Habitat fragmentation, ecology and sexual selection in forest bird species in Monteverde, Costa Rica

Abstract Forest fragmentation is often associated with local extinction and changes in species abundance patterns. The main topic of this thesis is the effect of forest fragmentation on birds in Monteverde, Costa Rica. This thesis also studies aspects of sexual selection and ecology of Long-tailed Manakins, Chiroxiphia Linearis. Chapter 1 investigates bird species assemblages in two degrees of forest fragmentation. It is shown that the distribution, abundance and diversity of forest bird species are strongly influenced by the amount of forest in the landscape matrix. Presence of cattle within the forest influences the presence of some bird species. The prevalence and intensity of ticks and blood parasites on birds in relation to fragmentation is described in Chapter 2. Overall tick prevalence is 3%. Understory birds are significantly more infested with ticks than species at intermediate heights. Tick prevalence on birds does not differ significantly between two degrees of forest fragmentation and individual tick loads tend to be higher in High- than in Low-fragmentation sites. Infestations by the blood parasites Haemoproteus sp. was low except in white-eared ground sparrow, Melozone leucotis, that is 28% and is significantly higher in High- than in Low-fragmentation sites. In chapter 3 results on the ecology and habitat movements of the Bare-necked Umbrellabird, Cephalopterus glabricollis, are presented. The abundance of umbrellabirds at high elevations during the breeding season coincides with the highest peak of fruit abundance. Birds leave the protected area during the non-breeding season moving to unprotected forest fragments. In chapter 4 ontogenetic changes in feather morphology through sexual maturity in Long-tailed Manakins are described. In adult males, rectrices length is positively correlated to testis volume. Changes in male morphology during ontogeny in the long-tailed manakin appear to be associated with their specific-display behaviours. Significant interpopulation differences in the morphology of Long-tailed Manakins are shown in chapter 5. These differences are more accentuated in morphological traits related to flight displays. A field experiment demonstrates that long rectrices impose flying costs for males and females. A reduction in flying ability was found to be strongest in males from a population presenting the highest degree of sexual dimorphism. Résumé La fragmentation des forêts est souvent associée avec des modifications dans l'abondance des espèces et des extinctions locales. Le thème principale de cette thèse est l'étude de l'effet de la fragmentation des forêts sur les oiseaux de Monteverde, Costa Rica. Elle décrit par ailleurs certains aspects de la sélection sexuelle et l'écologie du manakin à longue queue, Chiroxiphia linearis. Dans le Chapitre 1 je montre que la distribution, l'abondance et la diversité des assemblages d'oiseaux vivant dans la forêt sont fortement influencées pas le degré de fragmentation de celle ci. Par ailleurs, la présence ou l'absence de bétail dans les forêts influence la présence de certaines espèces d'oiseaux. Dans le chapitre 2 j'ai étudié la prévalence et l'intensité d'infestation par des tiques ainsi que la présence de parasites sanguins chez les oiseaux en relation avec la fragmentation des forêts. La prévalence globale de tiques est de 3 %, les oiseaux vivant au niveau du sol étaient plus souvent infectés par des tiques que les espèces se déplaçant à un niveau plus élevé. La prévalence de tiques sur les oiseaux n'était pas significativement différente entre les paysages avec différentes fragmentations. Les parasites sanguins du genre Haemoproteus sp. étaient présents à très basse fréquence à l'exception chez Melozone leucotis ou la prevalence était de 28% et significativement plus élevée chez les oiseaux vivant dans les forêts à forte fragmentation. Dans le Chapitre 3 je présente des résultats sur l'écologie et les mouvements entre habitats chez le "Bare-necked umbrellabird", Cephalopterus glabricollis. Cette espèce endémique du Costa Rica niche à haute altitude durant la période d'abondance des fruits et réalise une migration altitudinale vers des zones basses durant la saison de non reproduction. Dans le chapitre 4 je présente les changements ontogénétiques dans la morphologie du plumage des manakins à longue queue. Chez les mâles, les changements de morphologie semblent être associés avec leurs comportements de parade spécifiques. Dans le chapitre 5 je présente des différences morphologiques significative entre deux populations chez le manakin à longue queue et je montre que la capacité de vols chez les mâles est plus fortement influencée dans la population avec le degré de dimorphisme sexuel le plus prononcé.

Evolutionary ecology of the colour-dimorphic rewardless orchid "Dactylorhiza sambucina"

Abstract Phenotypic polymorphism is an ideal system to study natural selection in wild populations, because it allows tracking population genetic changes by means of phenotypic changes. A wide variety of polymorphic traits have been studied in numerous animals and plants, as for example colour patterns in moths, snails and birds, human laterality, male reproductive strategies, plant morphology or mating systems. This thesis focused on Dactylorhiza sarnbucina, a rewardless European orchid species, showing a striking flower colour polymorphism, with either yellow or red flowered individuals co-occurring in natural populations. Several studies have investigated its evolutionary ecology since Nilsson's seminal paper in 1980, with a particular emphasis in the evolution and maintenance of its colour polymorphism. One of the main selective forces proposed to maintain this colour polymorphism was pollinator driven negative frequency-dependent selection (NFDS), when each morph is advantaged when rare, and comparatively disadvantaged when common. However, other investigators have recently questioned the occurrence of NFDS, and proposed alternatively that fluctuating selection may maintain this colour polymorphism. In this thesis, we aimed at reviewing and synthesizing these different studies, and also brought our contribution on D. sambucina reproductive ecology. Because numerous hypotheses have still to be tested, we concluded by saying that we are a long way from understanding the evolution and dynamics of colour polymorphism in natural D. sambucina populations. Beside the debated question of colour polymorphism maintenance, one question remained to be tested: what are the consequences of polymorphism per se. We experimentally addressed this question using artificial populations of D. sambucina, and found no relationship between population phenotypic diversity and orchid pollination success. This finding suggest that polymorphism itself was not an advantage for deceptive species such D sambucina, contrarily to the expectations. Finally, we suggest potential research perspectives that could allow a better understanding of the evolutionary ecology of this species. Résumé Le polymorphisme phénotypique est un système biologique idéal pour étudier l'action de la sélection en populations naturelles, grâce à la possibilité de suivre les changements génétiques de la population en étudiant les phénotypes des individus. De très nombreuses études ont montré du polymorphisme phénotypique chez les animaux, par exemple la latéralité chez l'Homme, la coloration des escargots ou des oiseaux. Dans le règne végétal, le polymorphisme est souvent associé à des traits du système de reproduction. Cette thèse est centrée sur une espèce d'orchidée Européenne qui ne produit pas de nectar, Dactylorhiza sambucina. Cette espèce présente des individus à fleurs jaunes et des individus à fleurs rouge, généralement présents en mélange dans les populations naturelles. Plusieurs études ont investigué l'écologie évolutive de cette espèce depuis 25 ans, avec comme thème central l'évolution et le maintien de ce polymorphisme. La principale force sélective proposée pour maintenir ce polymorphisme de couleur est la sélection fréquence-dépendante, exercée par le comportement des pollinisateurs. Chacun des deux variants de couleur est favorisé quand il est rare, et défavorisé quand il devient commun. Bien que ce mécanisme semble agir, certains auteurs doutent de son importance, et ont proposé que les variations temporelles ou spatiales des forces de sélection puisse maintenir le polymorphisme de couleur chez D. sambucina. Dans cette thèse, nous avons voulu résumer et synthétiser les résultats de ces différentes études, et aussi présenter des données nouvelles concernant la reproduction de cette espèce. À la vue de ces résultats, il apparait que de nombreux points nécessitent des expériences complémentaires, et que la compréhension de ce système biologique est encore fragmentaire. Nous nous sommes également intéressés à une question laissée en suspens dans la littérature: le polymorphisme de couleur en soit confère-t-il un avantage à l'espèce, comme proposé par certains auteurs? En construisant des populations artificielles de D. sambucina, nous avons pu montrer que le polymorphisme de couleur n'augmente pas le succès reproducteur de l'espèce. Nous terminons ce travail de recherche en proposant plusieurs axes de recherche pouvant conduire à une meilleure compréhension de l'écologie et de l'évolution de cette espèce.

Architectural features of bacterial genomes and their applications

Résumé -Caractéristiques architecturales des génomes bactériens et leurs applications Les bactéries possèdent généralement un seul chromosome circulaire. A chaque génération, ce chromosome est répliqué bidirectionnellement, par deux complexes enzymatiques de réplication se déplaçant en sens opposé depuis l'origine de réplication jusqu'au terminus, situé à l'opposé. Ce mode de réplication régit l'architecture du chromosome -l'orientation des gènes par rapport à la réplication, notamment - et est en grande partie à l'origine des pressions qui provoquent la variation de la composition en nucléotides du génome, hors des contraintes liées à la structure et à la fonction des protéines codées sur le chromosome. Le but de cette thèse est de contribuer à quantifier les effets de la réplication sur l'architecture chromosomique, en s'intéressant notamment aux gènes des ARN ribosomiques, cruciaux pour la bactérie. D'un autre côté, cette architecture est spécifique à l'espèce et donne ainsi une «identité génomique » aux gènes. Il est démontré ici qu'il est possible d'utiliser des marqueurs «naïfs » de cette identité pour détecter, notamment dans le génome du staphylocoque doré, des îlots de pathogénicité, qui concentrent un grand nombre de facteurs de virulence de la bactérie. Ces îlots de pathogénicité sont mobiles, et peuvent passer d'une bactérie à une autre, mais conservent durant un certain temps l'identité génomique de leur hôte précédent, ce qui permet de les reconnaître dans leur nouvel hôte. Ces méthodes simples, rapides et fiables seront de la plus haute importance lorsque le séquençage des génomes entiers sera rapide et disponible à très faible coût. Il sera alors possible d'analyser instantanément les déterminants pathogéniques et de résistance aux antibiotiques des agents pathogènes. Summary The bacterial genome is a highly organized structure, which may be referred to as the genome architecture, and is mainly directed by DNA replication. This thesis provides significant insights in the comprehension of the forces that shape bacterial chromosomes, different in each genome and contributing to confer them an identity. First, it shows the importance of the replication in directing the orientation of prokaryotic ribosomal RNAs, and how it shapes their nucleotide composition in a tax on-specific manner. Second, it highlights the pressure acting on the orientation of the genes in general, a majority of which are transcribed in the same direction as replication. Consequently, apparent infra-arm genome rearrangements, involving an exchange of the leading/lagging strands and shown to reduce growth rate, are very likely artifacts due to an incorrect contig assembly. Third, it shows that this genomic identity can be used to detect foreign parts in genomes, by establishing this identity for a given host and identifying the regions that deviate from it. This property is notably illustrated with Staphylococcus aureus: known pathogenicity islands and phages, and putative ancient pathogenicity islands concentrating many known pathogenicity-related genes are highlighted; the analysis also detects, incidentally, proteins responsible for the adhesion of S. aureus to the hosts' cells. In conclusion, the study of nucleotide composition of bacterial genomes provides the opportunity to better understand the genome-level pressures that shape DNA sequences, and to identify genes and regions potentially related to pathogenicity with fast, simple and reliable methods. This will be of crucial importance when whole-genome sequencing will be a rapid, inexpensive and routine tool.

Identification des dermatophytes causant des teignes de la peau glabre (Tinea glabra) et du cuir chevelu (Tinea capitis) par PCR

Contexte: Le nombre de teignes du cuir chevelu et de la peau glabre étant en nette augmentation, l'identification du pathogène qui est indispensable pour un traitement ciblé, a, par conséquence, un grand intérêt pour la santé publique. Dans divers cas, un animal de compagnie peut être identifié en tant que source du pathogène. La fréquence de cultures restant stériles est particulièrement élevée en cas de prétraitement antifongique. Objectif: Le but de ce travail est de mettre au point une méthode rapide d'identification du dermatophyte pathogène in situ par PCR/séquençage dans les cas de teignes du cuir chevelu et/ou de la peau glabre. Matériel et méthodes : De l'ADN a été extrait de squames (N=5) et cheveux (N=21) dont l'examen direct démontrait une infection fongique (N=26) ou se révèlait négatif (N=1). Ensuite, une première PCR du segment 28s de l'ADN ribosomale fongique a été effectuée, suivie par une PCR nichée intérieure à ce segment. L'amplicon a été séquencé et le champignon est identifié par alignement. Résultats : Seule la PCR enchainée a permis d'obtenir une quantité suffisante d'amplicon pour permettre le séquençage. Dans 4 cas sur 5 de tinea pedis, 10 sur 12 de tinea glabra, respectivement 4 sur 4 de tinea capitis, dans lesquels un dermato- phyte a été identifié en culture, le même dermatophyte a été identifié par PCR/séquençage. Une fois sur 27 prélèvements, un autre dermatophyte a été identifié par PCR/séquençage. Ce résultat pourrait être dû à une fausse identification du champignon en culture. Dans un cas de tinea pedis et un cas de tinea corporis, la culture est restée stérile, mais un dermatophyte a pu être identifié par PCR et séquençage. Conclusions : La méthode décrite est à la fois rapide (24 h au lieu de deux semaines pour la culture), sensible et très spécifique. Elle est particulièrement utile dans les cas de teigne du cuir chevelu, dans lesquels le traitement est différent selon l'espèce de dermatophyte et où il s'agit d'un traitement systémique lourd, souvent chez l'enfant.

Population genetic structure in the native and introduced range of the Argentine ant/

SUMMARY : The evolution of animal societies, where some individuals forego their own reproductive opportunities to help others to reproduce, poses an evolutionary paradox that can be traced back to Darwin. Altruism may evolve through kin selection when the donor and recipient of altruistic acts are related to each other. In social insects, workers are generally highly related to the brood they rear when colonies are headed by a single queen. Yet some ants have an extraordinary social organization, called unicoloniality, whereby individuals from separate nests mix freely to form large supercolonies, which in some cases extend over hundreds of km. These supercolonies are characterised by a high number of queens (polygyny) and an absence of clear colony boundaries. This type of social organization represents an evolutionary paradox because relatedness between nestmates is effectively zero. In such conditions, kin selection cannot account for the evolution of reproductive altruism. Moreover, unicoloniality is thought to be unstable over time, because workers that can no longer aid close relatives may evolve more selfish strategies. The Argentine ant (Linepithema humile) is a highly invasive species listed among the hundred world's worst invaders by the UICN. Native from South America, L. humile has been accidentally introduced throughout the world. Native populations have been described as noninvasive with a family-based organization. In contrast, within its introduction range, they form unicolonial supercolonies that contain numerous nests without intraspecific aggression. The development of such unicolonial populations has been explained as a direct consequence of the ant's introduction into a new habitat, favouring a transition from family-based to open colonies. To determine if the social structure of the Argentine ant is fundamentally different between the native and the introduced range, we studied genetically and behaviourally native and introduced populations of L. humile over different geographic scales. Our results clearly indicated that there are no fundamental differences in the social organisation of the Argentine ant between the two ranges. Our investigations revealed that, contrary to previous claims, native populations have a unicolonial social organisation very similar to that observed in the introduced range. Consequently, the unicolonial social structure of the Argentine ant does not stem from a shift in social organization associated with introduction into new habitats but evolved in the native range and is likely a stable, evolutionarily ancient adaptation to the local environment. Our study on native populations of L. humile also gave important insight in the comprehension of the evolution of unicoloniality in the Argentine ant. Native supercolonies are relatively small compared to introduced ones and may co-habit in a same population. These supercolonies are genetically highly differentiated leading to a significant relatedness among nestmate workers when the different supercolonies of a population are taken as a reference population. This provides the necessary conditions for loin selection to operate. Furthermore, we examined a native population over time, which revealed a high supercolony extinction rate. If more competitive supercolonies are more likely to survive or replace other supercolonies, a subtle dynamical process between the spread of selfish traits within supercolony and the selective elimination of supercolonies with such traits may allow a stable equilibrium and the persistence of unicoloniality over time. Finally, a worldwide study of the Argentine ant showed that the introduced supercolonies originate from numerous independent introduction events. In conclusion, the success of the Argentine ant does not stem from a shift in social organization associated with its introduction into new habitats, but is most probably explained by the intrinsic characteristics developed in its native range. RESUME : L'altruisme de reproduction où certains individus renoncent à leur propre reproduction pour aider d'autres individus à se reproduire constitue l'un des plus grand paradoxe de l'évolution. En effet, comment expliquer l'évolution de comportements qui tendent à augmenter les chances de survie et le succès reproductif d'autres individus, alors que ces actes diminuent l'aptitude de leurs auteurs ? La théorie de la sélection de parentèle permet de résoudre ce problème. Cette théorie stipule qu'en aidant de proches parents à se reproduire, les individus peuvent promouvoir indirectement la transmission de copies de leurs propres gènes à la génération suivante. Chez les insectes sociaux, l'altruisme des ouvrières s'explique par la théorie de sélection de parentèle lorsque les colonies sont monogynes (constituées d'une seule reine) puisque les ouvrières sont fortement apparentées aux couvains dont elles s'occupent. Par contre, les espèces dites unicoloniales, dont les colonies forment des réseaux de nids appelés supercolonies, représentent toujours un paradoxe pour les théories de l'évolution puisque l'apparentement entre les différents individus d'un nid est nulle. De plus, l'unicolonialité ne devrait pas être stable sur le long terme parce que les ouvrières qui ne s'occupent plus de leur apparentés devraient développer des stratégies plus égoïstes au cours du temps. La fourmi d'Argentine (Linepithema humile) est une espèce invasive ayant un impact considérable sur son environnement. Originaire d'Amérique du Sud, elle a été introduite dans pratiquement toutes les régions du monde dont le climat est de type méditerranéen. Son incroyable succès invasif s'explique par sa structure sociale unicoloniale observée dans chacun des pays où elle a été introduite. Par contre, les rares études effectuées en Argentine ont suggéré que la fourmi d'Argentine n'était pas unicoloniale dans son aire native. L'unicolonialité chez la fourmi d'Argentine était donc considéré comme une conséquence de son introduction dans de nouveaux environnements. Durant cette thèse, nous avons vérifié si la structure sociale de cette espèce différait fondamentalement entre l'aire native et introduite. Pour cela, nous avons étudié, à différentes échelles géographiques, des populations introduites et argentines avec une approche génétique et comportementale. L'ensemble de nos résultats montrent que les différences entre les deux structure sociales ne sont pas aussi importantes que ce que l'on imaginait. Les populations natives sont aussi constituées de réseaux de nids coopérants. La taille de ses supercolonies est toutefois bien moins importante en Argentine et il n'est pas rare de trouver plusieurs supercolonies cohabitantes dans une même population. Nous avons démontré que ces réseaux de nids étaient constitués d'individus qui sont plus apparentés entre eux qu'ils ne le sont avec les individus d'autres supercolonies, ainsi l'unicolonialité dans son aire d'origine ne représente pas un réel paradoxe pour les théories de l'évolution. Finalement nous avons étudié la même population en Argentine à six ans d'intervalle et avons constaté que les supercolonies avaient un taux de survie très faible ce qui pourrait expliquer la stabilité de l'unicolonialité au cours du temps. Si les supercolonies les plus compétitives survivent mieux que les supercolonies dans lesquelles apparaissent des traits égoïstes, on devrait alors observer une dynamique entre l'apparition de traits égoïstes et l'élimination des supercolonies dans lesquelles ces traits égoïstes évolueraient. Finalement, une étude mondiale nous a montré que les supercolonies étaient originaires de nombreux événements d'introductions indépendants. En conclusion, le succès invasif de la fourmi d'Argentine n'est donc pas dû à un changement de comportement associé à son introduction mais est lié aux caractéristiques qu'elle a développées en Argentine.

La spéciation écologique racontée au travers de l'étude de l'évolution des poissons-clowns et de quelques autres

Ecological speciation and its hallmark, adaptive radiation is a process from which most of the current biodiversity derives. As ecological opportunity allows species to colonise unoccupied niches, natural selection drives adaptive phenotypical change. In this thesis, I begin by describing how this evolutionary process acted on the evolution of the clownfishes. During its infancy, this iconic group of coral reef fishes developed a mutualism with sea anemone species. I show how this event triggered the evolutionary radiation of the group, generating species that now inhabit diverse habitats of the coral reefs. Following the appearance of the mutualism, the diversification of the clownfish was catalysed by hybridisation events which shuffled genes, allowing hybrids to reach new fitness optima. While the clownfishes appeared in the region of the coral triangle, a lineage colonised the eastern shores of Africa. I reconstructed the geographic history of the group and showed that this event lead to the rapid appearance of new species, replicating the evolutionary patterns of the original radiation. To better grasp the mechanisms of ecological speciation, I conducted analyses at the population level and identified similar evolutionary patterns than found at the clade level. I discuss how such result suggests a continuity bridging micro- and macroevolution, which so far only been theorised. In parallel to this study case, I question whether biotic and abiotic interactions can promote or restrain ecological speciation. Indeed, I show how the ecological setting of species can drastically impact on their diversification dynamics. Moreover, tradeoffs can occur between specialisation made on different ecological axes allowing species cohabitation. Overall, I show in this work that regardless of the few simple rules that explain the mechanism of ecological speciation, the unavoidable interactions with the ever changing ecological context lead diversification events to give always a different outcome. It is thus primordial to account for the ecological settings of species when discussing their evolutionary dynamics. LA SPÉCIATION ÉCOLOGIQUE RACONTÉE AU TRAVERS DE L'ÉTUDE DE L'ÉVOLUTION DES POISSONS-CLOWNS ET DE QUELQUES AUTRES Le phénomène de spéciation écologique est à l'origine de la majeure partie de la biodiversité que l'on rencontre aujourd'hui. Au fil des opportunités qu'elles rencontrent, les espèces colonisent l'espace écologique laissant la sélection naturelle forger leur phénotype moyen. Malgré l'omniprésence de ce phénomène dans la nature, beaucoup de questions qui lui sont relatives restent à élucider. C'est afin de mieux comprendre ce mécanisme que j'étudie les poissons-clowns, célèbres habitants des récifs coralliens. Dans ce travail, je démontré que le développement du comportement mutualiste liant les poissons-clowns aux anémones de mer fut l'événement qui déclencha leur diversification. Suite à ce premier événement, j'illustre comment l'hybridation entre lignées primordiales a remodelé la diversité génétique du groupe et catalysé leur radiation évolutive. Je poursuis en reconstruisant l'expansion géographique des poissons-clowns au cours du temps depuis le triangle de corail, leur lieu d'origine, jusqu'aux côtes d'Afrique de l'Ouest. Afin d'affiner ces analyses générales sur le groupe, je continue en étudiant plus finement des populations d'une seule espèce de poisson-clown. Cette fine résolution me permet de comprendre plus précisément quels sont les facteurs écologiques qui permettent aux poissons-clowns de se différencier. Les résultats de ces analyses suggèrent qu'il est important de comprendre les liens entre le contexte écologique et la diversification des espèces. J'étudie cette question dans la seconde partie de ce travail en montrant que l'hétérogénéité du paysage ou les liens entretenus avec un partenaire mutualiste influencent fortement la dynamique évolutive des espèces. Finalement, j'illustre les compromis que chaque espèce réalise en se spécialisant ou non dans ses interactions avec l'environnent. Plus généralement, je souligne dans ce travail l'influence du contexte écologique sur le résultat de la spéciation écologique. Ce sont ces interactions entre les organismes et leur environnent qui sont à l'origine de l'incroyable diversité de la vie. Il est donc primordial de les prendre en compte lors de l'étude de l'évolution des espèces.

The role of vectors in the epidemiology of avian malaria

Studies on host-parasite relationships have commonly reported that parasitized hosts undergo changes in their behavioural and life history traits. How do these changes affect the fitness of the hosts? What are the ecological and evolutionary drivers of these changes? These open questions are crucial to predict the parasite spread amongst hosts. Surprisingly, mosquito vectors of diseases to humans and animals have long been seen as passive parasite transporters, being unaffected by the infection though they also function as hosts. Natural parasite-vector interactions are therefore poorly documented in the literature. In this thesis, we seek to address the role of wild vectors in the epidemiology of avian Plasmodium, the etiological agents of malaria in birds. We first conducted avian malaria surveys in field-caught mosquitoes to identify the natural vectors in our temperate study area. We report that ornithophilic Culex pipiens primarily act as a vector for Plasmodium vaughani in spring, this parasite species being progressively replaced by P. relictum along with the season. Season-related factors may thus shape the mosquitoes' vectorial capacity. We then used experimental approaches to determine the effect of avian malaria on wild, naturally infected C. pipiens. We show that infected mosquitoes incur unavoidable physiological costs associated with parasite exploitation, these costs being expressed as a reduced survival under nutritionally stressed conditions only. These results are of significant importance for the epidemiology of avian malaria since seasonal changes in climate may likely influence food quality and quantity available to the mosquitoes. The host-selection preferences of the vectors with respect to the malaria-infection status of their bird hosts largely determine the disease spreading. In a second laboratory experiment, we thus offered wild C. pipiens the opportunity to choose between uninfected and naturally infected great tits, Parus major. We show that host-seeking mosquitoes have innate orientation preferences for uninfected birds. This suggests that avian malaria parasites exert strong selective pressures on their vectors, pushing them to evolve anti-parasite behaviours. We lastly investigated the links between malaria-associated symptoms in birds and resulting attractiveness to the mosquitoes. We show that experimentally malaria-infected canaries, Serinus canaria, suffer severe haematocrit reduction at peak parasitaemia and reduced basal metabolic rate later in the course of the infection. However, no links between infection and bird attractiveness to the mosquitoes were shown in an experiment using canaries as live bait for mosquito trap in the field. These links may have been masked by confounding environmental factors. Using a system where the vectors, parasites and hosts co-occur in sympatry, this thesis illustrates that vectors are not always Plasmodium permissive, which opposes to the traditional view that malaria parasites should have little effect on their vectors. The way that the vectors respond to the parasite threat is largely determined by the environmental conditions. This may have major implications for the epidemiology of avian malaria. - Les études portant sur les relations hôtes-parasites mentionnent souvent que les hôtes parasités subissent des modifications de leurs traits d'histoire de vie ou bien comportementaux. Comment ces changements affectent-ils la valeur sélective des hôtes et celle de leurs parasites ? Quels sont les déterminants de ces modifications ? Ces questions sont d'un grand intérêt en épidémiologie. Pour autant, les moustiques vecteurs de maladies infectieuses ont longtemps été perçus comme de simples transporteurs de parasites, n'étant pas affectés par ces derniers. Cette thèse porte sur le rôle des vecteurs dans l'épidémiologie des Plasmodium aviaires, agents étiologiques de la malaria chez les oiseaux. Dans le but d'identifier les vecteurs naturels de malaria aviaire dans notre zone d'étude, nous avons tout d'abord collecté des moustiques sur le terrain, puis déterminé leur statut infectieux. Nous rapportons que les moustiques Culex pipiens sont principalement impliqués dans la transmission de Plasmodium vaughani au printemps, cette espèce de parasite étant progressivement remplacée par P. relictum au fil de la saison de transmission. Nous avons ensuite conduit une expérience visant à déterminer l'effet de la malaria aviaire sur des C. pipiens sauvages, naturellement infectés. Nous montrons que des coûts sont associés à l'infection pour les moustiques. Ces coûts occasionnent une diminution de la survie des vecteurs seulement lorsque ceux-ci sont privés de ressources nutritionnelles. Des changements saisonniers de climats pourraient affecter la quantité et la qualité des ressources disponibles pour les vecteurs et donc, leur aptitude à transmettre l'infection. Les traits comportementaux des moustiques vecteurs, tels que la recherche et le choix d'un hôte pour se nourrir, sont d'une importance majeure pour la dispersion de la malaria. Pour cela, nous avons offert à des C. pipiens sauvages l'opportunité de choisir simultanément entre une mésange charbonnière (Parus major) saine et une autre naturellement infectée. Nous montrons que les moustiques s'orientent préférentiellement vers des mésanges saines. Les Plasmodium aviaires exerceraient donc de fortes pressions de sélection sur leurs vecteurs, favorisant ainsi l'évolution de comportements d'évitement des parasites. Enfin nous avons cherché à identifier de potentiels liens entre symptômes de l'infection malarique chez les oiseaux et attractivité de ces derniers pour les moustiques. Nous montrons que des canaris (Serinus canaria) expérimentalement infectés sont fortement anémiés au moment du pic infectieux et que leur métabolisme basai diminue plus tard au cours de l'infection. Toutefois, aucun lien entre le statut infectieux et l'attractivité des canaris pour les moustiques n'a pu être montré lors d'une expérience réalisée en nature. Il se peut que ces liens aient été masqués par des facteurs environnementaux confondants. Dans son ensemble, cette thèse illustre que, contrairement aux idées reçues, les vecteurs de malaria aviaire ne sont pas toujours permissifs avec leurs parasites. L'environnement apparaît aussi comme un facteur déterminant dans la réponse des vecteurs face à la menace d'infection malarique. Cela pourrait fortement affecter l'épidémiologie de la malaria aviaire.

Population genetics of Capercaillie (Tetrao urogallus) in the Jura and the Pyrenees: a non-invasive approach to avian conservation genetics

RÉSUMÉ Le Grand tétras est un galliforme de montagne apparenté au faisan et au tétras lyre. Il est distribué de manière continue à travers la toundra et les montagnes de moyenne altitude en Europe de l'ouest. Toutefois, les populations d'Europe de l'ouest ont subi un déclin constant au cours des derniers siècles. Les causes de ce déclin sont probablement liées à l'activité humaine, telle .que l'élevage ou le tourisme, qui ont engendré une modification et une fragmentation de l'habitat de l'espèce. Malheureusement, les populations soumises à de forts déclins démographiques peuvent subir des effets génétiques (augmentation de la consanguinité et perte de diversité génétique) pouvant diminuer leur potentiel de reproduction et conduire irrémédiablement à l'extinction. Cette thèse présente les analyses conduites dans le but d'estimer l'impact du déclin démographique des populations de Grand tétras sur l'étendue et la distribution de leur variabilité génétique dans le Jura et dans les Pyrénées. Du fait de la législation locale protégeant les tétraonidés en général, mais également en raison de la biologie très cryptique du Grand tétras, l'ensemble des analyses de cette étude a été réalisé à partir de matériel génétique extrait des fientes (ou échantillonnage génétique non invasif). Dans la première partie de l'étude, je détaille les protocoles d'extraction. d'ADN et d'amplification par PCR modifiés à partir des protocoles classiques utilisant des échantillons conventionnels, riches en ADN. L'utilisation d'ADN fécal impose des contraintes dues à la mauvaise qualité et à la faible quantité du matériel génétique à disposition dans les fientes. Ces contraintes ont pu être partiellement contournées en réalisant des répétitions multiples du génotypage afin d'obtenir un degré de fiabilité suffisante. J'ai également analysé les causes de la dégradation de l'ADN dans les excréments. Parmi les causes les plus communes, telles que l'activité bactérienne, l'hydrolyse spontanée et la dégradation enzymatique par les DNases libres, c'est ce dernier facteur qui apparaît comme étant la cause majeure et la plus rapide responsable de la dégradation de la qualité des échantillons. La rapidité de l'action enzymatique suggère que les plans d'échantillonnages de excréments sur le terrain pourraient être optimisés en les réalisant dans des conditions climatiques froides et sèches, favorisant ainsi l'inhibition des DNases. La seconde partie de la thèse est une étude par simulation visant à déterminer la capacité du logiciel Structure à identifier les structures génétiques complexes et hiérarchiques fréquemment rencontrées dans les populations naturelles, et ce en utilisant différents types de marqueurs génétiques. Les troisième et quatrième parties de cette thèse décrivent le statut génétique des populations résiduelles du Jura et des Pyrénées à partir de l'analyse de 11 loci microsatellites. Nous n'avons pas pu mettre en évidence dans les deux populations des effets liés à la consanguinité ou à la réduction de la diversité génétique. De plus, la différenciation génétique entre les patches d'habitats favorables reste modérée et corrélée à la distance géographique, ce qui suggère que la dispersion d'individus entre les patches a été importante au moins pendant ces dernières générations. La comparaison des paramètres de la diversité génétique avec ceux d'autres populations de Grand tétras, ou d'autres espèces proches, indique que la population du Jura a retenu une proportion importante de sa diversité originelle. Ces résultats suggèrent que le déclin récent des populations a jusqu'ici eu un impact modéré sur les facteurs génétiques et que ces populations semblent avoir conservé le potentiel génétique nécessaire à leur survie à long terme. Finalement, en cinquième partie, l'analyse de l'apparentement entre les mâles qui participent à la parade sur les places de chant (leks) indique que ces derniers sont distribués en agrégats de manière non aléatoire, préférentiellement entre individus apparentés. De plus, la corrélation entre les distances génétique et géographique entre les leks est en accord avec les motifs d'isolement par la distance mis en évidence à d'autres niveaux hiérarchiques (entre patches d'habitat et populations), ainsi qu'avec les études menées sur d'autres espèces ayant choisi ce même système de reproduction. En conclusion, cette première étude basée uniquement sur de l'ADN nucléaire aviaire extrait à partir de fèces a fourni des informations nouvelles qui n'auraient pas pu être obtenues par une méthode d'observation sur le terrain ou d'échantillonnage génétique classique. Aucun oiseau n'a été dérangé ou capturé, et les résultats sont comparables à d'autres études concernant des espèces proches. Néanmoins, la taille de ces populations approche des niveaux au-dessous desquels la survie à long terme est fortement incertaine. La persistance de la diversité génétique pour les prochaines générations reste en conséquence liée à la survie des adultes et à une reprise du succès de la reproduction. ABSTRACT Capercaillie (Tetrao urogallus) is a large grouse that is continuously distributed across the tundra and the mid-high mountains of Western Europe. However, the populations in Western Europe have been showing a constant decline during the last decades. The causes for this decline are possibly related to human activities, such as cattle breeding and tourism that have both led to habitat modification and fragmentation. Unfortunately, populations that have undergone drastic demographic bottlenecks often go through genetic processes of inbreeding and loss of diversity that decrease their fitness and eventually lead to extinction. This thesis presents the investigations conducted to estimate the impact of the demographic decline of capercaillie populations on the extent and distribution of their genetic variability in the Jura and in the Pyrenees mountains. Because grouse are protected by wildlife legislation, and also because of the cryptic behaviour of capercaillie, all DNA material used in this study was extracted from faeces (non-invasive genetic sampling). In the first part of my thesis, I detail the protocols of DNA extraction and PCR amplification adapted from classical methods using conventional DNA-rich samples. The use of faecal DNA imposes specific constraints due to the low quantity and the highly degraded genetic material available. These constraints are partially overcome by performing multiple genotyping repetitions to obtain sufficient reliability. I also investigate the causes of DNA degradation in faeces. Among the main degraders, namely bacterial activity, spontaneous hydrolysis, and free-¬DNase activities, the latter was pointed out as the most important according to our experiments. These enzymes degrade DNA very rapidly, and, as a consequence, faeces sampling schemes must be planned preferably in cold and dry weather conditions, allowing for enzyme activity inhibition. The second part of the thesis is a simulation study aiming to assess the capacity of the software Structure to detect population structure in hierarchical models relevant to situations encountered in wild populations, using several genetic markers. The methods implemented in Structure appear efficient in detecting the highest hierarchical structure. The third and fourth parts of the thesis describe the population genetics status of the remaining Jura and Pyrenees populations using 11 microsatellite loci. In either of these populations, no inbreeding nor reduced genetic diversity was detected. Furthermore, the genetic differentiation between patches defined by habitat suitability remains moderate and correlated with geographical distance, suggesting that significant dispersion between patches was at work at least until the last generations. The comparison of diversity indicators with other species or other populations of capercaillie indicate that population in the Jura has retained a large part of its original genetic diversity. These results suggest that the recent decline has had so forth a moderate impact on• genetic factors and that these populations might have retained the potential for long term survival, if the decline is stopped. Finally, in the fifth part, the analysis of relatedness between males participating in the reproduction parade, or lek, indicate that capercaillie males, like has been shown for some other grouse species, gather on leks• among individuals that are more related than the average of the population. This pattern appears to be due to both population structure and kin-association. As a conclusion, this first study relying exclusively on nuclear DNA extracted from faeces has provided novel information that was not available through field observation or classical genetic sampling. No bird has been captured or disturbed, and the results are consistent with other studies of closely related species. However, the size of these populations is approaching thresholds below which long-term survival is unlikely. The persistence of genetic diversity for the forthcoming generations remains therefore bond to adult survival and to the increase of reproduction success.

Linking landscape- and population ecology for large population management modelling: the case of Ibex (capra ibex) in Switzerland

La biologie de la conservation est communément associée à la protection de petites populations menacées d?extinction. Pourtant, il peut également être nécessaire de soumettre à gestion des populations surabondantes ou susceptibles d?une trop grande expansion, dans le but de prévenir les effets néfastes de la surpopulation. Du fait des différences tant quantitatives que qualitatives entre protection des petites populations et contrôle des grandes, il est nécessaire de disposer de modèles et de méthodes distinctes. L?objectif de ce travail a été de développer des modèles prédictifs de la dynamique des grandes populations, ainsi que des logiciels permettant de calculer les paramètres de ces modèles et de tester des scénarios de gestion. Le cas du Bouquetin des Alpes (Capra ibex ibex) - en forte expansion en Suisse depuis sa réintroduction au début du XXème siècle - servit d?exemple. Cette tâche fut accomplie en trois étapes : En premier lieu, un modèle de dynamique locale, spécifique au Bouquetin, fut développé : le modèle sous-jacent - structuré en classes d?âge et de sexe - est basé sur une matrice de Leslie à laquelle ont été ajoutées la densité-dépendance, la stochasticité environnementale et la chasse de régulation. Ce modèle fut implémenté dans un logiciel d?aide à la gestion - nommé SIM-Ibex - permettant la maintenance de données de recensements, l?estimation automatisée des paramètres, ainsi que l?ajustement et la simulation de stratégies de régulation. Mais la dynamique d?une population est influencée non seulement par des facteurs démographiques, mais aussi par la dispersion et la colonisation de nouveaux espaces. Il est donc nécessaire de pouvoir modéliser tant la qualité de l?habitat que les obstacles à la dispersion. Une collection de logiciels - nommée Biomapper - fut donc développée. Son module central est basé sur l?Analyse Factorielle de la Niche Ecologique (ENFA) dont le principe est de calculer des facteurs de marginalité et de spécialisation de la niche écologique à partir de prédicteurs environnementaux et de données d?observation de l?espèce. Tous les modules de Biomapper sont liés aux Systèmes d?Information Géographiques (SIG) ; ils couvrent toutes les opérations d?importation des données, préparation des prédicteurs, ENFA et calcul de la carte de qualité d?habitat, validation et traitement des résultats ; un module permet également de cartographier les barrières et les corridors de dispersion. Le domaine d?application de l?ENFA fut exploré par le biais d?une distribution d?espèce virtuelle. La comparaison à une méthode couramment utilisée pour construire des cartes de qualité d?habitat, le Modèle Linéaire Généralisé (GLM), montra qu?elle était particulièrement adaptée pour les espèces cryptiques ou en cours d?expansion. Les informations sur la démographie et le paysage furent finalement fusionnées en un modèle global. Une approche basée sur un automate cellulaire fut choisie, tant pour satisfaire aux contraintes du réalisme de la modélisation du paysage qu?à celles imposées par les grandes populations : la zone d?étude est modélisée par un pavage de cellules hexagonales, chacune caractérisée par des propriétés - une capacité de soutien et six taux d?imperméabilité quantifiant les échanges entre cellules adjacentes - et une variable, la densité de la population. Cette dernière varie en fonction de la reproduction et de la survie locale, ainsi que de la dispersion, sous l?influence de la densité-dépendance et de la stochasticité. Un logiciel - nommé HexaSpace - fut développé pour accomplir deux fonctions : 1° Calibrer l?automate sur la base de modèles de dynamique (par ex. calculés par SIM-Ibex) et d?une carte de qualité d?habitat (par ex. calculée par Biomapper). 2° Faire tourner des simulations. Il permet d?étudier l?expansion d?une espèce envahisseuse dans un paysage complexe composé de zones de qualité diverses et comportant des obstacles à la dispersion. Ce modèle fut appliqué à l?histoire de la réintroduction du Bouquetin dans les Alpes bernoises (Suisse). SIM-Ibex est actuellement utilisé par les gestionnaires de la faune et par les inspecteurs du gouvernement pour préparer et contrôler les plans de tir. Biomapper a été appliqué à plusieurs espèces (tant végétales qu?animales) à travers le Monde. De même, même si HexaSpace fut initialement conçu pour des espèces animales terrestres, il pourrait aisément être étndu à la propagation de plantes ou à la dispersion d?animaux volants. Ces logiciels étant conçus pour, à partir de données brutes, construire un modèle réaliste complexe, et du fait qu?ils sont dotés d?une interface d?utilisation intuitive, ils sont susceptibles de nombreuses applications en biologie de la conservation. En outre, ces approches peuvent également s?appliquer à des questions théoriques dans les domaines de l?écologie des populations et du paysage.<br/><br/>Conservation biology is commonly associated to small and endangered population protection. Nevertheless, large or potentially large populations may also need human management to prevent negative effects of overpopulation. As there are both qualitative and quantitative differences between small population protection and large population controlling, distinct methods and models are needed. The aim of this work was to develop theoretical models to predict large population dynamics, as well as computer tools to assess the parameters of these models and to test management scenarios. The alpine Ibex (Capra ibex ibex) - which experienced a spectacular increase since its reintroduction in Switzerland at the beginning of the 20th century - was used as paradigm species. This task was achieved in three steps: A local population dynamics model was first developed specifically for Ibex: the underlying age- and sex-structured model is based on a Leslie matrix approach with addition of density-dependence, environmental stochasticity and culling. This model was implemented into a management-support software - named SIM-Ibex - allowing census data maintenance, parameter automated assessment and culling strategies tuning and simulating. However population dynamics is driven not only by demographic factors, but also by dispersal and colonisation of new areas. Habitat suitability and obstacles modelling had therefore to be addressed. Thus, a software package - named Biomapper - was developed. Its central module is based on the Ecological Niche Factor Analysis (ENFA) whose principle is to compute niche marginality and specialisation factors from a set of environmental predictors and species presence data. All Biomapper modules are linked to Geographic Information Systems (GIS); they cover all operations of data importation, predictor preparation, ENFA and habitat suitability map computation, results validation and further processing; a module also allows mapping of dispersal barriers and corridors. ENFA application domain was then explored by means of a simulated species distribution. It was compared to a common habitat suitability assessing method, the Generalised Linear Model (GLM), and was proven better suited for spreading or cryptic species. Demography and landscape informations were finally merged into a global model. To cope with landscape realism and technical constraints of large population modelling, a cellular automaton approach was chosen: the study area is modelled by a lattice of hexagonal cells, each one characterised by a few fixed properties - a carrying capacity and six impermeability rates quantifying exchanges between adjacent cells - and one variable, population density. The later varies according to local reproduction/survival and dispersal dynamics, modified by density-dependence and stochasticity. A software - named HexaSpace - was developed, which achieves two functions: 1° Calibrating the automaton on the base of local population dynamics models (e.g., computed by SIM-Ibex) and a habitat suitability map (e.g. computed by Biomapper). 2° Running simulations. It allows studying the spreading of an invading species across a complex landscape made of variously suitable areas and dispersal barriers. This model was applied to the history of Ibex reintroduction in Bernese Alps (Switzerland). SIM-Ibex is now used by governmental wildlife managers to prepare and verify culling plans. Biomapper has been applied to several species (both plants and animals) all around the World. In the same way, whilst HexaSpace was originally designed for terrestrial animal species, it could be easily extended to model plant propagation or flying animals dispersal. As these softwares were designed to proceed from low-level data to build a complex realistic model and as they benefit from an intuitive user-interface, they may have many conservation applications. Moreover, theoretical questions in the fields of population and landscape ecology might also be addressed by these approaches.

Phylogéographie des principales vipères européennes (Vipera ammodytes, V. aspis et V. berus), structuration génétique et multipaternité chez Vipera berus

Résumé: Les vipères du genre Vipera sont des serpents venimeux distribués dans la totalité du Paléarctique. Malgré cette répartition considérable, elles sont extrêmement menacées, leur déclin étant principalement dû à la destruction et à la fragmentation de leur habitat ainsi qu'à la persécution humaine. Afin d'apporter de nouveaux éléments dans le contexte de la protection de ce groupe de reptiles, nous avons utilisé durant ce travail de thèse différents marqueurs moléculaires pour étudier la structuration génétique à petite et à large échelle chez trois espèces appartenant au genre Vipera. La première étude, une phylogéographie moléculaire de la vipère ammodytes (Vipera ammodytes), a montré dans l'ensemble de l'aire de répartition une forte structuration génétique provenant d'isolements antérieures au Pléistocène. La présence d'un nombre important de clades dans le centre des Balkans suggère que cette région a fourni de nombreux refuges isolés durant les glaciations. Ces dernières ont également eu un impact considérable sur la diversité génétique au sein de la majorité des clades, suite à d'importants goulots d'étranglement durant le Pléistocène. L'étude de la phylogéographie de la vipère aspic (Vipera aspis) a montré une différenciation génétique entre les populations présentes de chaque côté des Alpes, mais également une forte structuration interne avec la mise en évidence d'un refuge en France. Cette étude est la première à établir clairement l'utilisation d'un refuge français pour un vertébré terrestre. La troisième partie de cette thèse a étudié la phylogéographie de la vipère péliade (Vipera berus), espèce cible de ce travail. En plus de la mise en évidence d'un groupe génétique inattendu (localisé dans le nord de l'Italie, le sud de l'Autriche, le nord de la Slovénie et l'extrême sud-est de la Suisse), la variabilité génétique au sein du groupe nordique (comprenant les animaux de l'entier de l'aire de répartition de l'espèce à l'exception des individus du groupe italien et les animaux provenant des Balkans) est suffisamment importante pour conclure à l'utilisation de refuges glaciaires nordiques durant les dernières glaciations, en complément des refuges habituellement décrits pour la majorité des espèces animales (soit les péninsules ibérique, italienne et balakanique). Ces résultats nous ont conduit à effectuer une étude morphologique (quatrième partie) comparant les vipères péliades du "clade italien" et du "clade nordique" décrits ci-dessus. Seules de petites différences morphologiques ont pu être mises en évidence, malgré une séparation de ces groupes estimée à plus d'un million d'années. Une étude à plus petite échelle, centrée sur le Massif jurassien et certaines populations alpines et françaises, a été entreprise afin d'estimer leur diversité génétique et d'évaluer la structuration génétique entre les populations à l'aide de marqueurs microsatellites (cinquième partie). Une importante structuration a été observée entre les populations distantes de plus de 3 kilomètres, la structuration entre les populations plus proches étant plus limitée. De plus, une diversité génétique plus faible dans les populations jurassiennes et alpines comparativement aux populations du massif central et de la côte atlantique a été constatée, probablement due à une perte de diversité génétique lors de la recolonisation post-glaciaire. La sixième étude s'est intéressée au succès reproducteur des mâles de vipères péliades en conditions naturelles. Une corrélation entre la taille des mâles et leur succès reproducteur a été relevée, les individus de plus grande taille ayant un succès reproducteur plus élevé. Le taux de multipaternité a aussi été investigué, démontrant que la proportion de pontes issues de plusieurs pères est élevée (69%) malgré la faible densité de vipères observée sur le site étudié. Finalement, aucun lien entre le nombre de pères au sein d'une ponte et la mortalité des jeunes à la naissance n'a pu être mis en évidence, contrastant avec des travaux précédents. En conclusion, l'observation de la structuration très marquée chez les vipères péliades devrait permettre d'affiner les méthodes de protection de l'espèce dans le massif jurassien. A plus large échelle, l'importante structuration génétique observée chez les vipères ammodytes, aspic et péliade résultant de l'utilisation de nombreux refuges glaciaires, complémentaires aux refuges habituellement utilisés par les espèces animales, démontre l'intérêt de l'analyse phylogéographique des reptiles pour la compréhension des phénomènes de colonisation et d' extinction des populations durant la fin du Tertiaire et le Quaternaire. La mise en évidence chez les différentes espèces de vipères étudiées de nombreux groupes génétiques distincts (ESUs) devrait conduire à des modifications de la taxonomie ainsi qu'au statut de protection de ces espèces. Abstract: The vipers of the genus Vipera are venomous snakes widespread throughout the Palaearctic regions. Despite a large distribution area, several species are extremely threatened, especially due to the destruction and fragmentation of their habitats, as well as by human persecution. In order to increase the knowledge on these species and to improve their protection, several molecular markers have been used to investigate the genetic structure on small and large scales, within three species of the genus Vipera. The first study, a molecular phylogeography of the nose-horned viper (Vipera ammodytes), showed a considerable structuring throughout the distribution area, due to isolation into refugia before the Pleistocene. A high number of clades in the centre of the Balkans suggests that this region harboured numerous isolated glacial refugia during the last glaciation. Moreover, low genetic diversity within several clades implies that most populations of nose-horned vipers have suffered bottlenecks during the Pleistocene. The study of the phylogeography of the asp viper (Vipera aspis) showed genetic differentiation between populations on each side of the Alps, as well as considerable internal genetic structure, suggesting the use of a glacial refugium in France. This study is the first to establish firmly the occurrence of a French refugia for a terrestrial vertebrate. The third part of this work involved a phylogeographic study of the adder (Vipera berus), the target species of this thesis. Three clades were revealed: a Balkan clade (corresponding to the subspecies V. b. sachalinensis), an unexpected Italian clade (limited to northern Italy, southern Austria, northern Slovenia and southeasternmost corner of Switzerland) and a Northern clade clade (including adders of the whole distribution area excepted animals from the Balkan and the Italian clades). The genetic variability within the Northern clade is sufficiently high to conclude that a northern glacial refugia during the last glaciation, in addition to those refugia already described for the main species (Iberian, Italian and Balkan peninsula). These results motivated a morphological study (part four) comparing the adders from the Italian and the Northern clades describe above. Only small morphological differences have been found, despite the split between these two clades have taken place more than 1 million years ago. A study on a local scale, focused on the Jura Mountains, on a few populations in the Alps and France was, performed to estimate the genetic diversity and the genetic structure between populations using microsatellite markers (part five). Considerable structure was observed between populations separated by more than 3 kilometres, whereas the structure between closer populations is less marked. Moreover, lower genetic diversity in the populations from Jura Mountains and Alps was noticed compared to populations from Massif Central of Atlantic coast. Such loss of genetic variation probably followed post-glacial recolonisation. The sixth study focused on the reproductive success of male adders in the wild. A positive correlation between body length and reproductive success was observed. Multiple paternity was also observed in most of clutches (69%) despite the low density of adders in the study area. Finally, no relationship was found between the number of fathers in a clutch and the survival of offspring at birth, contradicting previous studies. To conclude, the observation of a significant genetic structure in Vipera berus will enable recommendations to be made to improve protection of this species in the Jura Mountain. On a larger scale, the considerable genetic structure found within Vipera ammdoytes, V. aspis and V. berus, resulting from isolation in additional glacial refugia to those already described for other species, demonstrates the relevance of phylogeographic studies of reptiles to better understand the colonisation and disappearance during the last Tertiary and the Quaternary. The observation of several groups of evolutionary significant units (ESUs) within the three studied species might lead to a revision of the taxonomy, as well as their conservation status.

Assessing the use of very high resolution data to predict species distribution in a mountain environment

Nowadays, Species Distribution Models (SDMs) are a widely used tool. Using different statistical approaches these models reconstruct the realized niche of a species using presence data and a set of variables, often topoclimatic. There utilization range is quite large from understanding single species requirements, to the creation of nature reserve based on species hotspots, or modeling of climate change impact, etc... Most of the time these models are using variables at a resolution of 50km x 50km or 1 km x 1 km. However in some cases these models are used with resolutions below the kilometer scale and thus called high resolution models (100 m x 100 m or 25 m x 25 m). Quite recently a new kind of data has emerged enabling precision up to lm x lm and thus allowing very high resolution modeling. However these new variables are very costly and need an important amount of time to be processed. This is especially the case when these variables are used in complex calculation like models projections over large areas. Moreover the importance of very high resolution data in SDMs has not been assessed yet and is not well understood. Some basic knowledge on what drive species presence-absences is still missing. Indeed, it is not clear whether in mountain areas like the Alps coarse topoclimatic gradients are driving species distributions or if fine scale temperature or topography are more important or if their importance can be neglected when balance to competition or stochasticity. In this thesis I investigated the importance of very high resolution data (2-5m) in species distribution models using either very high resolution topographic, climatic or edaphic variables over a 2000m elevation gradient in the Western Swiss Alps. I also investigated more local responses of these variables for a subset of species living in this area at two precise elvation belts. During this thesis I showed that high resolution data necessitates very good datasets (species and variables for the models) to produce satisfactory results. Indeed, in mountain areas, temperature is the most important factor driving species distribution and needs to be modeled at very fine resolution instead of being interpolated over large surface to produce satisfactory results. Despite the instinctive idea that topographic should be very important at high resolution, results are mitigated. However looking at the importance of variables over a large gradient buffers the importance of the variables. Indeed topographic factors have been shown to be highly important at the subalpine level but their importance decrease at lower elevations. Wether at the mountane level edaphic and land use factors are more important high resolution topographic data is more imporatant at the subalpine level. Finally the biggest improvement in the models happens when edaphic variables are added. Indeed, adding soil variables is of high importance and variables like pH are overpassing the usual topographic variables in SDMs in term of importance in the models. To conclude high resolution is very important in modeling but necessitate very good datasets. Only increasing the resolution of the usual topoclimatic predictors is not sufficient and the use of edaphic predictors has been highlighted as fundamental to produce significantly better models. This is of primary importance, especially if these models are used to reconstruct communities or as basis for biodiversity assessments. -- Ces dernières années, l'utilisation des modèles de distribution d'espèces (SDMs) a continuellement augmenté. Ces modèles utilisent différents outils statistiques afin de reconstruire la niche réalisée d'une espèce à l'aide de variables, notamment climatiques ou topographiques, et de données de présence récoltées sur le terrain. Leur utilisation couvre de nombreux domaines allant de l'étude de l'écologie d'une espèce à la reconstruction de communautés ou à l'impact du réchauffement climatique. La plupart du temps, ces modèles utilisent des occur-rences issues des bases de données mondiales à une résolution plutôt large (1 km ou même 50 km). Certaines bases de données permettent cependant de travailler à haute résolution, par conséquent de descendre en dessous de l'échelle du kilomètre et de travailler avec des résolutions de 100 m x 100 m ou de 25 m x 25 m. Récemment, une nouvelle génération de données à très haute résolution est apparue et permet de travailler à l'échelle du mètre. Les variables qui peuvent être générées sur la base de ces nouvelles données sont cependant très coûteuses et nécessitent un temps conséquent quant à leur traitement. En effet, tout calcul statistique complexe, comme des projections de distribution d'espèces sur de larges surfaces, demande des calculateurs puissants et beaucoup de temps. De plus, les facteurs régissant la distribution des espèces à fine échelle sont encore mal connus et l'importance de variables à haute résolution comme la microtopographie ou la température dans les modèles n'est pas certaine. D'autres facteurs comme la compétition ou la stochasticité naturelle pourraient avoir une influence toute aussi forte. C'est dans ce contexte que se situe mon travail de thèse. J'ai cherché à comprendre l'importance de la haute résolution dans les modèles de distribution d'espèces, que ce soit pour la température, la microtopographie ou les variables édaphiques le long d'un important gradient d'altitude dans les Préalpes vaudoises. J'ai également cherché à comprendre l'impact local de certaines variables potentiellement négligées en raison d'effets confondants le long du gradient altitudinal. Durant cette thèse, j'ai pu monter que les variables à haute résolution, qu'elles soient liées à la température ou à la microtopographie, ne permettent qu'une amélioration substantielle des modèles. Afin de distinguer une amélioration conséquente, il est nécessaire de travailler avec des jeux de données plus importants, tant au niveau des espèces que des variables utilisées. Par exemple, les couches climatiques habituellement interpolées doivent être remplacées par des couches de température modélisées à haute résolution sur la base de données de terrain. Le fait de travailler le long d'un gradient de température de 2000m rend naturellement la température très importante au niveau des modèles. L'importance de la microtopographie est négligeable par rapport à la topographie à une résolution de 25m. Cependant, lorsque l'on regarde à une échelle plus locale, la haute résolution est une variable extrêmement importante dans le milieu subalpin. À l'étage montagnard par contre, les variables liées aux sols et à l'utilisation du sol sont très importantes. Finalement, les modèles de distribution d'espèces ont été particulièrement améliorés par l'addition de variables édaphiques, principalement le pH, dont l'importance supplante ou égale les variables topographique lors de leur ajout aux modèles de distribution d'espèces habituels.

Sleep in vitro : Erk pathway regulates sleep duration and sleep related genes

To date, for most biological and physiological phenomena, the scientific community has reach a consensus on their related function, except for sleep, which has an undetermined, albeit mystery, function. To further our understanding of sleep function(s), we first focused on the level of complexity at which sleep-like phenomenon can be observed. This lead to the development of an in vitro model. The second approach was to understand the molecular and cellular pathways regulating sleep and wakefulness, using both our in vitro and in vivo models. The third approach (ongoing) is to look across evolution when sleep or wakefulness appears. (1) To address the question as to whether sleep is a cellular property and how this is linked to the entire brain functioning, we developed a model of sleep in vitro by using dissociated primary cortical cultures. We aimed at simulating the major characteristics of sleep and wakefulness in vitro. We have shown that mature cortical cultures display a spontaneous electrical activity similar to sleep. When these cultures are stimulated by waking neurotransmitters, they show a tonic firing activity, similar to wakefulness, but return spontaneously to the "sleep-like" state 24h after stimulation. We have also shown that transcriptional, electrophysiological, and metabolic correlates of sleep and wakefulness can be reliably detected in dissociated cortical cultures. (2) To further understand at which molecular and cellular levels changes between sleep and wakefulness occur, we have used a pharmacological and systematic gene transcription approach in vitro and discovered a major role played by the Erk pathway. Indeed, pharmacological inhibition of this pathway in living animals decreased sleep by 2 hours per day and consolidated both sleep and wakefulness by reducing their fragmentation. (3) Finally, we tried to evaluate the presence of sleep in one of the most primitive species with a neural network. We set up Hydra as a model organism. We hypothesized that sleep as a cellular (neuronal) property may occur with the appearance of the most primitive nervous system. We were able to show that Hydra have periodic rest phases amounting to up to 5 hours per day. In conclusion, our work established an in vitro model to study sleep, discovered one of the major signaling pathways regulating vigilance states, and strongly suggests that sleep is a cellular property highly conserved at the molecular level during evolution. -- Jusqu'à ce jour, la communauté scientifique s'est mise d'accord sur la fonction d'une majorité des processus physiologiques, excepté pour le sommeil. En effet, la fonction du sommeil reste un mystère, et aucun consensus n'est atteint le concernant. Pour mieux comprendre la ou les fonctions du sommeil, (1) nous nous sommes d'abord concentré sur le niveau de complexité auquel un état ressemblant au sommeil peut être observé. Nous avons ainsi développé un modèle du sommeil in vitro, (2) nous avons disséqué les mécanismes moléculaires et cellulaires qui pourraient réguler le sommeil, (3) nous avons cherché à savoir si un état de sommeil peut être trouvé dans l'hydre, l'animal le plus primitif avec un système nerveux. (1) Pour répondre à la question de savoir à quel niveau de complexité apparaît un état de sommeil ou d'éveil, nous avons développé un modèle du sommeil, en utilisant des cellules dissociées de cortex. Nous avons essayé de reproduire les corrélats du sommeil et de l'éveil in vitro. Pour ce faire, nous avons développé des cultures qui montrent les signes électrophysiologiques du sommeil, puis quand stimulées chimiquement passent à un état proche de l'éveil et retournent dans un état de sommeil 24 heures après la stimulation. Notre modèle n'est pas parfait, mais nous avons montré que nous pouvions obtenir les corrélats électrophysiologiques, transcriptionnels et métaboliques du sommeil dans des cellules corticales dissociées. (2) Pour mieux comprendre ce qui se passe au niveau moléculaire et cellulaire durant les différents états de vigilance, nous avons utilisé ce modèle in vitro pour disséquer les différentes voies de signalisation moléculaire. Nous avons donc bloqué pharmacologiquement les voies majeures. Nous avons mis en évidence la voie Erkl/2 qui joue un rôle majeur dans la régulation du sommeil et dans la transcription des gènes qui corrèlent avec le cycle veille-sommeil. En effet, l'inhibition pharmacologique de cette voie chez la souris diminue de 2 heures la quantité du sommeil journalier et consolide l'éveil et le sommeil en diminuant leur fragmentation. (3) Finalement, nous avons cherché la présence du sommeil chez l'Hydre. Pour cela, nous avons étudié le comportement de l'Hydre pendant 24-48h et montrons que des périodes d'inactivité, semblable au sommeil, sont présentes dans cette espèce primitive. L'ensemble de ces travaux indique que le sommeil est une propriété cellulaire, présent chez tout animal avec un système nerveux et régulé par une voie de signalisation phylogénétiquement conservée.

GENETIC ARCHITECTURE, EVOLUTION AND MAINTENANCE OF A COLOR CLINE AT A CONTINENTAL SCALE

On a geological time scale the conditions on earth are very variable and biological patterns (for example the distributions of species) are very dynamic. Understanding large scale patterns of variation observed today thus requires a deep understanding of the historical factors that drove their evolution. In this thesis, we reevaluated the evolution and maintenance of a continental color cline observed in the European barn owl (Tyto alba) using population genetic tools. The colour cline spans from south-est Europe where most individual have pure white underparts to north and east Europe where most individuals have rufous-brown underparts. Our results globally showed that the old scenario, stipulating that the color cline evolved by secondary contact of two color morphs (white and rufous) that evolved in allopatry during the last ice age has to be revised. We collected samples of about 700 barn owls from the Western Palearctic to establish the first population genetic data set for this species. Individuals were genotyped at 22 microsatellites markers, at one mitochondrial gene, and at a candidate color gene. The color of each individuals was assessed and their sex determined by molecular methods. We first showed that the genetic variation in Western Europe is very limited compared to the heritable color variation. We found no evidences of different glacial lineages, and showed that selection must be involved in the maintenance of the color cline (chapter 1). Using computer simulations, we demonstrated that the post-glacial colonization of Europe occurred from the Iberian Peninsula and that the color cline could not have evolved by neutral demographic processes during this colonization (chapter 2). Finally we reevaluated the whole history of the establishment of the Western Palearctic variation of the barn owl (chapter 3): This study showed that all Western European barn owls descend from white barn owls phenotypes from the Middle East that colonized the Iberian Peninsula via North-Africa. Following the end of the last ice age (20'000 years ago), these white barn owls colonized Western Europe and under selection a novel rufous phenotype evolved (during or after the colonization). An important part of the color variation could be explained by a single mutation in the melanocortin-1-receptor (MC1R) gene that appeared during or after the colonization. The colonization of Europe reached until Greece, where the rufous birds encountered white ones (which reached Greece from the Middle East over the Bosporus) in a secondary contact zone. Our analyses show that white and rufous barn owls in Greece interbreed only to a limited extent. This suggests that barn owls are at the verge of becoming two species in Greece and demonstrates that European barn owls represent an incipient ring species around the Mediterranean. The revisited history of the establishment of the European barn owl color cline makes this model system remarkable for several aspects. It is a very clear example of strong local adaptation that can be achieved despite high gene flow (strong color and MC1R differentiation despite almost no neutral genetic differentiation). It also offers a wonderful model system to study the interactions between colonization processes and selection processes which have, for now, been remarkably understudied despite their potentially ubiquitous importance. Finally it represents a very interesting case in the speciation continuum and appeals for further studying the amount of gene flow that occurs between the color morphs in Greece. -- Sur l'échelle des temps géologiques, les conditions sur terre sont très variables et les patrons biologiques (telle que la distribution des espèces) sont très dynamiques. Si l'on veut comprendre des patrons que l'on peut observer à large échelle aujourd'hui, il est nécessaire de d'abord comprendre les facteurs historiques qui ont gouverné leur établissement. Dans cette thèse, nous allons réévaluer, grâce à des outils modernes de génétique des populations, l'évolution et la maintenance d'un cline de couleur continental observé chez l'effraie des clochers européenne (Tyto alba). Globalement, nos résultats montrent que le scenario accepté jusqu'à maintenant, qui stipule que le cline de couleur a évolué à partir du contact secondaire de deux morphes de couleur (blanches et rousses) ayant évolué en allopatrie durant les dernières glaciations, est à revoir. Afin de constituer le premier jeu de données de génétique des populations pour cette espèce, nous avons récolté des échantillons d'environ 700 effraies de l'ouest Paléarctique. Nous avons génotypé tous les individus à 22 loci microsatellites, sur un gène mitochondrial et sur un autre gène participant au déterminisme de la couleur. Nous avons aussi mesuré la couleur de tous les individus et déterminé leur sexe génétiquement. Nous avons tout d'abord pu montrer que la variation génétique neutre est négligeable en comparaison avec la variation héritable de couleur, qu'il n'existe qu'une seule lignée européenne et que de la sélection doit être impliquée dans le maintien du cline de couleur (chapitre 1). Grâce à des simulations informatiques, nous avons démontré que l'ensemble de l'Europe de l'ouest a été recolonisé depuis la Péninsule Ibérique après les dernières glaciations et que le cline de couleur ne peut pas avoir évolué par des processus neutre durant cette colonisation (chapitre 2). Finalement, nous avons réévalué l'ensemble de l'histoire postglaciaire de l'espèce dans l'ouest Paléarctique (chapitre 3): l'ensemble des effraies du Paléarctique descendent d'effraie claire du Moyen-Orient qui ont colonisé la péninsule ibérique en passant par l'Afrique du nord. Après la fin de la dernière glaciation (il y a 20'000 ans), ces effraies claires ont colonisé l'Europe de l'ouest et ont évolués par sélection le phénotype roux (durant ou après la colonisation). Une part importante de la variation de couleur peut être expliquée par une mutation sur le gène MC1R qui est apparue durant ou juste après la colonisation. Cette vague de colonisation s'est poursuivie jusqu'en Grèce où ces effraies rousses ont rencontré dans une zone de contact secondaire des effraies claires (qui sont remontées en Grèce depuis le Moyen-Orient via le Bosphore). Nos analyses montrent que le flux de gènes entre effraies blanches et rousses est limité en Grèce, ce qui suggère qu'elles sont en passe de former deux espèces et ce qui montre que les effraies constituent un exemple naissant de spéciation en anneaux autour de la Méditerranée. L'histoire revisitée des effraies des clochers de l'ouest Paléarctique en fait un système modèle remarquable pour plusieurs aspects. C'est un exemple très claire de forte adaptation locale maintenue malgré un fort flux de gènes (différenciation forte de couleur et sur le gène MC1R malgré presque aucune structure neutre). Il offre également un très bon système pour étudier l'interaction entre colonisation et sélection, un thème ayant été remarquablement peu étudié malgré son importance. Et il offre finalement un cas très intéressant dans le « continuum de spéciation » et il serait très intéressant d'étudier plus en détail l'importance du flux de gènes entre les morphes de couleur en Grèce.

Identification des dermatophytes en cultures sur la base de leurs critères macroscopiques et microscopiques

Contexte : Les dermatophytes sont des champignons filamenteux parasites spécialisés qui dégradent les tissus kératinisés. Ils sont responsables de la plupart des mycoses de la peau, du cuir chevelu et des cheveux, et des ongles. Le choix du traitement des dermatophytoses dépend des symptômes et du dermatophyte incriminé parmi une quinzaine d'espèces possibles. L'identification des dermatophytes se fait en général sur la base des caractères macroscopiques et microscopiques des cultures. L'identification est parfois difficile ou reste incertaine car il peut y avoir des variations d'un isolat à l'autre au sein d'une même espèce. Cependant, les espèces sont facilement identifiées sur la base de séquences d'ADN. En pratique, des séquences d'ADN ribosomique suffisamment polymorphes sont le plus souvent utilisées pour discriminer les espèces de dermatophytes. Des méthodes spécialisées et sophistiquées telles que les séquences d'ADN et la spectrométrie de masse sont de plus en plus proposées dans la littérature pour identifier les dermatophytes. Toutefois, ces méthodes ne peuvent pas être utilisées directement par un médecin dans un cabinet médical. C'est pourquoi des méthodes plus simples basées sur l'observation de caractères phénotypiques des champignons en culture ne devraient pas être abandonnées. Objectif : Etablir une clé d'identification dichotomique se basant sur des caractères macroscopiques et microscopiques permettant une identification fiable du dermatophyte par la culture. Des clés d'identification des espèces seront élaborées et testées pour leur validation en parallèle avec leur identification par des méthodes de Biologie Moléculaire. Créer un outil simple qui pourra être utilisé au laboratoire par des médecins ou des biologistes non spécialisés en mycologie pour identifier les dermatophytes sans avoir recours à une technologie sophistiquée. Méthodes : Inventaire des espèces isolées de 2001 à 2012 au laboratoire de dermatologie du CHUV. Inventaire des caractères phénotypiques permettant de caractériser chaque espèce. Création d'un système dichotomique sur la base des caractères phénotypiques pour séparer et identifier les espèces (clé d'identification des espèces). Résultats attendus : Les résultats attendus sont définis au niveau des objectifs. L'outil doit être accessible pour des personnes inexpérimentées qui pourront alors identifier les dermatophytes. Plus-value : Les dermatophytoses sont fréquemment diagnostiquées. Cet outil est destiné à tous les dermatologues installés et au personnel de laboratoire qui ne sont pas nécessairement spécialisés en la matière.