Evolutionary history and its relevance in understanding and conserving southern African biodiversity

Abstract : Understanding how biodiversity is distributed is central to any conservation effort and has traditionally been based on niche modeling and the causal relationship between spatial distribution of organisms and their environment. More recently, the study of species' evolutionary history and relatedness has permeated the fields of ecology and conservation and, coupled with spatial predictions, provides useful insights to the origin of current biodiversity patterns, community structuring and potential vulnerability to extinction. This thesis explores several key ecological questions by combining the fields of niche modeling and phylogenetics and using important components of southern African biodiversity. The aims of this thesis are to provide comparisons of biodiversity measures, to assess how climate change will affect evolutionary history loss, to ask whether there is a clear link between evolutionary history and morphology and to investigate the potential role of relatedness in macro-climatic niche structuring. The first part of my thesis provides a fine scale comparison and spatial overlap quantification of species richness and phylogenetic diversity predictions for one of the most diverse plant families in the Cape Floristic Region (CFR), the Proteaceae. In several of the measures used, patterns do not match sufficiently to argue that species relatedness information is implicit in species richness patterns. The second part of my thesis predicts how climate change may affect threat and potential extinction of southern African animal and plant taxa. I compare present and future niche models to assess whether predicted species extinction will result in higher or lower V phylogenetic diversity survival than what would be experienced under random extinction processes. l find that predicted extinction will result in lower phylogenetic diversity survival but that this non-random pattern will be detected only after a substantial proportion of the taxa in each group has been lost. The third part of my thesis explores the relationship between phylogenetic and morphological distance in southern African bats to assess whether long evolutionary histories correspond to equally high levels of morphological variation, as predicted by a neutral model of character evolution. I find no such evidence; on the contrary weak negative trends are detected for this group, as well as in simulations of both neutral and convergent character evolution. Finally, I ask whether spatial and climatic niche occupancy in southern African bats is influenced by evolutionary history or not. I relate divergence time between species pairs to climatic niche and range overlap and find no evidence for clear phylogenetic structuring. I argue that this may be due to particularly high levels of micro-niche partitioning. Résumé : Comprendre la distribution de la biodiversité représente un enjeu majeur pour la conservation de la nature. Les analyses se basent le plus souvent sur la modélisation de la niche écologique à travers l'étude des relations causales entre la distribution spatiale des organismes et leur environnement. Depuis peu, l'étude de l'histoire évolutive des organismes est également utilisée dans les domaines de l'écologie et de la conservation. En combinaison avec la modélisation de la distribution spatiale des organismes, cette nouvelle approche fournit des informations pertinentes pour mieux comprendre l'origine des patterns de biodiversité actuels, de la structuration des communautés et des risques potentiels d'extinction. Cette thèse explore plusieurs grandes questions écologiques, en combinant les domaines de la modélisation de la niche et de la phylogénétique. Elle s'applique aux composants importants de la biodiversité de l'Afrique australe. Les objectifs de cette thèse ont été l) de comparer différentes mesures de la biodiversité, 2) d'évaluer l'impact des changements climatiques à venir sur la perte de diversité phylogénétique, 3) d'analyser le lien potentiel entre diversité phylogénétique et diversité morphologique et 4) d'étudier le rôle potentiel de la phylogénie sur la structuration des niches macro-climatiques des espèces. La première partie de cette thèse fournit une comparaison spatiale, et une quantification du chevauchement, entre des prévisions de richesse spécifique et des prédictions de la diversité phylogénétique pour l'une des familles de plantes les plus riches en espèces de la région floristique du Cap (CFR), les Proteaceae. Il résulte des analyses que plusieurs mesures de diversité phylogénétique montraient des distributions spatiales différentes de la richesse spécifique, habituellement utilisée pour édicter des mesures de conservation. La deuxième partie évalue les effets potentiels des changements climatiques attendus sur les taux d'extinction d'animaux et de plantes de l'Afrique australe. Pour cela, des modèles de distribution d'espèces actuels et futurs ont permis de déterminer si l'extinction des espèces se traduira par une plus grande ou une plus petite perte de diversité phylogénétique en comparaison à un processus d'extinction aléatoire. Les résultats ont effectivement montré que l'extinction des espèces liées aux changements climatiques pourrait entraîner une perte plus grande de diversité phylogénétique. Cependant, cette perte ne serait plus grande que celle liée à un processus d'extinction aléatoire qu'à partir d'une forte perte de taxons dans chaque groupe. La troisième partie de cette thèse explore la relation entre distances phylogénétiques et morphologiques d'espèces de chauves-souris de l'Afrique australe. ll s'agit plus précisément de déterminer si une longue histoire évolutive correspond également à des variations morphologiques plus grandes dans ce groupe. Cette relation est en fait prédite par un modèle neutre d'évolution de caractères. Aucune évidence de cette relation n'a émergé des analyses. Au contraire, des tendances négatives ont été détectées, ce qui représenterait la conséquence d'une évolution convergente entre clades et des niveaux élevés de cloisonnement pour chaque clade. Enfin, la dernière partie présente une étude sur la répartition de la niche climatique des chauves-souris de l'Afrique australe. Dans cette étude je rapporte temps de divergence évolutive (ou deux espèces ont divergé depuis un ancêtre commun) au niveau de chevauchement de leurs niches climatiques. Les résultats n'ont pas pu mettre en évidence de lien entre ces deux paramètres. Les résultats soutiennent plutôt l'idée que cela pourrait être I dû à des niveaux particulièrement élevés de répartition de la niche à échelle fine.

Multiscale phylogeography: glacial history and autopolyploidy of Biscutella laevigata L. (Brassicaceae) in the Western Alps

Résumé Les changements climatiques du Quaternaire ont eu une influence majeure sur la distribution et l'évolution des biota septentrionaux. Les Alpes offrent un cadre spatio-temporel bien étudié pour comprendre la réactivité de la flore et le potentiel d'adaptation d'une espèce végétale face aux changements climatiques. Certaines hypothèses postulent une diversification des espèces en raison de la disparition complète de la flore des Alpes et d'un isolement important des espèces dans des refuges méridionaux durant les dernières glaciations (Tabula Rasa). Une autre hypothèse stipule le maintien de poches de résistance pour la végétation au coeur des Alpes (Nunataks). Comme de nombreuses espèces végétales présentant un grand succès écologique semblent avoir réagi aux glaciations par la multiplication de leur génome (autopolyploïdie), leur étude en milieu naturel devrait permettre de comprendre les avantages inhérents à la polyploïdie. Biscutella laevigata est un modèle emblématique de biogéographie historique, diverses études ayant montré que des populations diploïdes sont actuellement isolées dans les zones restées déglacées durant le dernier maximum glaciaire, alors que des tétraploïdes ont recolonisé l'ensemble des zones alpines mises à nu par le retrait des glaciers. Si le contexte périglaciaire semble avoir favorisé ce jeune complexe autopolyploïde, les circonstances et les avantages de cette mutation génomique ne sont pas encore clairs. Y a-t-il eu de multiples événements de polyploïdisation ? Dans quelle mesure affecte(nt)il(s) la diversité génétique et le potentiel évolutif des polyploïdes ? Les polyploïdes ont-ils une grande flexibilité génomique, favorisant une radiation adaptative, ou doivent-ils leur succès à une grande plasticité écologique ? Cette étude aborde ces questions à différentes échelles spatiales et temporelles. L'échelle régionale des Alpes occidentales permet d'aborder les facteurs distaux (aspects historiques), alors que l'échelle locale cherche à appréhender les facteurs proximaux (mécanismes évolutifs). Dans les Alpes occidentales, des populations ont été densément échantillonnées et étudiées grâce à (1) leur cytotype, (2) leur appartenance taxonomique, (3) leur habitat et (4) des marqueurs moléculaires de l'ADN chloroplastique, en vue d'établir leurs affinités évolutives. Á l'échelle locale, deux systèmes de population ont été étudiés : l'un où les populations persistent en périphérie de l'aire de distribution et l'autre au niveau du front actif de colonisation, en marge altitudinale. Les résultats à l'échelle des Alpes occidentales révèlent les sites d'intérêt (refuges glaciaires, principales barrières et voies de recolonisation) pour une espèce représentative des pelouses alpines, ainsi que pour la biodiversité régionale. Les Préalpes ont joué un rôle important dans le maintien de populations à proximité immédiate des Alpes centrales et dans l'évolution du taxon, voire de la végétation. Il est aussi démontré que l'époque glaciaire a favorisé l'autopolyploïdie polytopique et la recolonisation des Alpes occidentales par des lignées distinctes qui s'hybrident au centre des Alpes, influençant fortement leur diversité génétique et leur potentiel évolutif. L'analyse de populations locales en situations contrastées à l'aide de marqueurs AFLP montre qu'au sein d'une lignée présentant une grande expansion, la diversité génétique est façonnée par des forces évolutives différentes selon le contexte écologique et historique. Les populations persistant présentent une dispersion des gènes restreinte, engendrant une diversité génétique assez faible, mais semblent adaptées aux conditions locales de l'environnement. À l'inverse, les populations colonisant la marge altitudinale sont influencées par les effets de fondation conjugués à une importante dispersion des gènes et, si ces processus impliquent une grande diversité génétique, ils engendrent une répartition aléatoire des génotypes dans l'environnement. Les autopolyploïdes apparaissent ainsi comme capables de persister face aux changements climatiques grâce à certaines facultés d'adaptation locale et de grandes capacités à maintenir une importante diversité génétique lors de la recolonisation post-glaciaire. Summary The extreme climate changes of the Quaternary have had a major influence on species distribution and evolution. The European Alps offer a great framework to investigate flora reactivity and the adaptive potential of species under changing climate. Some hypotheses postulate diversification due to vegetation removal and important isolation in southern refugia (Tabula Rasa), while others explain phylogeographic patterns by the survival of species in favourable Nunataks within the Alps. Since numerous species have successfully reacted to past climate changes by genome multiplication (autopolyploidy), studies of such taxa in natural conditions is likely to explain the ecological success and the advantages of autopolyploidy. Early cytogeographical surveys of Biscutella laevigata have shed light on the links between autopolyploidy and glaciations by indicating that diploids are now spatially isolated in never-glaciated areas, while autotetraploids have recolonised the zones covered by glaciers- during the last glacial maximum. A periglacial context apparently favoured this young autopolyploid complex but the circumstances and the advantages of this genomic mutation remain unclear. What is the glacial history of the B. laevigata autopolyploid complex? Are there multiple events of polyploidisation? To what extent do they affect the genetic diversity and the evolutionary potential of polyploids? Is recolonisation associated with adaptive processes? How does long-term persistence affect genetic diversity? The present study addresses these questions at different spatiotemporal scales. A regional survey at the Western Alps-scale tackles distal factors (evolutionary history), while local-scale studies explore proximal factors (evolutionary mechanisms). In the Western Alps, populations have been densely sampled and studied from the (1) cytotypic, (2) morphotaxonomic, (3) habitat point of views, as well as (4) plastid DNA molecular markers, in order to infer their relationships and establish the maternal lineages phylogeography. At the local scale, populations persisting at the rear edge and populations recolonising the attitudinal margin at the leading edge have been studied by AFLPs to show how genetic diversity is shaped by different evolutionary forces across the species range. The results at the regional scale document the glacial history of a widespread species, representative of alpine meadows, in a regional area of main interest (glacial refugia, main barriers and recolonisation routes) and points out to sites of interest for regional biodiversity. The external Alps have played a major role in the maintenance of populations near the central Alps during the Last Glacial Maximum and influenced the evolution of the species, and of vegetation. Polytopic autopolyploidy in different biogeographic districts is also demonstrated. The species has had an important and rapid radiation because recolonisation took place from different refugia. The subsequent recolonisation of the Western Alps was achieved by independent lineages that are presently admixing in the central Alps. The role of the Pennic summit line is underlined as a great barrier that was permeable only through certain favourable high-altitude passes. The central Alps are thus viewed as an important crossroad where genomes with different evolutionary histories are meeting and admixing. The AFLP analysis and comparison of local populations growing in contrasted ecological and historical situations indicate that populations persisting in the external Alps present restricted gene dispersal and low genetic diversity but seem in equilibrium with their environment. On the contrary, populations colonising the attitudinal margin are mainly influenced by founder effects together with great gene dispersal and genotypes have a nearly random distribution, suggesting that recolonisation is not associated with adaptive processes. Autopolyploids that locally persist against climate changes thus seem to present adaptive ability, while those that actively recolonise the Alps are successful because of their great capacity to maintain a high genetic diversity against founder effects during recolonisation.

How demography, life history, and kinship shape the evolution of genomic imprinting.

How phenomena like helping, dispersal, or the sex ratio evolve depends critically on demographic and life-history factors. One phenotype that is of particular interest to biologists is genomic imprinting, which results in parent-of-origin-specific gene expression and thus deviates from the predictions of Mendel's rules. The most prominent explanation for the evolution of genomic imprinting, the kinship theory, originally specified that multiple paternity can cause the evolution of imprinting when offspring affect maternal resource provisioning. Most models of the kinship theory do not detail how population subdivision, demography, and life history affect the evolution of imprinting. In this work, we embed the classic kinship theory within an island model of population structure and allow for diverse demographic and life-history features to affect the direction of selection on imprinting. We find that population structure does not change how multiple paternity affects the evolution of imprinting under the classic kinship theory. However, if the degree of multiple paternity is not too large, we find that sex-specific migration and survival and generation overlap are the primary factors determining which allele is silenced. This indicates that imprinting can evolve purely as a result of sex-related asymmetries in the demographic structure or life history of a species.

Predicting the mating system from phenotypic correlations between life-history and sperm quality traits in the Alpine whitefish Coregonus zugensis

The mating behavior and reproductive strategies of Alpine whitefish like Coregonus zugensis (Nusslin) are poorly understood, probably because they spawn in deep water where direct observations are difficult. In this study, we interpret life-history and sperm quality traits of fish that we caught from their spawning place. We found that males invest heavily into gonadal tissue (up to 5.6% of their body weight), which is, in comparison to other fish, consistent with external fertilization, distinct pairing and moderate to high communal spawning, or no pairing and low to moderate communal spawning. Sperm competition theory and recent experimental studies on other salmonids predict that males optimize ejaculate characteristics in relation to the costs of sperm and the level of competition they have to expect: dominant males are predicted to invest less into ejaculate quality and to have slower spermatozoa than subdominant males. We found that spermatozoa of older males are slower than those of younger males. Moreover, older males have larger breeding tubercles, a secondary sexual trait that has, in some previous studies, been found to be linked to good condition and to good genetic quality. Our results suggest that C. zugensis has age-linked reproductive strategies, that multimale spawning is common, i.e., that sperm competition plays a significant role, and that older males are on average dominant over younger males at the spawning place.

Ex vivo characterization of human CD8+ T subsets with distinct replicative history and partial effector functions.

After antigenic challenge, naive T lymphocytes enter a program of proliferation and differentiation during the course of which they acquire effector functions and may ultimately become memory cells. In humans, the pathways of effector and memory T-cell differentiation remain poorly defined. Here we describe the properties of 2 CD8+ T-lymphocyte subsets, RA+CCR7-27+28+ and RA+CCR7-27+28-, in human peripheral blood. These cells display phenotypic and functional features that are intermediate between naive and effector T cells. Like naive T lymphocytes, both subsets show relatively long telomeres. However, unlike the naive population, these T cells exhibit reduced levels of T-cell receptor excision circles (TRECs), indicating they have undergone additional rounds of in vivo cell division. Furthermore, we show that they also share effector-type properties. At equivalent in vivo replicative history, the 2 subsets express high levels of Fas/CD95 and CD11a, as well as increasing levels of effector mediators such as granzyme B, perforin, interferon gamma, and tumor necrosis factor alpha. Both display partial ex vivo cytolytic activity and can be found among cytomegalovirus-specific cytolytic T cells. Taken together, our data point to the presence of T cells with intermediate effector-like functions and suggest that these subsets consist of T lymphocytes that are evolving toward a more differentiated effector or effector-memory stage.

Association between parental history and genetic risk scores for coronary heart disease prediction: The population-based CoLaus study.

BACKGROUND AND AIMS: Parental history (PH) and genetic risk scores (GRSs) are separately associated with coronary heart disease (CHD), but evidence regarding their combined effects is lacking. We aimed to evaluate the joint associations and predictive ability of PH and GRSs for incident CHD. METHODS: Data for 4283 Caucasians were obtained from the population-based CoLaus Study, over median follow-up time of 5.6 years. CHD was defined as incident myocardial infarction, angina, percutaneous coronary revascularization or bypass grafting. Single nucleotide polymorphisms for CHD identified by genome-wide association studies were used to construct unweighted and weighted versions of three GRSs, comprising of 38, 53 and 153 SNPs respectively. RESULTS: PH was associated with higher values of all weighted GRSs. After adjustment for age, sex, smoking, diabetes, systolic blood pressure, low and high density lipoprotein cholesterol, PH was significantly associated with CHD [HR 2.61, 95% CI (1.47-4.66)] and further adjustment for GRSs did not change this estimate. Similarly, one standard deviation change of the weighted 153-SNPs GRS was significantly associated with CHD [HR 1.50, 95% CI (1.26-1.80)] and remained so, after further adjustment for PH. The weighted, 153-SNPs GRS, but not PH, modestly improved discrimination [(C-index improvement, 0.016), p = 0.048] and reclassification [(NRI improvement, 8.6%), p = 0.027] beyond cardiovascular risk factors. After including both the GRS and PH, model performance improved further [(C-index improvement, 0.022), p = 0.006]. CONCLUSION: After adjustment for cardiovascular risk factors, PH and a weighted, polygenic GRS were jointly associated with CHD and provided additive information for coronary events prediction.