landscape variables are therefore called continuous fields and the forest becomes a dependent and function-driven management unit. Continuous field mapping methods were established for land cover and structure variables. In conclusion, the discrete forest ecosystem is an adequate planning and management unit. However, monitoring the state of and trends in sustainability of services requires them to be quantified as a continuous function of the landscape. Sustainable natural resource management iteratively combines the ecosystem and gradient approaches. Résumé Les forêts sont des écosystèmes-clés de la terre et on leur attribue un grand nombre de fonctions. Beaucoup de ces fonctions sont bénéfiques pour l'homme et sont nommées services écosystémiques. Le développement durable exige que ces services écosystémiques soient tous quantifiés, gérés et surveillés de façon égale. La gestion des ressources naturelles a donc pour cible les services attribués aux écosystèmes. L'hypothèse principale de cette thèse est que les domaines spatiaux et temporels des services attribués à la forêt ne correspondent pas à un écosystème discret. Par conséquent, les services ne sont pas quantifiés, aménagés et surveillés d'une manière équivalente et durable. Les buts de la thèse étaient de tester cette hypothèse, d'établir une nouvelle approche conceptuelle de la gestion des ressources naturelles et de préparer des applications spatiales pour les variables paysagères et structurelles appropriées. L'étude a été menée en Suisse occidentale principalement sur la base d'un inventaire de paysage à l'échelon national. Cet inventaire fait partie du troisième inventaire forestier national suisse et mesure de façon continue des variables paysagères sur la base d'un échantillonnage régulier sur des photos aériennes couleur. En outre, des variables de couverture ? terrestre ont été dérivées des données d'un senseur passif Landsat 5 TM, ainsi que des variables structurelles, dérivées du laserscanning, un senseur actif. Les résultats confirment l'hypothèse principale, car l'échelle des services ne correspond pas à celle de l'écosystème forestier. Au lieu de cela, une nouvelle approche a été élaborée pour la gestion durable des ressources naturelles. Ce concept représente les services comme une fonction continue du paysage, plutôt qu'une fonction discrète de l'écosystème forestier. En conséquence, les variables explicatives de paysage sont dénommées continuous fields et la forêt devient une entité dépendante, définie par la fonction principale du paysage. Des méthodes correspondantes pour la couverture terrestre et la structure ont été élaborées. En conclusion, l'écosystème forestier discret est une unité adéquate pour la planification et la gestion. En revanche, la surveillance de la durabilité de l'état et de son évolution exige que les services soient quantifiés comme fonction continue du paysage. La gestion durable des ressources naturelles joint donc l'approche écosystémique avec celle du gradient de manière itérative.

The balanced lethal system of crested newts: a ghost of sex chromosomes past?

Balanced lethal systems are more than biological curiosities: as theory predicts, they should quickly be eliminated through the joint forces of recombination and selection. That such systems might become fixed in natural populations poses a challenge to evolutionary theory. Here we address the case of a balanced lethal system fixed in crested newts and related species, which makes 50% of offspring die early in development. All adults are heteromorphic for chromosome pair 1. The two homologues (1A and 1B) have different recessive deleterious alleles fixed on a nonrecombining segment, so that heterozygotes are viable, while homozygotes are lethal. Given such a strong segregation load, how could autosomes stop recombining? We propose a role for a sex-chromosome turnover from pair 1 (putative ancestral sex chromosome) to pair 4 (currently active sex chromosome). Accordingly, 1A and 1B represent two variants (Y(A) and Y(B)) of the Y chromosome from an ancestral male-heterogametic system. We formalize a scenario in which turnovers are driven by sex ratio selection stemming from gene-environment interactions on sex determination. Individual-based simulations show that a balanced lethal system can be fixed with significant likelihood, provided the masculinizing allele on chromosome 4 appears after the elimination of the feminizing allele on chromosome 1. Our study illustrates how strikingly maladaptive traits might evolve through natural selection.

Retrovirus-host interactions. The mouse mammary tumor virus model.

Mouse mammary tumor virus (MMTV) is a retrovirus which can induce mammary carcinomas in mice late in life by activation of proto-oncogenes after integration in their vicinity. Surprisingly, it requires a functional immune system to achieve efficient infection of the mammary gland. This requirement became clear when it was discovered that it has developed strategies to exploit the immune response. Instead of escaping immune detection, it induces a vigorous polyclonal T-B interaction which is required to induce a chronic infection. This is achieved by activating and then infecting antigen presenting cells (B cells), expressing a superantigen on their cell surface and triggering unlimited help by the large number of superantigen-specific T cells. The end result of this strong T-B interaction is the proliferation and differentiation of the infected B cells leading to their long term survival.

Phylogenetic plant community structure along elevation is lineage specific

The trend of closely related taxa to retain similar environmental preferences mediated by inherited traits suggests that several patterns observed at the community scale originate from longer evolutionary processes. While the effects of phylogenetic relatedness have been previously studied within a single genus or family, lineage-specific effects on the ecological processes governing community assembly have rarely been studied for entire communities or flora. Here, we measured how community phylogenetic structure varies across a wide elevation gradient for plant lineages represented by thirty-five families, using a co-occurrence index and net relatedness index (NRI). We propose a framework that analyses each lineage separately and reveals the trend of ecological assembly at tree nodes. We found prevailing phylogenetic clustering for more ancient nodes and overdispersion in more recent tree nodes. Closely related species may thus rapidly evolve new environmental tolerances to radiate into distinct communities, while older lineages likely retain inherent environmental tolerances to occupy communities in similar environments, either through efficient dispersal mechanisms or the exclusion of older lineages with more divergent environmental tolerances. Our study illustrates the importance of disentangling the patterns of community assembly among lineages to better interpret the ecological role of traits. It also sheds light on studies reporting absence of phylogenetic signal, and opens new perspectives on the analysis of niche and trait conservatism across lineages.

A multilevel approach to understanding circadian rhythmicity : social and sleep-dependent effects in ants and mice

Résumé françaisLa majorité des organismes vivants sont soumis à l'alternance du jour et de la nuit, conséquence de la rotation de la terre autour de son axe. Ils ont développé un système interne de mesure du temps, appelé horloge circadienne, leur permettant de s'adapter et de synchroniser leur comportement et leur physiologie aux cycles de lumière. Cette dernière est considérée comme étant le signal majeur entraînant l'horloge interne et. par conséquent, les rythmes journaliers d'éveil et de sommeil. Outre sa régulation circadienne, le sommeil est contrôlé par un processus homéostatique qui détermine son besoin. La contribution de ces deux processus dans le fonctionnement cellulaire du cerveau n'a pas encore été investiguée. La mesure de l'amplitude ainsi que de la prévalence des ondes delta de l'EEG (activité delta) constitue un index très fiable du besoin de sommeil. Il a été démontré que cette activité est génétiquement déterminée et associée à un locus de trait quantitatif situé sur le chromosome 13 de la souris.Grâce à des expériences de privation de sommeil et d'analyses de transcriptome du cerveau dans trois souches de souris présentant diverses réponses à la privation de sommeil, nous avons trouvé que Homerla, localisé dans la région d'intérêt du chromosome 13, est le meilleur marqueur du besoin de sommeil. Homerla est impliqué dans la récupération de l'hyperactivité neuronale induite par le glutamate, grâce à son effet tampon sur le calcium intracellulaire. Une fonction fondamentale du sommeil pourrait donc être de protéger le cerveau et de lui permettre de récupérer après une hyperactivité neuronale imposée par une veille prolongée.De plus, nous avons montré que 2032 transcrits sont exprimés rythmiqueraent dans le cerveau de la souris, parmi lesquels seulement 391 le restent après que les animaux aient été privés de sommeil à différents moments au cours des 24 heures. Cette observation montre clairement que la plupart des changements rythmiques au niveau du transcriptome dépendent du sommeil et non de l'horloge circadienne et souligne ainsi l'importance du sommeil dans la physiologie des mammifères.La plupart des expériences concernant les rythmes circadiens ont été réalisées sur des individus isolés en négligeant l'effet du contexte social sur les comportements circadiens. Les espèces sociales, telles que les fourmis, se caractérisent par une division du travail où une répartition des tâches s'effectue entre ses membres. De plus, certaines d'entre elles doivent être pratiquées en continu comme les soins au couvain tandis que d'autres requièrent une activité rythmique comme le fourragement. Ainsi la fourmi est un excellent modèle pour l'étude de 1 influence du contexte social sur les rythmes circadiens.A ces fins, nous avons décidé d'étudier les rythmes circadiens chez une espèce de fourmi Camponotus fellah et de caractériser au niveau moléculaire son horloge circadienne. Nous avons ainsi développé un système vidéo permettant de suivre l'activité locomotrice de tous les individus d'une colonie. Nos résultats montrent que, bien que la plupart des fourmis soient arythmiques à l'intérieur de la colonie, elles développent d'amples rythmes d'activité en isolation. De plus, ces rythmes disparaissent presque aussitôt que la fourmi est réintroduite dans la colonie. Cette rythmicité observée en isolation semble être générée par l'horloge circadienne car elle persiste en condition constante (obscurité totale). Nous avons ensuite regardé si cette apparente arythmie observée dans la colonie résultait d'un effet masquant des interactions sociales sur les rythmes circadiens d'activité. Nos résultats suggèrent que l'horloge interne est fonctionnelle dans la colonie mais que l'expression de ses rythmes au niveau comportemental est inhibée par les interactions sociales. Les analyses moléculaires du statut de l'horloge dans différents contextes sociaux sont actuellement en cours. Le contexte social semble donc un déterminant majeur du comportement circadien chez la fourmi.AbstractAlmost all living organisms on earth are subjected to the alternance of day and night re-sulting from the rotation of the earth around its axis. They have evolved with an internal timing system, termed the circadian clock, enabling them to adapt and synchronize their behavior and physiology to the daily changes in light and related environmental parame¬ters. Light is thought to be the major cue entraining the circadian clock and consequently the rhythms of rest/activity. In addition to its circadian dependent timing, sleep is reg¬ulated by a homeostatic process that determines its need. The contribution of these two processes in the cellular functioning of the brain has not yet been considered. A highly reliable index of the homeostatic process of sleep is the measure of the amplitude and prevalence of the EEG delta waves (delta activity). It has been shown that sleep need, measured by delta activity, is genetically determined and associated with a Quantitative Trait Locus (QTL) located on the mouse chromosome 13. By using sleep deprivation and brain transcriptome profiling in three inbred mouse strains showing different responses to sleep loss, we found that Homerla, localized within this QTL region is the best transcrip¬tional marker of sleep need. Interestingly Homerla is primarily involved in the recovery from glutamate-induced neuronal hyperactivity by its buffering effect on intracellular cal¬cium. A fundamental function of sleep may therefore reside in the protection and recovery of the brain from a neuronal hyperactivity imposed by prolonged wakefulness.Moreover, time course gene expression experiments showed that 2032 brain tran¬scripts present a rhythmic variation, but only 391 of those remain rhythmic when mice are sleep deprived at four time points around the clock. This finding clearly suggests that most changes in gene transcription over the day are sleep-wake dependent rather than clock dependent and underlines the importance of sleep in mammalian physiology.In the second part of this PhD, I was interested in the social influence on circadian behavior. Most experiments done in the circadian field have been performed on isolated individuals and have therefore ignored the effect of the social context on circadian behav-ior. Eusocial insect species such as ants are characterized by a division of labor: colony tasks are distributed among individuals, some of them requiring continuous activity such as nursing or rhythmic ones such as foraging. Thus ants represent a suitable model to study the influence of the social context on the circadian clock and its output rhythms.The aim of this part was to address the effect of social context on circadian rhythms in the ant species Camponotus fellah and to characterize its circadian clock at the molecu¬lar level. We therefore developed a video tracking system to follow the locomotor activity of all individuals in a colony. Our results show that most ants are arrhythmic within the colony, but develop, when subjected to social isolation, strong rhythms of activity that intriguingly disappear when individuals are reintroduced into the colony. The rhythmicity observed in isolated ants seems to be driven by the circadian clock as it persists under constant conditions (complete darkness). We then tested whether the apparent arrhyth- micity in the colony stemmed from a masking effect of social interactions on circadian rhythms. Indeed, we found that circadian clocks of ants in the colony are functional but their expression at the behavioral level is inhibited by social interactions. The molecular assessment of the circadian clock functional state in the different social context is still under investigation. Our results suggest that social context is a major determinant of circadian behavior in ants.