Evolutionary and ecological significance of non-shivering thermogenesis in the common vole

La production endogène à long terme de chaleur, même au repos, est une adaptation que l'on retrouve chez les animaux à sang chaud (les oiseaux et les mammifères). Cette production de chaleur a comme but le maintien d'une température constante du corps indépendamment de la température extérieure. A cette fin, les mammifères ont développé une forme de tissu spécialisé nommé tissu adipeux brun (BAT). Ce tissu est responsable de la conversion de nourriture en chaleur, procédé appelé thermogenèse sans frisson (NST = non-shivering thermogenesis). Durant ce procédé la uncoupling protein 1 (UCP1) convertit, au sein des mitochondries, la nourriture en chaleur au lieu de produire de l'ATP, molécule utilisée comme énergie cellulaire. On suppose que cette inefficacité de la conversion de la nourriture en ATP dans le BAT influence l'homéostasie de l'énergie, l'allocation des ressources ainsi que la régulation de processus gourmant en énergie comme la croissance et la reproduction. Afin de maintenir une température du corps constante, les mammifères doivent ajuster leur NST en fonction de la température ambiante. La NST devrait être donc plus importante que la croissance et la reproduction durant l'hiver que lors l'été/à haute altitude qu'à basse altitude. En effet, plusieurs études ont déjà démontré la dépendance de la NST aux divers paramètres environnementaux. Par contre, l'héritabilité de la NST ainsi que sa relation avec d'autres traits de caractère, ne sont que très peu connus, ceci malgré l'importance d'une telle information afin de pouvoir comprendre son potentiel évolutif. L'étude de l'importance évolutive et écologique sur la NST chez les campagnols des champs (Microtus arvalis) fut donc le but cette thèse de doctorat. Grâce aux informations collectées sur 4 générations de campagnols (chapitre 1), une dépendance saisonnière et journalière de la NST a été démontrée: elle augmente lors des périodes froides et diminue lors de la lactation. On a démontré que bien qu'étant plastique, la variation de la NST a une composante génétique significative. Elle est corrélée avec le taux d'activité métabolique au repos indiquant des contraintes intrinsèques. A l'aide d'une expérience de jardin commune, on a pu démontrer dans le chapitre 2 que les campagnols habitant en altitude ont une capacité génétique de thermogenèse sans frisson plus haute que celles de basse altitude. Ils produisent des portées plus petites et leur descendance grandit moins vite, surtout à partir du 10ème jour ce qui coïncide avec le début de la production de chaleur endogène. En choisissant artificiellement des campagnols avec une NST faible ou grande, on a pu démontrer une relation entre la NST et la développement de la masse corporelle. Les campagnols avec une haute NST grandissent plus lentement et sont plus légères à l'âge adulte que celles ayant une basse NST. A l'aide d'un croisement interligne entre les campagnols sélectionnés (avec basse et haute NST), on a pu montrer dans le chapitre 3 des effets « parent-of-origin >> du développement massique de la descendance, indiquant une empreinte génétique parentale. Cela veut dire que l'expression d'un allele dépend de l'origine parentale. De plus, des effets « parent-of-origin » des taux de base de norépinephrine et d'irisine ont pu être trouvés. Ces hormones sont connues pour influencer non seulement la TSF mais aussi d'autres caractéristiques. Ces influences ouvrent la voie à de nouvelles études sur la relation entre la TSF et l'histoire de vie. Dans le chapitre 4 on a démontré des effets à long terme de l'allocation des ressources en manipulant la taille des portées qui ont abouti à des différences dans l'investissement dans la reproduction et de la croissance de la descendance à la fois dans le cas de la reproduction manipulé et aussi dans le non - manipulée entre les femelles avec portées agrandies et réduites. Ensemble, ces résultats mettent en évidence le rôle central de la NST dans l'allocation des ressources sur la base d'un compromis entre le maintien et la croissance et ainsi transforme l'histoire de vie des mammifères. Ces études montrent comment les mammifères peuvent répondre rapidement à court et à long terme (c'est-à-dire par des réponses génétiques ou plastiques) à un changement rapide du climat. On montre aussi qu'il y a probablement une corrélation entre l'histoire de vie et des changements du comportement. Finalement mes résultats ont montré un lien étroit entre la NST et la croissance et les dimensions du corps. Ces résultats indiquent que le tissu adipeux brun et la NST pourraient être une cible thérapeutique intéressante pour traiter l'obésité.

Contributions of pitch and bandwidth to sound-induced enhancement of visual cortex excitability in humans.

Multisensory interactions have been documented within low-level, even primary, cortices and at early post-stimulus latencies. These effects are in turn linked to behavioral and perceptual modulations. In humans, visual cortex excitability, as measured by transcranial magnetic stimulation (TMS) induced phosphenes, can be reliably enhanced by the co-presentation of sounds. This enhancement occurs at pre-perceptual stages and is selective for different types of complex sounds. However, the source(s) of auditory inputs effectuating these excitability changes in primary visual cortex remain disputed. The present study sought to determine if direct connections between low-level auditory cortices and primary visual cortex are mediating these kinds of effects by varying the pitch and bandwidth of the sounds co-presented with single-pulse TMS over the occipital pole. Our results from 10 healthy young adults indicate that both the central frequency and bandwidth of a sound independently affect the excitability of visual cortex during processing stages as early as 30 msec post-sound onset. Such findings are consistent with direct connections mediating early-latency, low-level multisensory interactions within visual cortices.

Tuning In to Sound: Frequency-Selective Attentional Filter in Human Primary Auditory Cortex.

Cocktail parties, busy streets, and other noisy environments pose a difficult challenge to the auditory system: how to focus attention on selected sounds while ignoring others? Neurons of primary auditory cortex, many of which are sharply tuned to sound frequency, could help solve this problem by filtering selected sound information based on frequency-content. To investigate whether this occurs, we used high-resolution fMRI at 7 tesla to map the fine-scale frequency-tuning (1.5 mm isotropic resolution) of primary auditory areas A1 and R in six human participants. Then, in a selective attention experiment, participants heard low (250 Hz)- and high (4000 Hz)-frequency streams of tones presented at the same time (dual-stream) and were instructed to focus attention onto one stream versus the other, switching back and forth every 30 s. Attention to low-frequency tones enhanced neural responses within low-frequency-tuned voxels relative to high, and when attention switched the pattern quickly reversed. Thus, like a radio, human primary auditory cortex is able to tune into attended frequency channels and can switch channels on demand.

Ecological niche overlap in sister species: how do oil-collecting bees Macropis europaea and M. fulvipes (Hymenoptera: Melittidae) avoid competition and hybridization?

Oil-collecting bees are found worldwide and always in association with particular oil-producing flowers. In the Western Palearctic, three oil-collecting bee species within the genus Macropis (Hymenoptera, Melittidae) interact in a tight pollination mutualism with species of the only European oil-producing plant genus Lysimachia L. (Myrsinaceae). Two of these oil-collecting bees (Macropis europaea and Macropis fulvipes) show overlapping geographic distributions, comparable morphologies, and similar ecological characteristics (e.g., habitat type, floral preferences). In view of these similarities, we presume that hybridization should occur between the two species unless potential variation among the species' ecological niches prevents it, simultaneously decreasing competition for resources. Using modern genetic analyses and ecological niche modeling on a large bee sampling throughout Europe, we discuss new perspectives on the ecology and evolutionary history of this mutualism.

Location-independent and location-linked representations of sound objects.

For the recognition of sounds to benefit perception and action, their neural representations should also encode their current spatial position and their changes in position over time. The dual-stream model of auditory processing postulates separate (albeit interacting) processing streams for sound meaning and for sound location. Using a repetition priming paradigm in conjunction with distributed source modeling of auditory evoked potentials, we determined how individual sound objects are represented within these streams. Changes in perceived location were induced by interaural intensity differences, and sound location was either held constant or shifted across initial and repeated presentations (from one hemispace to the other in the main experiment or between locations within the right hemispace in a follow-up experiment). Location-linked representations were characterized by differences in priming effects between pairs presented to the same vs. different simulated lateralizations. These effects were significant at 20-39 ms post-stimulus onset within a cluster on the posterior part of the left superior and middle temporal gyri; and at 143-162 ms within a cluster on the left inferior and middle frontal gyri. Location-independent representations were characterized by a difference between initial and repeated presentations, independently of whether or not their simulated lateralization was held constant across repetitions. This effect was significant at 42-63 ms within three clusters on the right temporo-frontal region; and at 165-215 ms in a large cluster on the left temporo-parietal convexity. Our results reveal two varieties of representations of sound objects within the ventral/What stream: one location-independent, as initially postulated in the dual-stream model, and the other location-linked.

Modelling ecological niches with support vector machines

1. The ecological niche is a fundamental biological concept. Modelling species' niches is central to numerous ecological applications, including predicting species invasions, identifying reservoirs for disease, nature reserve design and forecasting the effects of anthropogenic and natural climate change on species' ranges. 2. A computational analogue of Hutchinson's ecological niche concept (the multidimensional hyperspace of species' environmental requirements) is the support of the distribution of environments in which the species persist. Recently developed machine-learning algorithms can estimate the support of such high-dimensional distributions. We show how support vector machines can be used to map ecological niches using only observations of species presence to train distribution models for 106 species of woody plants and trees in a montane environment using up to nine environmental covariates. 3. We compared the accuracy of three methods that differ in their approaches to reducing model complexity. We tested models with independent observations of both species presence and species absence. We found that the simplest procedure, which uses all available variables and no pre-processing to reduce correlation, was best overall. Ecological niche models based on support vector machines are theoretically superior to models that rely on simulating pseudo-absence data and are comparable in empirical tests. 4. Synthesis and applications. Accurate species distribution models are crucial for effective environmental planning, management and conservation, and for unravelling the role of the environment in human health and welfare. Models based on distribution estimation rather than classification overcome theoretical and practical obstacles that pervade species distribution modelling. In particular, ecological niche models based on machine-learning algorithms for estimating the support of a statistical distribution provide a promising new approach to identifying species' potential distributions and to project changes in these distributions as a result of climate change, land use and landscape alteration.

Ecological-niche factor analysis: how to compute habitat-suitability maps without absence data?

We propose a multivariate approach to the study of geographic species distribution which does not require absence data. Building on Hutchinson's concept of the ecological niche, this factor analysis compares, in the multidimensional space of ecological variables, the distribution of the localities where the focal species was observed to a reference set describing the whole study area. The first factor extracted maximizes the marginality of the focal species, defined as the ecological distance between the species optimum and the mean habitat within the reference area. The other factors maximize the specialization of this focal species, defined as the ratio of the ecological variance in mean habitat to that observed for the focal species. Eigenvectors and eigenvalues are readily interpreted and can be used to build habitat-suitability maps. This approach is recommended in Situations where absence data are not available (many data banks), unreliable (most cryptic or rare species), or meaningless (invaders). We provide an illustration and validation of the method for the alpine ibex, a species reintroduced in Switzerland which presumably has not yet recolonized its entire range.

Effect of spatial processes on the evolution of ecological niches and dispersal in metacommunity systems

RésuméLa coexistence de nombreuses espèces différentes a de tout temps intrigué les biologistes. La diversité et la composition des communautés sont influencées par les perturbations et l'hétérogénéité des conditions environnementales. Bien que dans la nature la distribution spatiale des conditions environnementales soit généralement autocorrélée, cet aspect est rarement pris en compte dans les modèles étudiant la coexistence des espèces. Dans ce travail, nous avons donc abordé, à l'aide de simulations numériques, la coexistence des espèces ainsi que leurs caractéristiques au sein d'un environnement autocorrélé.Afin de prendre en compte cet élément spatial, nous avons développé un modèle de métacommunauté (un ensemble de communautés reliées par la dispersion des espèces) spatialement explicite. Dans ce modèle, les espèces sont en compétition les unes avec les autres pour s'établir dans un nombre de places limité, dans un environnement hétérogène. Les espèces sont caractérisées par six traits: optimum de niche, largeur de niche, capacité de dispersion, compétitivité, investissement dans la reproduction et taux de survie. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'influence de l'autocorrélation spatiale et des perturbations sur la diversité des espèces et sur les traits favorisés dans la métacommunauté. Nous avons montré que l'autocorrélation spatiale peut avoir des effets antagonistes sur la diversité, en fonction du taux de perturbations considéré. L'influence de l'autocorrélation spatiale sur la capacité de dispersion moyenne dans la métacommunauté dépend également des taux de perturbations et survie. Nos résultats ont aussi révélé que de nombreuses espèces avec différents degrés de spécialisation (i.e. différentes largeurs de niche) peuvent coexister. Toutefois, les espèces spécialistes sont favorisées en absence de perturbations et quand la dispersion est illimitée. A l'opposé, un taux élevé de perturbations sélectionne des espèces plus généralistes, associées avec une faible compétitivité.L'autocorrélation spatiale de l'environnement, en interaction avec l'intensité des perturbations, influence donc de manière considérable la coexistence ainsi que les caractéristiques des espèces. Ces caractéristiques sont à leur tour souvent impliquées dans d'importants processus, comme le fonctionnement des écosystèmes, la capacité des espèces à réagir aux invasions, à la fragmentation de l'habitat ou aux changements climatiques. Ce travail a permis une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la coexistence et des caractéristiques des espèces, ce qui est crucial afin de prédire le devenir des communautés naturelles dans un environnement changeant.AbstractUnderstanding how so many different species can coexist in nature is a fundamental and long-standing question in ecology. Community diversity and composition are known to be influenced by heterogeneity in environmental conditions and disturbance. Though in nature the spatial distribution of environmental conditions is frequently autocorrelated, this aspect is seldom considered in models investigating species coexistence. In this work, we thus addressed several questions pertaining to species coexistence and composition in spatially autocorrelated environments, with a numerical simulations approach.To take into account this spatial aspect, we developed a spatially explicit model of metacommunity (a set of communities linked by dispersal of species). In this model, species are trophically equivalent, and compete for space in a heterogeneous environment. Species are characterized by six life-history traits: niche optimum, niche breadth, dispersal, competitiveness, reproductive investment and survival rate. We were particularly interested in the influence of environmental spatial autocorrelation and disturbance on species diversity and on the traits of the species favoured in the metacommunity. We showed that spatial autocorrelation can have antagonistic effects on diversity depending on disturbance rate. Similarly, spatial autocorrelation interacted with disturbance rate and survival rate to shape the mean dispersal ability observed in the metacommunity. Our results also revealed that many species with various degrees of specialization (i.e. different niche breadths) can coexist together. However specialist species were favoured in the absence of disturbance, and when dispersal was unlimited. In contrast, high disturbance rate selected for more generalist species, associated with low competitive ability.The spatial structure of the environment, together with disturbance and species traits, thus strongly impacts species diversity and, more importantly, species composition. Species composition is known to affect several important metacommunity properties such as ecosystem functioning, resistance and reaction to invasion, to habitat fragmentation and to climate changes. This work allowed a better understanding of the mechanisms responsible for species composition, which is of crucial importance to predict the fate of natural metacommunities in changing environments

The role of community and population ecology in applying mycorrhizal fungi for improved food security.

The global human population is expected to reach ∼9 billion by 2050. Feeding this many people represents a major challenge requiring global crop yield increases of up to 100%. Microbial symbionts of plants such as arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) represent a huge, but unrealized resource for improving yields of globally important crops, especially in the tropics. We argue that the application of AMF in agriculture is too simplistic and ignores basic ecological principals. To achieve this challenge, a community and population ecology approach can contribute greatly. First, ecologists could significantly improve our understanding of the determinants of the survival of introduced AMF, the role of adaptability and intraspecific diversity of AMF and whether inoculation has a direct or indirect effect on plant production. Second, we call for extensive metagenomics as well as population genomics studies that are crucial to assess the environmental impact that introduction of non-local AMF may have on native AMF communities and populations. Finally, we plead for an ecologically sound use of AMF in efforts to increase food security at a global scale in a sustainable manner.