Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.

Partial melting of basic dykes in the contact aureoles of two shallow-level, gabbro-pyroxenite intrusions, Fuerteventura

THESIS ABSTRACT Low-pressure anatexis of basic dykes gave rise to unusual, zebra-like migmatites, in the contact metamorphic aureoles of two layered gabbro-pyroxenite intrusions, PXl and PX2, in the root zone of an ocean island, Fuerteventura Basal Complex (Canary Islands). This thesis focuses on the understanding of processes attributing to the partial melting and formation of these migmatites, characterised by a dense network of closely spaced, millimetre-wide leucocratic segregations with perfectly preserved igneous textures. The presence of fluids are required to decrease the solidus of basic igneous lithologies, to allow partial melting in such aloes-pressure (1-2 kb) environment. An oxygen isotope study was thus carried out on dykes inside and beyond the PX2 aureole, in order to decipher the nature and origin of such fluids. Low or negative δ18O values were obtained for whole rocks and mineral-separates, decreasing towards the contact, with the intrusion itself retaining fairly high values. This trend has been attributed to the advection of meteoric water during magma emplacement, with increasing fluid/rock ratios (higher dyke intensities towards the intrusion acting as fluid-pathways) and higher temperatures promoting increasing exchange during recrystallisation. A comparison of whole rock and mineral major- and trace- element data allowed the redistribution of elements .between different mineral phases and generations, during contact metamorphism and partial melting to be assessed. Certain trace-elements, e.g. Zr, Hf, Y, and REEs, were internally redistributed during contact metamorphic recrystallisation, causing- the enrichment of neocrystallised diopsides compared to relict phenocrysts. This has been assigned to the liberation of trace elements on the breakdown of primary minerals, kaersutite and sphene, on entering the thermal aureole. Major and trace element compositions of minerals in migmatite melanosomes and leucosomes are almost identical, pointing to a syn- or post- solidus reequilibration on cooling of the migmatite terrain. The mineralogical, textural and geochemical evolution of dykes in a contact metamorphic aureole, is recorded around an apophysis of the PX1 intrusion, where there is evidence of incipient partial melting. Hydrothermal mineral pseudomorphs in the outer parts of the aureole are progressively replaced by dry mineral assemblages, with increasingly recrystallised diopside and evidence of partial melting -the extent of which varies from one lithology to another. The appearance of more mafic lithologies towards the intrusion, with lower whole rock SiO2 and mobile element abundances, e.g. Rb, Cs, K, has been explained by the migration and accumulation of feldspathic material into leucosomes outside the samples. A micro-structural study of leucosomes and leucocratic pods, with the aid of high-resolution X-ray computed micro-tomography (HRXµCT), allowing the visualization and quantification of shapes and orientations, was carried out in order to better understand the processes of melt segregation in the PX1 aureole. Leucocratic pods, representing former amygdales, are considered as natural strain ellipsoids. Their short axes are oriented perpendicular to leucosome planes, which sub-parallel the intrusive contact. Leucosomes thus effectively represent foliation planes. This implies that the direction of maximum shortening, during migmatisation, was perpendicular to the orientation of leucosomes, contradicting earlier models that suggest leucosomes represent tension veins. RESUME DE LA THESE Un phénomène rare de fusion partielle de filons basiques à basse pression a été étudié dans les auréoles de contact de deux intrusions litées de gabbro-pyroxénite, PX1 et PX2, localisées dans le soubassement de l'île volcanique de Fuerteventura aux Canaries. Cette anatexie a engendré des migmatites finement zébrées d'aspect très inhabituel, dont les processus de formation ont été étudiés dans le présent travail. Ces roches sont caractérisées par un réseau dense de veinules leucocrates d'épaisseur millimétrique, dont les textures ignées sont parfaitement préservées. La fusion partielle de roches basiques à basse pression (1-2 kbar) requiert la présence d'eau afin d'abaisser le solidus du système à des températures géologiquement réalistes. Une étude comparative des isotopes de l'oxygène a ainsi été menée sur des filons respectivement affectés et non affectés par le métamorphisme de contact, afin de confirmer la présence de ces fluides, de déterminer l'importance de leur interaction avec les roches et leur origine. Des valeurs de δ180 basses ou négatives ont été mesurées sur roche totale et minéraux séparés, décroissantes en direction du contact, alors que l'intrusion elle-même a conservé des valeurs élevées. Ce gradient a été attribué à l'advection d'eau météorique durant la mise en place du magma, les températures les plus élevées favorisant d'autant plus la circulation des fluides et les échanges isotopiques durant la recristallisation des roches. Cette recristallisation engendré une redistribution chimique complète des éléments entre les différentes générations de minéraux résultant du métamorphisme de contact et de l'anatexie, mise en évidence par microanalyse. Certains éléments traces comme Zr, Hf, Y et les REE ont été concentrés dans le diopside néoformé consécutivement à la déstabilisation de minéraux primaires riches en ces éléments comme la kaersutite ou le sphène. Les compositions en éléments majeurs et traces des minéraux des mélanosomes et leucosomes des migmatites sont pratiquement identiques, indiquant une rééquilibration syn- à postsolidus lors du refroidissement de l'auréole de contact. La transformation progressive des filons basiques au niveau de leur minéralogie, textures et composition chimique a pu être observée en détail à l'approche du contact d'une apophyse de l'intrusion PX1. La paragenèse magmatique initiale n'est jamais préservée, les faciès les plus distants du contact étant constitués d'un assemblage pseudomorphique hydrothermal. Ce dernier est progressivement remplacé par des assemblages anhydres incluant du diopside néoformé, puis apparaissent les premiers signes de fusion partielle, dont l'importance varie fortement d'une lithologie à l'autre. L'apparition de faciès plus basiques en direction du contact, avec des teneurs réduites en SiO2 et en éléments incompatibles tels Rb, Cs, K, a été attribuée à l'échappement de leucosomes feldspathiques hors du système. Une étude microstructurale de la distribution spatiale du matériel leucocrate au sein des migmatites par microtomographie X de haute résolution (HRXµCT) a été menée pour mieux comprendre les processus de ségrégation des liquides dans l'auréole de PX1. De petites entités ovoïdes, représentant d'anciennes structures amygdalaires au sein des filons, ont été considérées comme des ellipsoïdes marqueurs de la déformation finie. Leur petit axe est orienté perpendiculairement aux plans définis par les leucosomes, eux-mêmes subparallèles au contact intrusif. Les leucosomes matérialisent donc des plans de clivage. Ainsi, la direction de raccourcissement maximum durant la fusion partielle était perpendiculaire à l'orientation des leucosomes, contrairement à ce qui a été dit dans de précédentes publications, qui suggéraient que les leucosomes représentaient des veines de tension. RESUME DE LA THESE (POUR LE GRAND PUBLIC) L'observation directe du soubassement d'une île volcanique est une occasion rare, accessible dans le «complexe de base » de l'île canarienne de Fuerteventura. Ce dernier a enregistré divers phénomènes magmatiques, métamorphiques et de fusion partielle induits par l'intrusion répétée de magmas alimentant des appareils volcaniques sus jacents, sous forme de petits plutons, essaims de filons et complexes annulaires de gabbros alcalins, pyroxénites, syénites et carbonatites. Dans ce contexte de flux de chaleur élevé, des filons basiques ont subi une fusion partielle au contact de deux intrusions de gabbro-pyroxénite, un phénomène extrêmement rare à une profondeur aussi réduite, estimée à quelque 3-6 km. Les produits de cette fusion partielle sont des liquides très riches en feldspath, concentrés en un réseau dense de veinules blanches (leucosomes) au sein du matériau résiduel sombre non fondu (mélanosome) pour former ce qu'on appelle des migmatites. Outre les aspects pétrologiques liés à la formation de ces migmatites, l'intérêt majeur du phénomène réside dans le fait qu'il puisse représenter la source des magmas évolués parfois observés sur les îles océaniques. A des pressions aussi faibles que dans le soubassement de Fuerteventura (1-2 Kbar), la présence de fluides abondants est nécessaire pour abaisser la température de début de fusion des roches (solidus) à des valeurs géologiquement réalistes. Des expériences ont montré que même en présence de plusieurs %-poids d'eau, une température de 1000°C était encore nécessaire pour obtenir une proportion de liquide équivalente à celle observée sur le terrain, soit 25%. Or les magmas alcalins des îles océaniques, bien qu'hydratés, n'en contiennent de loin pas autant, ce qui implique une source d'eau externe. Une étude isotopique de l'oxygène a été entreprise afin de tester cette hypothèse. Les valeurs obtenues en 5180 sont basses ou négatives et indiquent l'influence d'eau d'origine météorique. Cette eau de pluie se serait infiltrée le long des filons depuis la surface du volcan et les aurait complètement hydrothermalisés en profondeur (situation encore visible à l'extérieur de l'auréole de contact), leur permettant ainsi de stocker l'eau nécessaire à leur fusion partielle ultérieure. L'interaction entre eau de pluie et filons a été d'autant plus importante que ces derniers étaient proches du contact avec l'intrusion, ce qui suggère que la circulation de ces eaux et leur interaction avec les roches a été favorisée par la chaleur fournie par l'intrusion elle-même. Un autre aspect de ce travail s'est focalisé sur la redistribution des éléments traces au sein des minéraux des filons basiques durant le métamorphisme de contact et la fusion partielle. Ainsi, le pyroxène de seconde génération est-il sensiblement enrichi en traces telles Zr, Hf, Y et les terres rares, par rapport au pyroxène magmatique originel, en relation avec la déstabilisation de minéraux primaires riches en ces éléments tels le sphène et la kaersutite. Cependant, les compositions en éléments majeurs et traces des minéraux recristallisés des migmatites sont pratiquement les mêmes dans les leucosomes et les mélanosomes, suggérant une rééquilibration chimique complète durant le refroidissement de ces lithologies. Si certaines migmatites se sont comportées en système chimiquement fermé (hormis l'eau météorique), d'autres filons ont manifestement perdu une partie de leurs leucosomes, ainsi qu'en témoigne leur composition progressivement appauvrie en silice et autres éléments incompatibles mobiles, tels K et Rb à l'approche du contact de l'intrusion. Parallèlement à cette évolution chimique, les paragenèses hydrothermales distantes du contact sont progressivement remplacées par des paragenèses anhydres, puis par l'apparition des premiers leucosomes, tandis que les textures magmatiques initiales sont complètement effacées au profit d'une combinaison de textures magmatique dans les leucosomes et en mosaïque dans les mélanosomes. Enfin, la distribution spatiale des liquides de fusion partielle a été étudiée par microtomographie X de haute résolution, dans des filons contenant des entités ovoïdes leucocrates, sans doute d'anciennes amygdales à zéolites. Ces dernières ont été considérées comme des ellipsoïdes de la déformation finie. L'orientation de leur petit axe, perpendiculaire au plan défini par les veinules de leucosomes, indique que ces derniers représentent des plans de clivage perpendiculaires à la direction de raccourcissement maximum. Ainsi, la ségrégation des liquides de fusion partielle se serait faite dans les plans de compression et non dans des plans de dilatation, contrairement à ce que laisserait penser le sens commun.

Adaptive sequence evolution in a color gene involved in the formation of the characteristic egg-dummies of male haplochromine cichlid fishes.

BACKGROUND: The exceptionally diverse species flocks of cichlid fishes in East Africa are prime examples of parallel adaptive radiations. About 80% of East Africa's more than 1 800 endemic cichlid species, and all species of the flocks of Lakes Victoria and Malawi, belong to a particularly rapidly evolving lineage, the haplochromines. One characteristic feature of the haplochromines is their possession of egg-dummies on the males' anal fins. These egg-spots mimic real eggs and play an important role in the mating system of these maternal mouthbrooding fish. RESULTS: Here, we show that the egg-spots of haplochromines are made up of yellow pigment cells, xanthophores, and that a gene coding for a type III receptor tyrosine kinase, colony-stimulating factor 1 receptor a (csf1ra), is expressed in egg-spot tissue. Molecular evolutionary analyses reveal that the extracellular ligand-binding and receptor-interacting domain of csf1ra underwent adaptive sequence evolution in the ancestral lineage of the haplochromines, coinciding with the emergence of egg-dummies. We also find that csf1ra is expressed in the egg-dummies of a distantly related cichlid species, the ectodine cichlid Ophthalmotilapia ventralis, in which markings with similar functions evolved on the pelvic fin in convergence to those of the haplochromines. CONCLUSION: We conclude that modifications of existing signal transduction mechanisms might have evolved in the haplochromine lineage in association with the origination of anal fin egg-dummies. That positive selection has acted during the evolution of a color gene that seems to be involved in the morphogenesis of a sexually selected trait, the egg-dummies, highlights the importance of further investigations of the comparative genomic basis of the phenotypic diversification of cichlid fishes.

Predicting species distribution: offering more than simple habitat models

n the last two decades, interest in species distribution models (SDMs) of plants and animals has grown dramatically. Recent advances in SDMs allow us to potentially forecast anthropogenic effects on patterns of biodiversity at different spatial scales. However, some limitations still preclude the use of SDMs in many theoretical and practical applications. Here, we provide an overview of recent advances in this field, discuss the ecological principles and assumptions underpinning SDMs, and highlight critical limitations and decisions inherent in the construction and evaluation of SDMs. Particular emphasis is given to the use of SDMs for the assessment of climate change impacts and conservation management issues. We suggest new avenues for incorporating species migration, population dynamics, biotic interactions and community ecology into SDMs at multiple spatial scales. Addressing all these issues requires a better integration of SDMs with ecological theory.

Unfolding nature "in silico" : overcoming practical and metodological limitations of species distribution models

Abstract : The existence of a causal relationship between the spatial distribution of living organisms and their environment, in particular climate, has been long recognized and is the central principle of biogeography. In turn, this recognition has led scientists to the idea of using the climatic, topographic, edaphic and biotic characteristics of the environment to predict its potential suitability for a given species or biological community. In this thesis, my objective is to contribute to the development of methodological improvements in the field of species distribution modeling. More precisely, the objectives are to propose solutions to overcome limitations of species distribution models when applied to conservation biology issues, or when .used as an assessment tool of the potential impacts of global change. The first objective of my thesis is to contribute to evidence the potential of species distribution models for conservation-related applications. I present a methodology to generate pseudo-absences in order to overcome the frequent lack of reliable absence data. I also demonstrate, both theoretically (simulation-based) and practically (field-based), how species distribution models can be successfully used to model and sample rare species. Overall, the results of this first part of the thesis demonstrate the strong potential of species distribution models as a tool for practical applications in conservation biology. The second objective this thesis is to contribute to improve .projections of potential climate change impacts on species distributions, and in particular for mountain flora. I develop and a dynamic model, MIGCLIM, that allows the implementation of dispersal limitations into classic species distribution models and present an application of this model to two virtual species. Given that accounting for dispersal limitations requires information on seed dispersal, distances, a general methodology to classify species into broad dispersal types is also developed. Finally, the M~GCLIM model is applied to a large number of species in a study area of the western Swiss Alps. Overall, the results indicate that while dispersal limitations can have an important impact on the outcome of future projections of species distributions under climate change scenarios, estimating species threat levels (e.g. species extinction rates) for a mountainous areas of limited size (i.e. regional scale) can also be successfully achieved when considering dispersal as unlimited (i.e. ignoring dispersal limitations, which is easier from a practical point of view). Finally, I present the largest fine scale assessment of potential climate change impacts on mountain vegetation that has been carried-out to date. This assessment involves vegetation from 12 study areas distributed across all major western and central European mountain ranges. The results highlight that some mountain ranges (the Pyrenees and the Austrian Alps) are expected to be more affected by climate change than others (Norway and the Scottish Highlands). The results I obtain in this study also indicate that the threat levels projected by fine scale models are less severe than those derived from coarse scale models. This result suggests that some species could persist in small refugias that are not detected by coarse scale models. Résumé : L'existence d'une relation causale entre la répartition des espèces animales et végétales et leur environnement, en particulier le climat, a été mis en évidence depuis longtemps et est un des principes centraux en biogéographie. Ce lien a naturellement conduit à l'idée d'utiliser les caractéristiques climatiques, topographiques, édaphiques et biotiques de l'environnement afin d'en prédire la qualité pour une espèce ou une communauté. Dans ce travail de thèse, mon objectif est de contribuer au développement d'améliorations méthodologiques dans le domaine de la modélisation de la distribution d'espèces dans le paysage. Plus précisément, les objectifs sont de proposer des solutions afin de surmonter certaines limitations des modèles de distribution d'espèces dans des applications pratiques de biologie de la conservation ou dans leur utilisation pour évaluer l'impact potentiel des changements climatiques sur l'environnement. Le premier objectif majeur de mon travail est de contribuer à démontrer le potentiel des modèles de distribution d'espèces pour des applications pratiques en biologie de la conservation. Je propose une méthode pour générer des pseudo-absences qui permet de surmonter le problème récurent du manque de données d'absences fiables. Je démontre aussi, de manière théorique (par simulation) et pratique (par échantillonnage de terrain), comment les modèles de distribution d'espèces peuvent être utilisés pour modéliser et améliorer l'échantillonnage des espèces rares. Ces résultats démontrent le potentiel des modèles de distribution d'espèces comme outils pour des applications de biologie de la conservation. Le deuxième objectif majeur de ce travail est de contribuer à améliorer les projections d'impacts potentiels des changements climatiques sur la flore, en particulier dans les zones de montagnes. Je développe un modèle dynamique de distribution appelé MigClim qui permet de tenir compte des limitations de dispersion dans les projections futures de distribution potentielle d'espèces, et teste son application sur deux espèces virtuelles. Vu que le fait de prendre en compte les limitations dues à la dispersion demande des données supplémentaires importantes (p.ex. la distance de dispersion des graines), ce travail propose aussi une méthode de classification simplifiée des espèces végétales dans de grands "types de disperseurs", ce qui permet ainsi de d'obtenir de bonnes approximations de distances de dispersions pour un grand nombre d'espèces. Finalement, j'applique aussi le modèle MIGCLIM à un grand nombre d'espèces de plantes dans une zone d'études des pré-Alpes vaudoises. Les résultats montrent que les limitations de dispersion peuvent avoir un impact considérable sur la distribution potentielle d'espèces prédites sous des scénarios de changements climatiques. Cependant, quand les modèles sont utilisés pour évaluer les taux d'extinction d'espèces dans des zones de montages de taille limitée (évaluation régionale), il est aussi possible d'obtenir de bonnes approximations en considérant la dispersion des espèces comme illimitée, ce qui est nettement plus simple d'un point dé vue pratique. Pour terminer je présente la plus grande évaluation à fine échelle d'impact potentiel des changements climatiques sur la flore des montagnes conduite à ce jour. Cette évaluation englobe 12 zones d'études réparties sur toutes les chaines de montages principales d'Europe occidentale et centrale. Les résultats montrent que certaines chaines de montagnes (les Pyrénées et les Alpes Autrichiennes) sont projetées comme plus sensibles aux changements climatiques que d'autres (les Alpes Scandinaves et les Highlands d'Ecosse). Les résultats obtenus montrent aussi que les modèles à échelle fine projettent des impacts de changement climatiques (p. ex. taux d'extinction d'espèces) moins sévères que les modèles à échelle large. Cela laisse supposer que les modèles a échelle fine sont capables de modéliser des micro-niches climatiques non-détectées par les modèles à échelle large.

Establishment of models to study mouse and human retinogenesis "in vitro" : isolation and characterization of retinal stem cells

SUMMARY IN FRENCH Les cellules souches sont des cellules indifférenciées capables a) de proliférer, b) de s'auto¬renouveller, c) de produire des cellules différenciées, postmitotiques et fonctionnelles (multipotencialité), et d) de régénérer le tissu après des lésions. Par exemple, les cellules de souches hematopoiétiques, situées dans la moelle osseuse, peuvent s'amplifier, se diviser et produire diverses cellules différenciées au cours de la vie, les cellules souches restant dans la moelle osseuse et consentant leur propriété. Les cellules souches intestinales, situées dans la crypte des microvillosités peuvent également régénérer tout l'intestin au cours de la vie. La rétine se compose de six classes de neurones et d'un type de cellule gliale. Tous ces types de cellules sont produits par un progéniteur rétinien. Le pic de production des photorécepteurs se situe autour des premiers jours postnatals chez la souris. A cette période la rétine contient les cellules hautement prolifératives. Dans cette étude, nous avons voulu analyser le phénotype de ces cellules et leur potentiel en tant que cellules souches ou progénitrices. Nous nous sommes également concentrés sur l'effet de certains facteurs épigéniques sur leur destin cellulaire. Nous avons observé que toutes les cellules prolifératives isolées à partir de neurorétines postnatales de souris expriment le marqueur de glie radiaire RC2, ainsi que des facteurs de transcription habituellement trouvés dans la glie radiaire (Mash1, Pax6), et répondent aux critères des cellules souches : une capacité élevée d'expansion, un état indifférencié, la multipotencialité (démontrée par analyse clonale). Nous avons étudié la différentiation des cellules dans différents milieux de culture. En l'absence de sérum, l'EGF induit l'expression de la β-tubulin-III, un marqueur neuronal, et l'acquisition d'une morphologie neuronale, ceci dans 15% des cellules présentes. Nous avons également analysé la prolifération de cellules. Seulement 20% des cellules incorporent le bromodéoxyuridine (BrdU) qui est un marqueur de division cellulaire. Ceci démontre que l'EGF induit la formation des neurones sans une progression massive du cycle cellulaire. Par ailleurs, une stimulation de 2h d'EGF est suffisante pour induire la différentiation neuronale. Certains des neurones formés sont des cellules ganglionnaires rétiniennes (GR), comme l'indique l'expression de marqueurs de cellules ganglionnaires (Ath5, Brn3b et mélanopsine), et dans de rare cas d'autres neurones rétiniens ont été observés (photorécepteurs (PR) et cellules bipolaires). Nous avons confirmé que les cellules souches rétiniennes tardives n'étaient pas restreintes au cours du temps et qu'elles conservent leur multipotencialité en étant capables de générer des neurones dits précoces (GR) ou tardifs (PR). Nos résultats prouvent que l'EGF est non seulement un facteur contrôlant le développement glial, comme précédemment démontré, mais également un facteur efficace de différentiation pour les neurones rétiniens, du moins in vitro. D'autre part, nous avons voulu établir si l'oeil adulte humain contient des cellules souches rétiniennes (CSRs). L'oeil de certains poissons ou amphibiens continue de croître pendant l'âge adulte du fait de l'activité persistante des cellules souches rétiniennes. Chez les poissons, le CSRs se situe dans la marge ciliaire (CM) à la périphérie de la rétine. Bien que l'oeil des mammifères ne se développe plus pendant la vie d'adulte, plusieurs groupes ont prouvé que l'oeil de mammifères adultes contient des cellules souches rétiniennes également dans la marge ciliaire plus précisément dans l'épithélium pigmenté et non dans la neurorétine. Ces CSRs répondent à certains critères des cellules souches. Nous avons identifié et caractérisé les cellules souches rétiniennes résidant dans l'oeil adulte humain. Nous avons prouvé qu'elles partagent les mêmes propriétés que leurs homologues chez les rongeurs c.-à-d. auto-renouvellement, amplification, et différenciation en neurones rétiniens in vitro et in vivo (démontré par immunocoloration et microarray). D'autre part, ces cellules peuvent être considérablement amplifiées, tout en conservant leur potentiel de cellules souches, comme indiqué par l'analyse de leur profil d'expression génique (microarray). Elles expriment également des gènes communs à diverses cellules souches: nucleostemin, nestin, Brni1, Notch2, ABCG2, c-kit et son ligand, aussi bien que cyclin D3 qui agit en aval de c-kit. Nous avons pu montré que Bmi1et Oct4 sont nécessaires pour la prolifération des CSRs confortant leur propriété de cellules souches. Nos données indiquent que la neurorétine postnatale chez la souris et l'épithélium pigmenté de la marge ciliaire chez l'humain adulte contiennent les cellules souches rétiniennes. En outre, nous avons développé un système qui permet d'amplifier et de cultiver facilement les CSRs. Ce modèle permet de disséquer les mécanismes impliqués lors de la retinogenèse. Par exemple, ce système peut être employé pour l'étude des substances ou des facteurs impliqués, par exemple, dans la survie ou dans la génération des cellules rétiniennes. Il peut également aider à disséquer la fonction de gènes ou les facteurs impliqués dans la restriction ou la spécification du destin cellulaire. En outre, dans les pays occidentaux, la rétinite pigmentaire (RP) touche 1 individu sur 3500 et la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) affecte 1 % à 3% de la population âgée de plus de 60 ans. La génération in vitro de cellules rétiniennes est aussi un outil prometteur pour fournir une source illimitée de cellules pour l'étude de transplantation cellulaire pour la rétine. SUMMARY IN ENGLISH Stem cells are defined as undifferentiated cells capable of a) proliferation, b) self maintenance (self-renewability), c) production of many differentiated functional postmitotic cells (multipotency), and d) regenerating tissue after injury. For instance, hematopoietic stem cells, located in bone marrow, can expand, divide and generate differentiated cells into the diverse lineages throughout life, the stem cells conserving their status. In the villi crypt, the intestinal stem cells are also able to regenerate the intestine during their life time. The retina is composed of six classes of neurons and one glial cell. All these cell types are produced by the retinal progenitor cell. The peak of photoreceptor production is reached around the first postnatal days in rodents. Thus, at this stage the retina contains highly proliferative cells. In our research, we analyzed the phenotype of these cells and their potential as possible progenitor or stem cells. We also focused on the effect of epigenic factor(s) and cell fate determination. All the proliferating cells isolated from mice postnatal neuroretina harbored the radial glia marker RC2, expressed transcription factors usually found in radial glia (Mash 1, Pax6), and met the criteria of stem cells: high capacity of expansion, maintenance of an undifferentiated state, and multipotency demonstrated by clonal analysis. We analyzed the differentiation seven days after the transfer of the cells in different culture media. In the absence of serum, EGF led to the expression of the neuronal marker β-tubulin-III, and the acquisition of neuronal morphology in 15% of the cells. Analysis of cell proliferation by bromodeoxyuridine incorporation revealed that EGF mainly induced the formation of neurons without stimulating massively cell cycle progression. Moreover, a pulse of 2h EGF stimulation was sufficient to induce neuronal differentiation. Some neurons were committed to the retinal ganglion cell (RGC) phenotype, as revealed by the expression of retinal ganglion markers (Ath5, Brn3b and melanopsin), and in few cases to other retinal phenotypes (photoreceptors (PRs) and bipolar cells). We confirmed that the late RSCs were not restricted over-time and conserved multipotentcy characteristics by generating retinal phenotypes that usually appear at early (RGC) or late (PRs) developmental stages. Our results show that EGF is not only a factor controlling glial development, as previously shown, but also a potent differentiation factor for retinal neurons, at least in vitro. On the other hand, we wanted to find out if the adult human eye contains retina stem cells. The eye of some fishes and amphibians continues to grow during adulthood due to the persistent activity of retinal stem cells (RSCs). In fish, the RSCs are located in the ciliary margin zone (CMZ) at the periphery of the retina. Although, the adult mammalian eye does not grow during adult life, several groups have shown that the adult mouse eye contains retinal stem cells in the homologous zone (i.e. the ciliary margin), in the pigmented epithelium and not in the neuroretina. These RSCs meet some criteria of stem cells. We identified and characterized the human retinal stem cells. We showed that they posses the same features as their rodent counterpart i.e. they self-renew, expand and differentiate into retinal neurons in vitro and in vivo (indicated by immunostaining and microarray analysis). Moreover, they can be greatly expanded while conserving their sternness potential as revealed by the gene expression profile analysis (microarray approach). They also expressed genes common to various stem cells: nucleostemin, nestin, Bmil , Notch2, ABCG2, c-kit and its ligand, as well as cyclin D3 which acts downstream of c-kit. Furthermore, Bmil and Oct-4 were required for RSC proliferation reinforcing their stem cell identity. Our data indicate that the mice postnatal neuroretina and the adult pigmented epithelium of adult human ciliary margin contain retinal stem cells. We developed a system to easily expand and culture RSCs that can be used to investigate the retinogenesis. For example, it can help to screen drugs or factors involved, for instance, in the survival or generation of retinal cells. This could help to dissect genes or factors involved in the restriction or specification of retinal cell fate. In Western countries, retinitis pigmentosa (RP) affects 1 out of 3'500 individuals and age-related macula degeneration (AMD) strikes 1 % to 3% of the population over 60. In vitro generation of retinal cells is thus a promising tool to provide an unlimited cell source for cellular transplantation studies in the retina.

Impact of biological and environmental variabilities on biological monitoring: an approach using toxicokinetic models

Biological monitoring of occupational exposure is characterized by important variability, due both to variability in the environment and to biological differences between workers. A quantitative description and understanding of this variability is important for a dependable application of biological monitoring. This work describes this variability,using a toxicokinetic model, for a large range of chemicals for which reference biological reference values exist. A toxicokinetic compartmental model describing both the parent compound and its metabolites was used. For each chemical, compartments were given physiological meaning. Models were elaborated based on physiological, physicochemical, and biochemical data when available, and on half-lives and central compartment concentrations when not available. Fourteen chemicals were studied (arsenic, cadmium, carbon monoxide, chromium, cobalt, ethylbenzene, ethyleneglycol monomethylether, fluorides, lead, mercury, methyl isobutyl ketone, penthachlorophenol, phenol, and toluene), representing 20 biological indicators. Occupational exposures were simulated using Monte Carlo techniques with realistic distributions of both individual physiological parameters and exposure conditions. Resulting biological indicator levels were then analyzed to identify the contribution of environmental and biological variability to total variability. Comparison of predicted biological indicator levels with biological exposure limits showed a high correlation with the model for 19 out of 20 indicators. Variability associated with changes in exposure levels (GSD of 1.5 and 2.0) is shown to be mainly influenced by the kinetics of the biological indicator. Thus, with regard to variability, we can conclude that, for the 14 chemicals modeled, biological monitoring would be preferable to air monitoring. For short half-lives (less than 7 hr), this is very similar to the environmental variability. However, for longer half-lives, estimated variability decreased. [Supplementary materials are available for this article. Go to the publisher's online edition of Journal of Occupational and Environmental Hygiene for the following free supplemental resource: tables detailing the CBTK models for all 14 chemicals and the symbol nomenclature that was used.] [Authors]

Integrating detection probabilities in species distribution models of amphibians breeding in Mediterranean temporary ponds

Aim  The imperfect detection of species may lead to erroneous conclusions about species-environment relationships. Accuracy in species detection usually requires temporal replication at sampling sites, a time-consuming and costly monitoring scheme. Here, we applied a lower-cost alternative based on a double-sampling approach to incorporate the reliability of species detection into regression-based species distribution modelling.Location  Doñana National Park (south-western Spain).Methods  Using species-specific monthly detection probabilities, we estimated the detection reliability as the probability of having detected the species given the species-specific survey time. Such reliability estimates were used to account explicitly for data uncertainty by weighting each absence. We illustrated how this novel framework can be used to evaluate four competing hypotheses as to what constitutes primary environmental control of amphibian distribution: breeding habitat, aestivating habitat, spatial distribution of surrounding habitats and/or major ecosystems zonation. The study was conducted on six pond-breeding amphibian species during a 4-year period.Results  Non-detections should not be considered equivalent to real absences, as their reliability varied considerably. The occurrence of Hyla meridionalis and Triturus pygmaeus was related to a particular major ecosystem of the study area, where suitable habitat for these species seemed to be widely available. Characteristics of the breeding habitat (area and hydroperiod) were of high importance for the occurrence of Pelobates cultripes and Pleurodeles waltl. Terrestrial characteristics were the most important predictors of the occurrence of Discoglossus galganoi and Lissotriton boscai, along with spatial distribution of breeding habitats for the last species.Main conclusions  We did not find a single best supported hypothesis valid for all species, which stresses the importance of multiscale and multifactor approaches. More importantly, this study shows that estimating the reliability of non-detection records, an exercise that had been previously seen as a naïve goal in species distribution modelling, is feasible and could be promoted in future studies, at least in comparable systems.

Lipid metabolism in myelinating glial cells: lessons from human inherited disorders and mouse models.

The integrity of central and peripheral nervous system myelin is affected in numerous lipid metabolism disorders. This vulnerability was so far mostly attributed to the extraordinarily high level of lipid synthesis that is required for the formation of myelin, and to the relative autonomy in lipid synthesis of myelinating glial cells because of blood barriers shielding the nervous system from circulating lipids. Recent insights from analysis of inherited lipid disorders, especially those with prevailing lipid depletion and from mouse models with glia-specific disruption of lipid metabolism, shed new light on this issue. The particular lipid composition of myelin, the transport of lipid-associated myelin proteins, and the necessity for timely assembly of the myelin sheath all contribute to the observed vulnerability of myelin to perturbed lipid metabolism. Furthermore, the uptake of external lipids may also play a role in the formation of myelin membranes. In addition to an improved understanding of basic myelin biology, these data provide a foundation for future therapeutic interventions aiming at preserving glial cell integrity in metabolic disorders.

Aqueous dynamic and histological findings after deep sclerectomy with collagen implant in an animal model.

AIM: The use of an animal model to study the aqueous dynamic and the histological findings after deep sclerectomy with (DSCI) and without collagen implant. METHODS: Deep sclerectomy was performed on rabbits' eyes. Eyes were randomly assigned to receive collagen implants. Measurements of intraocular pressure (IOP) and aqueous outflow facility using the constant pressure method through cannulation of the anterior chamber were performed. The system was filled with BSS and cationised ferritin. Histological assessment of the operative site was performed. Sections were stained with haematoxylin and eosin and with Prussian blue. Aqueous drainage vessels were identified by the reaction between ferritin and Prussian blue. All eyes were coded so that the investigator was blind to the type of surgery until the evaluation was completed. RESULTS: A significant decrease in IOP (p<0.05) was observed during the first 6 weeks after DSCI (mean IOP was 13.07 (2.95) mm Hg preoperatively and 9.08 (2.25) mm Hg at 6 weeks); DS without collagen implant revealed a significant decrease in IOP at weeks 4 and 8 after surgery (mean IOP 12.57 (3.52) mm Hg preoperatively, 9.45 (3.38) mm Hg at 4 weeks, and 9.22 (3.39) mm Hg at 8 weeks). Outflow facility was significantly increased throughout the 9 months of follow up in both DSCI and DS groups (p<0.05). The preoperative outflow facility (OF) was 0.15 (0.02) micro l/min/mm Hg. At 9 months, OF was 0.52 (0.28) microl/min/mm Hg and 0.46 (0.07) micro l/min/mm Hg for DSCI and DS respectively. Light microscopy studies showed the appearance of new aqueous drainage vessels in the sclera adjacent to the dissection site in DSCI and DS and the apparition of spindle cells lining the collagen implant in DSCI after 2 months. CONCLUSION: A significant IOP decrease was observed during the first weeks after DSCI and DS. DS with or without collagen implant provided a significant increase in outflow facility throughout the 9 months of follow up. This might be partly explained by new drainage vessels in the sclera surrounding the operated site. Microscopic studies revealed the appearance of spindle cells lining the collagen implant in DSCI after 2 months.

Uncertainty Quantification with Support Vector Regression Prediction Models

Uncertainty quantification of petroleum reservoir models is one of the present challenges, which is usually approached with a wide range of geostatistical tools linked with statistical optimisation or/and inference algorithms. The paper considers a data driven approach in modelling uncertainty in spatial predictions. Proposed semi-supervised Support Vector Regression (SVR) model has demonstrated its capability to represent realistic features and describe stochastic variability and non-uniqueness of spatial properties. It is able to capture and preserve key spatial dependencies such as connectivity, which is often difficult to achieve with two-point geostatistical models. Semi-supervised SVR is designed to integrate various kinds of conditioning data and learn dependences from them. A stochastic semi-supervised SVR model is integrated into a Bayesian framework to quantify uncertainty with multiple models fitted to dynamic observations. The developed approach is illustrated with a reservoir case study. The resulting probabilistic production forecasts are described by uncertainty envelopes.

The effects of physiologically plausible connectivity structure on local and global dynamics in large scale brain models.

Functionally relevant large scale brain dynamics operates within the framework imposed by anatomical connectivity and time delays due to finite transmission speeds. To gain insight on the reliability and comparability of large scale brain network simulations, we investigate the effects of variations in the anatomical connectivity. Two different sets of detailed global connectivity structures are explored, the first extracted from the CoCoMac database and rescaled to the spatial extent of the human brain, the second derived from white-matter tractography applied to diffusion spectrum imaging (DSI) for a human subject. We use the combination of graph theoretical measures of the connection matrices and numerical simulations to explicate the importance of both connectivity strength and delays in shaping dynamic behaviour. Our results demonstrate that the brain dynamics derived from the CoCoMac database are more complex and biologically more realistic than the one based on the DSI database. We propose that the reason for this difference is the absence of directed weights in the DSI connectivity matrix.

Native homing endonucleases can target conserved genes in humans and in animal models.

In recent years, both homing endonucleases (HEases) and zinc-finger nucleases (ZFNs) have been engineered and selected for the targeting of desired human loci for gene therapy. However, enzyme engineering is lengthy and expensive and the off-target effect of the manufactured endonucleases is difficult to predict. Moreover, enzymes selected to cleave a human DNA locus may not cleave the homologous locus in the genome of animal models because of sequence divergence, thus hampering attempts to assess the in vivo efficacy and safety of any engineered enzyme prior to its application in human trials. Here, we show that naturally occurring HEases can be found, that cleave desirable human targets. Some of these enzymes are also shown to cleave the homologous sequence in the genome of animal models. In addition, the distribution of off-target effects may be more predictable for native HEases. Based on our experimental observations, we present the HomeBase algorithm, database and web server that allow a high-throughput computational search and assignment of HEases for the targeting of specific loci in the human and other genomes. We validate experimentally the predicted target specificity of candidate fungal, bacterial and archaeal HEases using cell free, yeast and archaeal assays.