Local adaptation and life history traits evolution in heterogeneous environment : an empirical example in the freshwater snail, Galba truncatula

Abstract: To understand the processes of evolution, biologists are interested in the ability of a population to respond to natural or artificial selection. The amount of genetic variation is often viewed as the main factor allowing a species to answer to selection. Many theories have thus focused on the maintenance of genetic variability. Ecologists and population geneticists have long-suspected that the structure of the environment is connected to the maintenance of diversity. Theorists have shown that diversity can be permanently and stably maintained in temporal and spatial varying environment in certain conditions. Moreover, varying environments have been also theoretically demonstrated to cause the evolution of divergent life history strategies in the different niches constituting the environment. Although there is a huge number of theoretical studies selection and on life history evolution in heterogeneous environments, there is a clear lack of empirical studies. The purpose of this thesis was to. empirically study the evolutionary consequences of a heterogeneous environment in a freshwater snail Galba truncatula. Indeed, G. truncatula lives in two habitat types according the water availability. First, it can be found in streams or ponds which never completely dry out: a permanent habitat. Second, G. truncatula can be found in pools that freeze during winter and dry during summer: a temporary habitat. Using a common garden approach, we empirically demonstrated local adaptation of G. truncatula to temporary and permanent habitats. We used at first a comparison of molecular (FST) vs. quantitative (QST) genetic differentiation between temporary and permanent habitats. To confirm the pattern QST> FST between habitats suggesting local adaptation, we then tested the desiccation resistance of individuals from temporary and permanent habitats. This study confirmed that drought resistance seemed to be the main factor selected between habitats, and life history traits linked to the desiccation resistance were thus found divergent between habitats. However, despite this evidence of selection acting on mean values of traits between habitats, drift was suggested to be the main factor responsible of variation in variances-covariances between populations. At last, we found life history traits variation of individuals in a heterogeneous environment varying in parasite prevalence. This thesis empirically demonstrated the importance of heterogeneous environments in local adaptation and life history evolution and suggested that more experimental studies are needed to investigate this topic. Résumé: Les biologistes se sont depuis toujours intéressés en l'aptitude d'une population à répondre à la sélection naturelle. Cette réponse dépend de la quantité de variabilité génétique présente dans cette population. Plus particulièrement, les théoriciens se sont penchés sur la question du maintient de la variabilité génétique au sein d'environnements hétérogènes. Ils ont alors démontré que, sous certaines conditions, la diversité génétique peut se maintenir de manière stable et permanente dans des environnements variant au niveau spatial et temporel. De plus, ces environments variables ont été démontrés comme responsable de divergence de traits d'histoire de vie au sein des différentes niches constituant l'environnement. Cependant, malgré ce nombre important d'études théoriques portant sur la sélection et l'évolution des traits d'histoire de vie en environnement hétérogène, les études empiriques sont plus rares. Le but de cette thèse était donc d'étudier les conséquences évolutives d'un environnement hétérogène chez un esgarcot d'eau douce Galba truncatula. En effet, G. truncatula est trouvé dans deux types d'habitats qui diffèrent par leur niveau d'eau. Le premier, l'habitat temporaire, est constitué de flaques d'eau qui peuvent s'assécher pendant l'été et geler pendant l'hiver. Le second, l'habitat permanent, correspond à des marres ou à des ruisseaux qui ont un niveau d'eau constant durant toute l'année. Utilisant une approche expérimentale de type "jardin commun", nous avons démontré l'adaptation locale des individus à leur type d'habitat, permanent ou temporaire. Nous avons utilisé l'approche Fsr/QsT qui compare la différentiation génétique moléculaire avec la différentiation génétique quantitative entre les 2 habitats. Le phénomène d'adapation locale démontré par QsT > FsT, a été testé experimentalement en mesurant la résistance à la dessiccation d'individus d'habitat temporaire et permanent. Cette étude confirma que la résistance à la sécheresse a été sélectionné entre habitats et que les traits responsables de cette resistance sont différents entre habitats. Cependant si la sélection agit sur la valeur moyenne des traits entre habitats, la dérive génétique semble être le responsable majeur de la différence de variances-covariances entre populations. Pour finir, une variation de traits d'histoire de vie a été trouvée au sein d'un environnement hétérogène constitué de populations variants au niveau de leur taux de parasitisme. Pour conclure, cette thèse a donc démontré l'importance d'un environnement hétérogène sur l'adaptation locale et l'évolution des traits d'histoire de vie et suggère que plus d'études empiriques sur le sujet sont nécessaires.

Linking genetic and species diversities in a community of freshwater gastropods

Summary Biodiversity is usually studied through species or genetic diversities. To date, these two levels of diversity have remained the independent .fields of investigations of community ecologists and population geneticists. However, recent joint analyses of species and genetic diversities have suggested that common processes may underlie the two levels. Positive correlations between species diversity and genetic diversity may arise when the effects of drift and migration overwhelm selective effects. The first goal of this thesis was to make a joint investigation of the patterns of species and genetic diversity in a community of freshwater gastropods living in a floodplain habitat. The second goal was to determine, as far as possible, the relative influences of the processes underlying the patterns observed at each level. In chapter 2 we investigate the relative influences of different evolutionary forces in shaping the genetic structure of Radix balthica populations. Results revealed that the structure inferred using quantitative traits was lower or equal to the one inferred using neutral molecular markers. Consequently, the pattern of structure observed could be only due to random drift, possibly to uniform selection, but definitely not to selection for local optima. In chapter 3, we analyze the temporal variation of species and genetic diversities in five localities. An extended period of drought occurred at the end of the study period leading to decay of both species and genetic diversities. This parallel loss of diversity following a natural perturbation highlighted the role sometimes predominant of random drift over selection on patterns of biodiversity in a floodplain habitat. In chapter 4, we compare the spatial genetic structures of two sympatric species: Radix balthica and Planorbis carinatus. We found that R. balthica populations are weakly structured and have moderate to high values of gene diversity. In contrast, P. carinatus populations are highly structured and poorly diverse. Then we measured correlations between various indices of species and genetic diversity using genetic data .from the two species. We found only one significant correlation: between species richness and gene diversity of P. carinatus. This result highlights the .need to use genetic date from more than one species to infer correlations between species and genetic diversities. Overall, this thesis provided new insights into the common processes underlying patterns of species and genetic diversity. Résumé La biodiversité est généralement étudiée au niveau de la diversité génétique ou spécifique. Ces deux niveaux sont restés jusqu'à maintenant les domaines d'investigation séparés des généticiens des populations et des écologistes des communautés. Cependant, des analyses conjointes des diversités génétique et spécifique ont récemment suggéré que des processus similaires pouvaient influencer ces deux niveaux. Des corrélations positives entre les diversités génétique et spécifique pourraient être dues aux effets de migration et de dérive qui dominent les effets sélectifs. Le premier but de cette thèse était de faire une étude conjointe des diversités génétique et spécifique dans une communauté de gastéropodes d'eau douce. Le second objectif était de déterminer les influences relatives des différents processus liés à chaque niveau de diversité. Dans le chapitre 2 nous cherchons à déterminer quelles forces évolutives influencent la structure génétique de quatre populations de Radix balthica. La structure mesurée sur des traits quantitatifs s'est révélée être plus faible ou égale à celle mesurée avec des marqueurs moléculaires neutres. La structure observée pourrait ainsi être due uniquement à la dérive génétique, potentiellement à la sélection uniforme, mais en aucun cas à la sélection locale pour différents optima. Dans le chapitre 3 nous analysons la variation temporelle des diversités génétique et spécifique dans cinq localités. Une récente période de sécheresse a causé une diminution parallèle des deux niveaux de diversité. Cette perturbation à mis en évidence le rôle parfois prépondérant de la dérive par rapport à celui de la sélection dans le déterminisme de la biodiversité dans un écosytème alluvial. Dans le chapitre 4, nous comparons la structure génétique spatiale de deux espèces vivant en sympatrie : Radix balthica et Planorbis carinatus. Les populations de R. balthica sont peu structurées et présentent un niveau de diversité relativement élevé alors que celles de P. carinatus sont fortement structurées et peu diversifiées. Nous avons ensuite mesuré différentes corrélations entre les diversités génétique et spécifique, mais la seule relation significative a été trouvée entre la richesse spécifique et la diversité génétique de P. carinatus. Ainsi, cette thèse a permis de découvrir de nouveaux aspects des processus qui influencent en parallèle la diversité aux niveaux génétique et spécifique.

Genetic consequences of population expansions and contractions in the common hippopotamus (Hippopotamus amphibius) since the Late Pleistocene.

Over the past two decades, an increasing amount of phylogeographic work has substantially improved our understanding of African biogeography, in particular the role played by Pleistocene pluvial-drought cycles on terrestrial vertebrates. However, still little is known on the evolutionary history of semi-aquatic animals, which faced tremendous challenges imposed by unpredictable availability of water resources. In this study, we investigate the Late Pleistocene history of the common hippopotamus (Hippopotamus amphibius), using mitochondrial and nuclear DNA sequence variation and range-wide sampling. We documented a global demographic and spatial expansion approximately 0.1-0.3 Myr ago, most likely associated with an episode of massive drainage overflow. These events presumably enabled a historical continent-wide gene flow among hippopotamus populations, and hence, no clear continental-scale genetic structuring remains. Nevertheless, present-day hippopotamus populations are genetically disconnected, probably as a result of the mid-Holocene aridification and contemporary anthropogenic pressures. This unique pattern contrasts with the biogeographic paradigms established for savannah-adapted ungulate mammals and should be further investigated in other water-associated taxa. Our study has important consequences for the conservation of the hippo, an emblematic but threatened species that requires specific protection to curtail its long-term decline.

Role of an LRR receptor-like kinase in the establishment of a functional root endodermal barrier

The endodermis is a highly conserved cell layer present in the root of all vascular plants, except Lycophytes. This tissue layer establishes a protective diffusion barrier surrounding the vasculature and is expected to prevent passive, uncontrolled flow of nutrients through the root. This barrier property is achieved by the production of Casparian strips (CS), a localized cell wall impregnation of lignin in the anticlinal walls of each endodermal cell, forming a belt-like structure sealing the extracellular space. The CS act as a selective barrier between the external cell layers and the vascular cylinder and are thought to be important in many aspects of root function. For instance, selective nutrient uptake and sequestration from the soil, resistance to different abiotic and biotic stresses are expected to involve functional CS. Although discovered 150 years ago, nothing was known about the genes involved in CS establishment until recently. The use of the model plant Arabidopsis thaliana together with both reverse and forward genetic approaches led to the discovery of an increasing number of genes involved in different steps of CS formation during the last few years. One of these genes encodes SCHENGEN3 (SGN3), a leucine-rich repeat receptor-like kinase (LRR-RLK). SGN3 was discovered first by reverse genetic due to its endodermis-enriched expression, and the corresponding mutant displays strong endodermal permeability of the apoplastic tracer Propidium Iodide (PI) indicative of defective CS. One aim of this thesis is to study the role of SGN3 at the molecular level in order to understand its involvement in establishing an impermeable CS. The endodermal permeability of sgn3 is shown to be the result of incorrect localization of key proteins involved in CS establishment (the "Casparian strip domain proteins", CASPs), leading to non-functional CS interrupted by discontinuities. CASPs localize in the plasma membrane domain subjacent to the CS, named the Casparian Strip membrane Domain (CSD). The CSD discontinuities in sgn3 together with SGN3 localization in close proximity to the CASPs lead to the assumption that SGN3 is involved in the formation of a continuous CSD. In addition, SGN3 might have a second role, acting as a kinase reporting CSD integrity leading to lignin and suberin production in CSD/CS defective plants. Up to now, sgn3 is the strongest and most specific CS mutant available, displaying tracer penetration along the whole length of the seedling root. For this reason, this mutant is well suited in order to characterize the physiological behaviour of CS affected plants. Due to the lack of such mutants in the past, it was not possible to test the presumed functions of CS by using plants lacking this structure. We decided to use sgn3 for this purpose. Surprisingly, sgn3 overall growth is only slightly affected. Nevertheless, processes expected to rely on functional CS, such as water transport through the root, nutrient homeostasis, salt tolerance and resistance to an excess of some nutrients are altered in this mutant. On the other hand, homeostasis for most elements and drought tolerance are not affected in sgn3. It is surprising to observe that homeostatic defects are specific, with a decrease in potassium and an increase in magnesium levels. It indicates a backup system, set up by the plant in order to counteract free diffusion of nutrients into the stele. For instance, potassium shortage in sgn3 upregulates the transcription of potassium influx transport proteins and genes known to be induced by potassium starvation. Moreover, sgn3 mutant is hypersensitive to low potassium conditions. Hopefully, these results about SGN3 will help our understanding of CS establishment at the molecular level. In addition, physiological experiments using sgn3 should give us a framework for future experiments and help us to understand the different roles of CS and their involvement during nutrient radial transport through the root. -- L'endoderme est un tissu présent dans les racines de toutes les plantes vasculaires à l'exception des Lycophytes. Ce tissu établit une barrière protectrice entourant les tissus vasculaires dans le but d'éviter la diffusion passive et incontrôlée des nutriments au travers de la racine. Cette propriété de barrière provient de la production des cadres de Caspary, une imprégnation localisée de lignine des parties anticlinales de la paroi de chaque cellule d'endoderme. Cela donne naissance à un anneau/cadre qui rend étanche l'espace extracellulaire. Les cadres de Caspary agissent comme une barrière sélective entre les couches externes de la racine et le cylindre central et sont supposés être importants dans beaucoup d'aspects du fonctionnement de la racine. Par exemple, l'absorption sélective de nutriments et leur séquestration à partir du sol ainsi que la résistance contre différents stress abiotiques et biotiques sont supposés impliquer des cadres de Caspary fonctionnels. Bien que découverts il y a 150 ans, rien n'était connu concernant les gènes impliqués dans Ja formation des cadres de Caspary jusqu'à récemment. Durant ces dernière années, l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thaliana ainsi que des approches de génétique inverse et classique ont permis la découverte d'un nombre croissant de gènes impliqués à différentes étapes de la formation de cette structure. Un des ces gènes code pour SCHENGEN3 (SGN3), un récepteur kinase "leucine-rich repeat receptor-like kinase" (LRR-RLK). SGN3 a été découvert en premier par génétique inverse grâce à son expression enrichie dans l'endoderme. Les cadres de Caspary ne sont pas fonctionnels dans le mutant correspondant, ce qui est visible à cause de la perméabilité de l'endoderme au traceur apoplastique Propidium Iodide (PI). Un des objectifs de cette thèse est d'étudier la fonction de SGN3 au niveau moléculaire dans le but de comprendre son rôle dans la formation des cadres de Caspary. J'ai pu démontrer que la perméabilité de l'endoderme du mutant sgn3 est le résultat de la localisation incorrecte de protéines impliquées dans la formation des cadres de Caspary, les "Casparian strip domain proteins" (CASPs). Cela induit des cadres de Caspary non fonctionnels, contenant de nombreuses interruptions. Les CASPs sont localisés à la membrane plasmique dans un domaine sous-jacent les cadres de Caspary appelé Casparian Strip membrane Domain (CSD). Les interruptions du CSD dans le mutant sgn3, ainsi que la localisation de SGN3 à proximité des CASPs nous font penser à un rôle de SGN3 dans l'élaboration d'un CSD ininterrompu. De plus, SGN3 pourrait avoir un second rôle, agissant en tant que kinase reportant l'intégrité du CSD et induisant la production de lignine et de subérine dans des plantes contenant des cadres de Caspary non fonctionnels. Jusqu'à ce jour, sgn3 est le mutant en notre possession le plus fort et le plus spécifique, ayant un endoderme perméable tout le long de la racine. Pour cette raison, ce mutant est adéquat dans le but de caractériser la physiologie de plantes ayant des cadres de Caspary affectés. De manière surprenante, la croissance de sgn3 est seulement peu affectée. Néanmoins, des processus censés nécessiter des cadres de Caspary fonctionnels, comme le transport de l'eau au travers de la racine, l'homéostasie des nutriments, la tolérance au sel et la résistance à l'excès de certains nutriments sont altérés dans ce mutant. Malgré tout, l'homéostasie de la plupart des nutriments ainsi que la résistance au stress hydrique ne sont pas affectés dans sgn3. De manière surprenante, les altérations de l'ionome de sgn3 sont spécifiques, avec une diminution de potassium et un excès de magnésium. Cela implique un système de compensation établi par la plante dans le but d'éviter la diffusion passive des nutriments en direction du cylindre central. Par exemple, le manque de potassium dans sgn3 augmente la transcription de transporteurs permettant l'absorption de cet élément. De plus, des gènes connus pour être induits en cas de carence en potassium sont surexprimés dans sgn3 et la croissance de ce mutant est sévèrement affectée dans un substrat pauvre en potassium. Ces résultats concernant SGN3 vont, espérons-le, aider à la compréhension du processus de formation des cadres de Caspary au niveau moléculaire. De plus, les expériences de physiologie utilisant sgn3 présentées dans cette thèse devraient nous donner une base pour des expériences futures et nous permettre de comprendre mieux le rôle des cadres de Caspary, et plus particulièrement leur implication dans le transport radial des nutriments au travers de la racine. -- Les plantes terrestres sont des organismes puisant l'eau et les nutriments dont elles ont besoin pour leur croissance dans le sol grâce à leurs racines. De par leur immobilité, elles doivent s'adapter à des sols contenant des quantités variables de nutriments et il leur est crucial de sélectionner ce dont elles ont besoin afin de ne pas s'intoxiquer. Cette sélection est faite grâce à un filtre formé d'un tissu racinaire interne appelé endoderme. L'endoderme fabrique une barrière imperméable entourant chaque cellule appelée "cadre de Caspary". Ces cadres de Caspary empêchent le libre passage des nutriments, permettant un contrôle précis de leur passage. De plus, ils sont censés permettre de résister contre différents stress environnementaux comme la sécheresse, la salinité du sol ou l'excès de nutriments. Bien que découverts il y a 150 ans, rien n'était connu concernant les gènes impliqués dans la formation des cadres de Caspary jusqu'à récemment. Durant ces dernière années, l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thaliana a permis la découverte d'un nombre croissant de gènes impliqués à différentes étapes de la formation de cette structure. Un de ces gènes code pour SCHENGEN3 (SGN3), un récepteur kinase "leucine-rich repeat receptor-like kinase" (LRR- RLK). Nous montrons dans cette étude que le gène SGN3 est impliqué dans la formation des cadres de Caspary, et que le mutant correspondant sgn3 a des cadres de Caspary interrompus. Ces interruptions rendent l'endoderme perméable, l'empêchant de bloquer le passage des molécules depuis le sol vers le centre de la racine. En utilisant ce mutant, nous avons pu caractériser la physiologie de plantes ayant des cadres de Caspary affectés. Cela a permis de découvrir que le transport de l'eau au travers de la racine était affecté dans le mutant sgn3. De plus, l'accumulation de certains éléments dans les feuilles de ce mutant est altérée. Nous avons également pu montrer une sensibilité de ce mutant à un excès de sel ou de certains nutriments comme le fer et le manganèse.