Toxicity of triclosan, penconazole and metalaxyl on Caulobacter crescentus and a freshwater microbial community as assessed by flow cytometry.

Biocides are widely used for domestic hygiene, agricultural and industrial applications. Their widespread use has resulted in their introduction into the environment and raised concerns about potential deleterious effects on aquatic ecosystems. In this study, the toxicity of the biocides triclosan, penconazole and metalaxyl were evaluated with the freshwater bacterium Caulobacter crescentus and with a freshwater microbial community using a combination of single- and double-stain flow cytometric assays. Growth of C.  crescentus and the freshwater community were repressed by triclosan but not by penconazole or metalaxyl at concentrations up to 250 μM. The repressive effect of triclosan was dependent on culture conditions. Caulobacter crescentus was more sensitive to triclosan when grown with high glucose at high cell density than when grown directly in sterilized lake water at low cell density. This suggests that the use of conventional growth conditions may overestimate biocide toxicity. Additional experiments showed that the freshwater community was more sensitive to triclosan than C.  crescentus, with 10 nM of triclosan being sufficient to repress growth and change the phylogenetic composition of the community. These results demonstrate that isolate-based assays may underestimate biocide toxicity and highlight the importance of assessing toxicity directly on natural microbial communities. Because 10 nM of triclosan is within the range of concentrations observed in freshwater systems, these results also raise concerns about the risk of introducing triclosan into the environment.

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.

Evolutionary aspects of population structure for molecular and quantitative traits in the freshwater snail Radix balthica.

Detecting the action of selection in natural populations can be achieved using the QST-FST comparison that relies on the estimation of FST with neutral markers, and QST using quantitative traits potentially under selection. QST higher than FST suggests the action of directional selection and thus potential local adaptation. In this article, we apply the QST-FST comparison to four populations of the hermaphroditic freshwater snail Radix balthica located in a floodplain habitat. In contrast to most studies published so far, we did not detect evidence of directional selection for local optima for any of the traits we measured: QST calculated using three different methods was never higher than FST. A strong inbreeding depression was also detected, indicating that outcrossing is probably predominant over selfing in the studied populations. Our results suggest that in this floodplain habitat, local adaptation of R. balthica populations may be hindered by genetic drift, and possibly altered by uneven gene flow linked to flood frequency.

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.

A spatial modelling framework for assessing climate change impacts on freshwater ecosystems: Response of brown trout (Salmo trutta L.) biomass to warming water temperature

Mountain regions worldwide are particularly sensitive to on-going climate change. Specifically in the Alps in Switzerland, the temperature has increased twice as fast than in the rest of the Northern hemisphere. Water temperature closely follows the annual air temperature cycle, severely impacting streams and freshwater ecosystems. In the last 20 years, brown trout (Salmo trutta L) catch has declined by approximately 40-50% in many rivers in Switzerland. Increasing water temperature has been suggested as one of the most likely cause of this decline. Temperature has a direct effect on trout population dynamics through developmental and disease control but can also indirectly impact dynamics via food-web interactions such as resource availability. We developed a spatially explicit modelling framework that allows spatial and temporal projections of trout biomass using the Aare river catchment as a model system, in order to assess the spatial and seasonal patterns of trout biomass variation. Given that biomass has a seasonal variation depending on trout life history stage, we developed seasonal biomass variation models for three periods of the year (Autumn-Winter, Spring and Summer). Because stream water temperature is a critical parameter for brown trout development, we first calibrated a model to predict water temperature as a function of air temperature to be able to further apply climate change scenarios. We then built a model of trout biomass variation by linking water temperature to trout biomass measurements collected by electro-fishing in 21 stations from 2009 to 2011. The different modelling components of our framework had overall a good predictive ability and we could show a seasonal effect of water temperature affecting trout biomass variation. Our statistical framework uses a minimum set of input variables that make it easily transferable to other study areas or fish species but could be improved by including effects of the biotic environment and the evolution of demographical parameters over time. However, our framework still remains informative to spatially highlight where potential changes of water temperature could affect trout biomass. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.-

Decoupled evolution of floral traits and climatic preferences in a clade of Neotropical Gesneriaceae.

BACKGROUND: Major factors influencing the phenotypic diversity of a lineage can be recognized by characterizing the extent and mode of trait evolution between related species. Here, we compared the evolutionary dynamics of traits associated with floral morphology and climatic preferences in a clade composed of the genera Codonanthopsis, Codonanthe and Nematanthus (Gesneriaceae). To test the mode and specific components that lead to phenotypic diversity in this group, we performed a Bayesian phylogenetic analysis of combined nuclear and plastid DNA sequences and modeled the evolution of quantitative traits related to flower shape and size and to climatic preferences. We propose an alternative approach to display graphically the complex dynamics of trait evolution along a phylogenetic tree using a wide range of evolutionary scenarios. RESULTS: Our results demonstrated heterogeneous trait evolution. Floral shapes displaced into separate regimes selected by the different pollinator types (hummingbirds versus insects), while floral size underwent a clade-specific evolution. Rates of evolution were higher for the clade that is hummingbird pollinated and experienced flower resupination, compared with species pollinated by bees, suggesting a relevant role of plant-pollinator interactions in lowland rainforest. The evolution of temperature preferences is best explained by a model with distinct selective regimes between the Brazilian Atlantic Forest and the other biomes, whereas differentiation along the precipitation axis was characterized by higher rates, compared with temperature, and no regime or clade-specific patterns. CONCLUSIONS: Our study shows different selective regimes and clade-specific patterns in the evolution of morphological and climatic components during the diversification of Neotropical species. Our new graphical visualization tool allows the representation of trait trajectories under parameter-rich models, thus contributing to a better understanding of complex evolutionary dynamics.

Study and modelling of the effect of herbicides pulse exposure on freshwater microalgae

De plus en plus de substances chimiques sont émises et détectées dans l'environnement.Parmi ces substances, on trouve les herbicides qui sont utilisés en agriculture pour luttercontre la présence des mauvaises herbes. Après leur application sur les sols, les herbicidespeuvent être entrainés par les eaux de pluie jusque dans les ruisseaux et les rivières. Lesconcentrations de ces substances varient donc de manière importante dans les systèmesaquatiques en période de pluie ou en période de temps sec. Des pics élevés de concentrationssont suivis de période de concentrations très faibles ou nulles. Les herbicides présents dans lescours d'eau peuvent engendrer des effets toxiques sur les algues et les plantes aquatiques. Orles tests classiques d'écotoxicologie effectués en laboratoire sont réalisés en exposant lesespèces vivantes à des polluants de manière continue. Ils ne permettent donc pas d'évaluer leseffets des concentrations fluctuantes comme celles des herbicides. Le but de cette thèse estd'étudier et de modéliser les effets des concentrations fluctuantes d'herbicide sur les espècesde microalgues vertes Scenedesmus vacuolatus et Pseudokirchneriella subcapitata. Desexpériences en laboratoire ont également été effectuées dans le but de valider le modèle.Quatre herbicides ont été testés. Il s'agit de l'atrazine (utilisé jusqu'à récemment pour lemaïs), du diuron (utilisé dans la vigne), de l'isoproturon (utilisé pour les céréales) et du Smétolachlore(utilisé pour le maïs). Les résultats de ce travail de thèse indiquent que les effetsdes concentrations fluctuantes d'herbicide peuvent être modélisés sur des algues d'eau douce.Le modèle est relativement simple pour les inhibiteurs de la photosynthèse tels que l'atrazine,le diuron ou l'isoproturon. Il nécessite la connaissance de deux paramètres, le taux decroissance de l'algue sans polluant et la courbe dose-réponse pour chaque substance.Cependant, des expériences supplémentaires doivent être réalisées si la substance étudiéeinduit un délai de l'effet et du rétablissement ou si une algue est cultivée avec une autre alguedans le même milieu de croissance. Le modèle pourrait également être adapté pour tenircompte des mélanges de substances. Appliqué pour prédire les effets sur les algues descénarios réels, le modèle montre que les longs pics de concentrations jouent le rôle le plusimportant. Il est donc crucial de les mesurer lors du monitoring des cours d'eau. D'autre part,une évaluation du risque effectuée avec ce modèle montre que l'impact des pics deconcentrations sur les espèces les plus sensibles est total. Cela met en évidence, une fois deplus, l'importance de tenir compte de ces concentrations fluctuantes dans l'évaluation durisque environnemental des herbicides, mais également des autres polluants.

Divergence with gene flow and fine-scale phylogeographical structure in the wedge-billed woodcreeper, Glyphorynchus spirurus, a Neotropical rainforest bird.

Determining the relative roles of vicariance and selection in restricting gene flow between populations is of central importance to the evolutionary process of population divergence and speciation. Here we use molecular and morphological data to contrast the effect of isolation (by mountains and geographical distance) with that of ecological factors (altitudinal gradients) in promoting differentiation in the wedge-billed woodcreeper, Glyphorynchus spirurus, a tropical forest bird, in Ecuador. Tarsus length and beak size increased relative to body size with altitude on both sides of the Andes, and were correlated with the amount of moss on tree trunks, suggesting the role of selection in driving adaptive divergence. In contrast, molecular data revealed a considerable degree of admixture along these altitudinal gradients, suggesting that adaptive divergence in morphological traits has occurred in the presence of gene flow. As suggested by mitochondrial DNA sequence data, the Andes act as a barrier to gene flow between ancient subspecific lineages. Genome-wide amplified fragment length polymorphism markers reflected more recent patterns of gene flow and revealed fine-scale patterns of population differentiation that were not detectable with mitochondrial DNA, including the differentiation of isolated coastal populations west of the Andes. Our results support the predominant role of geographical isolation in driving genetic differentiation in G. spirurus, yet suggest the role of selection in driving parallel morphological divergence along ecological gradients.