The genetic structure of metapopulations and conservation biology.

A range of models describing metapopulations is surveyed and their implications for conservation biology are described. An overview of the use of both population genetic elements and demographic theory in metapopulation models is given. It would appear that most of the current models suffer from either the use of over-simplified demography or the avoidance of selectively important genetic factors. The scale for which predictions are made by the various models is often obscure. A conceptual framework for describing metapopulations by utilising the concept of fitness of local populations is provided and some examples are given. The expectation that any general theory, such as that of metapopulations, can make useful predictions for particular problems of conservation is examined and compared with the prevailing 'state of the art' recommendations.

Niche, distribution and global change : modeling insights into biogeography and conservation biology Olivier Broennimann

RESUME Les évidences montrant que les changements globaux affectent la biodiversité s'accumulent. Les facteurs les plus influant dans ce processus sont les changements et destructions d'habitat, l'expansion des espèces envahissantes et l'impact des changements climatiques. Une évaluation pertinente de la réponse des espèces face à ces changements est essentielle pour proposer des mesures permettant de réduire le déclin actuel de la biodiversité. La modélisation de la répartition d'espèces basée sur la niche (NBM) est l'un des rares outils permettant cette évaluation. Néanmoins, leur application dans le contexte des changements globaux repose sur des hypothèses restrictives et demande une interprétation critique. Ce travail présente une série d'études de cas investiguant les possibilités et limitations de cette approche pour prédire l'impact des changements globaux. Deux études traitant des menaces sur les espèces rares et en danger d'extinction sont présentées. Les caractéristiques éco-géographiques de 118 plantes avec un haut degré de priorité de conservation sont revues. La prévalence des types de rareté sont analysées en relation avec leur risque d'extinction UICN. La revue souligne l'importance de la conservation à l'échelle régionale. Une évaluation de la rareté à échelle globale peut être trompeuse pour certaine espèces car elle ne tient pas en compte des différents degrés de rareté que présente une espèce à différentes échelles spatiales. La deuxième étude test une approche pour améliorer l'échantillonnage d'espèces rares en incluant des phases itératives de modélisation et d'échantillonnage sur le terrain. L'application de l'approche en biologie de la conservation (illustrée ici par le cas du chardon bleu, Eryngium alpinum), permettrait de réduire le temps et les coûts d'échantillonnage. Deux études sur l'impact des changements climatiques sur la faune et la flore africaine sont présentées. La première étude évalue la sensibilité de 227 mammifères africains face aux climatiques d'ici 2050. Elle montre qu'un nombre important d'espèces pourrait être bientôt en danger d'extinction et que les parcs nationaux africains (principalement ceux situé en milieux xériques) pourraient ne pas remplir leur mandat de protection de la biodiversité dans le futur. La seconde étude modélise l'aire de répartition en 2050 de 975 espèces de plantes endémiques du sud de l'Afrique. L'étude propose l'inclusion de méthodes améliorant la prédiction des risques liés aux changements climatiques. Elle propose également une méthode pour estimer a priori la sensibilité d'une espèce aux changements climatiques à partir de ses propriétés écologiques et des caractéristiques de son aire de répartition. Trois études illustrent l'utilisation des modèles dans l'étude des invasions biologiques. Une première étude relate l'expansion de la laitue sáuvage (Lactuca serriola) vers le nord de l'Europe en lien avec les changements du climat depuis 250 ans. La deuxième étude analyse le potentiel d'invasion de la centaurée tachetée (Centaures maculosa), une mauvaise herbe importée en Amérique du nord vers 1890. L'étude apporte la preuve qu'une espèce envahissante peut occuper une niche climatique différente après introduction sur un autre continent. Les modèles basés sur l'aire native prédisent de manière incorrecte l'entier de l'aire envahie mais permettent de prévoir les aires d'introductions potentielles. Une méthode alternative, incluant la calibration du modèle à partir des deux aires où l'espèce est présente, est proposée pour améliorer les prédictions de l'invasion en Amérique du nord. Je présente finalement une revue de la littérature sur la dynamique de la niche écologique dans le temps et l'espace. Elle synthétise les récents développements théoriques concernant le conservatisme de la niche et propose des solutions pour améliorer la pertinence des prédictions d'impact des changements climatiques et des invasions biologiques. SUMMARY Evidences are accumulating that biodiversity is facing the effects of global change. The most influential drivers of change in ecosystems are land-use change, alien species invasions and climate change impacts. Accurate projections of species' responses to these changes are needed to propose mitigation measures to slow down the on-going erosion of biodiversity. Niche-based models (NBM) currently represent one of the only tools for such projections. However, their application in the context of global changes relies on restrictive assumptions, calling for cautious interpretations. In this thesis I aim to assess the effectiveness and shortcomings of niche-based models for the study of global change impacts on biodiversity through the investigation of specific, unsolved limitations and suggestion of new approaches. Two studies investigating threats to rare and endangered plants are presented. I review the ecogeographic characteristic of 118 endangered plants with high conservation priority in Switzerland. The prevalence of rarity types among plant species is analyzed in relation to IUCN extinction risks. The review underlines the importance of regional vs. global conservation and shows that a global assessment of rarity might be misleading for some species because it can fail to account for different degrees of rarity at a variety of spatial scales. The second study tests a modeling framework including iterative steps of modeling and field surveys to improve the sampling of rare species. The approach is illustrated with a rare alpine plant, Eryngium alpinum and shows promise for complementing conservation practices and reducing sampling costs. Two studies illustrate the impacts of climate change on African taxa. The first one assesses the sensitivity of 277 mammals at African scale to climate change by 2050 in terms of species richness and turnover. It shows that a substantial number of species could be critically endangered in the future. National parks situated in xeric ecosystems are not expected to meet their mandate of protecting current species diversity in the future. The second study model the distribution in 2050 of 975 endemic plant species in southern Africa. The study proposes the inclusion of new methodological insights improving the accuracy and ecological realism of predictions of global changes studies. It also investigates the possibility to estimate a priori the sensitivity of a species to climate change from the geographical distribution and ecological proprieties of the species. Three studies illustrate the application of NBM in the study of biological invasions. The first one investigates the Northwards expansion of Lactuca serriola L. in Europe during the last 250 years in relation with climate changes. In the last two decades, the species could not track climate change due to non climatic influences. A second study analyses the potential invasion extent of spotted knapweed, a European weed first introduced into North America in the 1890s. The study provides one of the first empirical evidence that an invasive species can occupy climatically distinct niche spaces following its introduction into a new area. Models fail to predict the current full extent of the invasion, but correctly predict areas of introduction. An alternative approach, involving the calibration of models with pooled data from both ranges, is proposed to improve predictions of the extent of invasion on models based solely on the native range. I finally present a review on the dynamic nature of ecological niches in space and time. It synthesizes the recent theoretical developments to the niche conservatism issues and proposes solutions to improve confidence in NBM predictions of the impacts of climate change and species invasions on species distributions.

Contribution to the conservation biology of the wood ant Formica lugubris (Hymenoptera, Formicidae) in Switzerland

Summary Among ants, wood ants are probably the most fascinating and studied species in temperate European forests. Unfortunately, due to several threats they are nowadays registered in red lists. Recent studies made in the Swiss Jura Mountains ended up in the description of a new sympatric sibling species of Formica lugubris (i.e. Formica paralugubris Seifert 1996). Because of this confusion the biology of F. lugubris is incomplete. Due to the extreme difficulties to distinguish morphologically F. lugubris from F. paralugubris we studied their cuticular hydrocarbons profiles. Irrespective of their geographic origin, we observed quantitative discrimination between species within each caste (workers, males and gynes =young alate female). Moreover, using a behavioural taxonomic approach (i.e. the pupa-carrying test) we showed that ants preferred conspecific worker pupae to those of the sibling species. These first results allowed us to consider the two species as two separate taxonomic units. To understand their coexistence, habitat distribution models were fitted with GIS predictors and factors known to influence wood ant distribution. In the Jura Mountains, although the two species share very similar habitats, they are spatially segregated. F. lugubris occurs more frequently at woodland borders than in forest interiors. We demonstrated with genetic and field data that Formica lugubris displays two different social forms in close proximity in alpine zone (e.g. unmanaged forests of the Swiss National Park). We discovered populations mostly monogynous to weakly polygynous (i.e. one to a few egg laying queens per colony) and monodomous (i.e. one nest per colony), and polygynous/polydomous populations (new nests being founded by colony budding). It is generally admitted that monogyne species disperse well in order to find suitable habitat to found new colonies whereas polygyne species have restricted dispersal and local mating within the nest. In order to compare reproductive strategies of F. lugubris and F. paralugubris (i.e. matings and dealation process) we conducted experiments with sexuals. F, lugubris gynes from monogynous/monodomous populations do not show a local strategy like the obligately polygynous F. paralugubris (i.e. early dealation even without mating, insemination without flight activity and low fat reserve). They always keep their wings, do not mate when not able to fly and have high amount of fat content revealing high survival capacities. On the other side, F, lugubris gynes from polygynous/polydomous populations have lower lipid reserves and displayed a reproductive behaviour close to the F. para lugubris one. After dispersal, wood ant gynes can either start new societies by temporary social parasitism of another species (i.e. subgenus Serviformica) or be adopted intraspecifically in an existing nest. In F. lugubris, we demonstrated that gynes from monogynous/monodomous colonies showed a high success for temporary social parasitism compare to the lower success of gynes from polygynous/polydomous colonies. However, physiological analyses suggested that only gynes from monogynous/ monodomous populations can efficiently disperse and found new nest by temporary social parasitism. Intraspecifically, gynes were accepted to a high degree in polygynous nest and in monogynous nests as long as these nests contained sexuals. In conclusion, Formica lugubris displays a social and dispersal polymorphism (mixed mating and founding system) representing a behavioural plasticity in relation to environmental and ecological conditions. Therefore, conservation measures directed toward this species should try to maintain a maximum of diversity at the habitat level. Résumé Les fourmis des bois sont probablement parmi les espèces de fourmis les plus fascinantes et les plus étudiées des forêts tempérées Européennes. Actuellement, du fait de différentes menaces, elles figurent malheureusement sur listes rouges. Plusieurs études menées au sein du Jura Suisse ont abouti à la description d'une nouvelle espèce jumelle et sympatrique de Formica lugubris (F. para- lugubris Seifert 1996). A cause de cette confusion la biologie de F lugubris est lacunaire. La distinction morphologique de F. lugubris et de F. para lugubris est si difficile que nous avons étudié leurs hydrocarbures cuticulaires. Indépendamment de l'origine géographique, nous avons observé une discrimination quantitative entre les espèces au sein de chaque caste (ouvrières, mâles et jeunes femelles ailées). De plus, à l'aide d'une approche taxonomique comportementale (le test de transport de cocons) nous avons montré que les fourmis préfèrent des cocons d'ouvrières conspécifiques à ceux de l'espèce jumelle. Ces premiers résultats nous permettent de considérer ces deux espèces comme deux unités taxonomiques distinctes et valables. Afin de comprendre leur coexistence, des modèles mathématiques ont été développés avec des données SIG et des facteurs écologiques influençant la répartition des fournis des bois. Dans le Jura, même si elles partagent des habitats fortement similaires, les deux espèces n'occupent pas les mêmes secteurs. F. lugubris est plus fréquente en lisière forestière plutôt qu'en pleine forêt. Nous avons démontré grâce à des données génétiques et de terrain que F. lugubris présente deux formes sociales au sein de la zone alpine (forêts protégées du Parc National Suisse). D'autre part, nous avons découvert des populations monogynes à faiblement polygynes (une à quelques reines pondeuses par colonie) et monodomes (colonies composées d'une seule fourmilière), et des populations polygynes/polydomes (les nouveaux nids étant produit par bourgeonnement). Généralement, les espèces monogynes dispersent sur de grandes distances et peuvent coloniser des habitats favorables à la fondation de nouvelles colonies alors que les espèces polygynes possèdent une dispersion limitée avec des accouplements à l'intérieur des nids. Afin de comparer les stratégies de reproduction de F. lugubris et de F. paralugubris (accouplements et perte des ailes) nous avons mené des expériences avec les sexués. Les jeunes femelles ailées de F. lugubris issues de populations monogynes/monodomes ne présentent pas de stratégie locale comparée à l'espèce obligatoirement polygyne F paralugubris (perte des ailes précoce même si il n'y a pas eu accouplement, insémination possible sans avoir volé activement et faibles réserves de graisse). Elles conservent toujours leurs ailes, ne s'accouplent pas lorsqu'elles sont empêchées de voler et possèdent de grandes quantités de graisse révélant de fortes capacités de survie. D'autre part, les jeunes femelles ailées de F. lugubris provenant de populations polygynes/polydomes ont peu de réserves lipidiques et ont un comportement de reproduction proche de celles de F. paralugubris. Après leur dispersion, les jeunes sexués femelles de fourmis des bois peuvent soit fonder une nouvelle société par parasitisme social temporaire d'un nid d'une autre espèce (sous-genre Serviformica) soit être adoptées dans un nid déjà existant de leur propre espèce. Chez F. lugubris, nous avons pu démontrer que les jeunes sexués femelles de colonies monogynes/monodomes présentent un succès élevé au parasitisme sociale temporaire en comparaison au plus faible succès obtenu avec des sexués provenant de colonies polygynes/polydomes. Cependant, les données physiologiques suggèrent que seules les jeunes sexués femelles de populations mono-gynes/monodomes peuvent disperser efficacement et fonder un nouveau nid par parasitisme social temporaire. Au niveau intraspécifique, les jeunes femelles sont acceptées à un taux élevé dans les nids polygynes mais aussi dans les nids monogynes tant que ces nids possèdent encore de jeunes sexués. En conclusion, F. lugubris est caractérisée par un polymorphisme dans ses structures sociales et ses stratégies de dispersion (système mixte d'accouplement et de fondation) ce qui représente une forte plasticité comportementale en relation avec les conditions environnementales et écologiques. Par conséquent, les mesures de conservation de cette espèce devraient s'attacher à maintenir un maximum de diversité au niveau des habitats.

Spatial predictions of phylogenetic diversity in conservation decision making.

Considering genetic relatedness among species has long been argued as an important step toward measuring biological diversity more accurately, rather than relying solely on species richness. Some researchers have correlated measures of phylogenetic diversity and species richness across a series of sites and suggest that values of phylogenetic diversity do not differ enough from those of species richness to justify their inclusion in conservation planning. We compared predictions of species richness and 10 measures of phylogenetic diversity by creating distribution models for 168 individual species of a species-rich plant family, the Cape Proteaceae. When we used average amounts of land set aside for conservation to compare areas selected on the basis of species richness with areas selected on the basis of phylogenetic diversity, correlations between species richness and different measures of phylogenetic diversity varied considerably. Correlations between species richness and measures that were based on the length of phylogenetic tree branches and tree shape were weaker than those that were based on tree shape alone. Elevation explained up to 31% of the segregation of species rich versus phylogenetically rich areas. Given these results, the increased availability of molecular data, and the known ecological effect of phylogenetically rich communities, consideration of phylogenetic diversity in conservation decision making may be feasible and informative.

Species distribution models for conservation-oriented studies in Switzerland : filling data and tools gaps

SUMMARYSpecies distribution models (SDMs) represent nowadays an essential tool in the research fields of ecology and conservation biology. By combining observations of species occurrence or abundance with information on the environmental characteristic of the observation sites, they can provide information on the ecology of species, predict their distributions across the landscape or extrapolate them to other spatial or time frames. The advent of SDMs, supported by geographic information systems (GIS), new developments in statistical models and constantly increasing computational capacities, has revolutionized the way ecologists can comprehend species distributions in their environment. SDMs have brought the tool that allows describing species realized niches across a multivariate environmental space and predict their spatial distribution. Predictions, in the form of probabilistic maps showing the potential distribution of the species, are an irreplaceable mean to inform every single unit of a territory about its biodiversity potential. SDMs and the corresponding spatial predictions can be used to plan conservation actions for particular species, to design field surveys, to assess the risks related to the spread of invasive species, to select reserve locations and design reserve networks, and ultimately, to forecast distributional changes according to scenarios of climate and/or land use change.By assessing the effect of several factors on model performance and on the accuracy of spatial predictions, this thesis aims at improving techniques and data available for distribution modelling and at providing the best possible information to conservation managers to support their decisions and action plans for the conservation of biodiversity in Switzerland and beyond. Several monitoring programs have been put in place from the national to the global scale, and different sources of data now exist and start to be available to researchers who want to model species distribution. However, because of the lack of means, data are often not gathered at an appropriate resolution, are sampled only over limited areas, are not spatially explicit or do not provide a sound biological information. A typical example of this is data on 'habitat' (sensu biota). Even though this is essential information for an effective conservation planning, it often has to be approximated from land use, the closest available information. Moreover, data are often not sampled according to an established sampling design, which can lead to biased samples and consequently to spurious modelling results. Understanding the sources of variability linked to the different phases of the modelling process and their importance is crucial in order to evaluate the final distribution maps that are to be used for conservation purposes.The research presented in this thesis was essentially conducted within the framework of the Landspot Project, a project supported by the Swiss National Science Foundation. The main goal of the project was to assess the possible contribution of pre-modelled 'habitat' units to model the distribution of animal species, in particular butterfly species, across Switzerland. While pursuing this goal, different aspects of data quality, sampling design and modelling process were addressed and improved, and implications for conservation discussed. The main 'habitat' units considered in this thesis are grassland and forest communities of natural and anthropogenic origin as defined in the typology of habitats for Switzerland. These communities are mainly defined at the phytosociological level of the alliance. For the time being, no comprehensive map of such communities is available at the national scale and at fine resolution. As a first step, it was therefore necessary to create distribution models and maps for these communities across Switzerland and thus to gather and collect the necessary data. In order to reach this first objective, several new developments were necessary such as the definition of expert models, the classification of the Swiss territory in environmental domains, the design of an environmentally stratified sampling of the target vegetation units across Switzerland, the development of a database integrating a decision-support system assisting in the classification of the relevés, and the downscaling of the land use/cover data from 100 m to 25 m resolution.The main contributions of this thesis to the discipline of species distribution modelling (SDM) are assembled in four main scientific papers. In the first, published in Journal of Riogeography different issues related to the modelling process itself are investigated. First is assessed the effect of five different stepwise selection methods on model performance, stability and parsimony, using data of the forest inventory of State of Vaud. In the same paper are also assessed: the effect of weighting absences to ensure a prevalence of 0.5 prior to model calibration; the effect of limiting absences beyond the environmental envelope defined by presences; four different methods for incorporating spatial autocorrelation; and finally, the effect of integrating predictor interactions. Results allowed to specifically enhance the GRASP tool (Generalized Regression Analysis and Spatial Predictions) that now incorporates new selection methods and the possibility of dealing with interactions among predictors as well as spatial autocorrelation. The contribution of different sources of remotely sensed information to species distribution models was also assessed. The second paper (to be submitted) explores the combined effects of sample size and data post-stratification on the accuracy of models using data on grassland distribution across Switzerland collected within the framework of the Landspot project and supplemented with other important vegetation databases. For the stratification of the data, different spatial frameworks were compared. In particular, environmental stratification by Swiss Environmental Domains was compared to geographical stratification either by biogeographic regions or political states (cantons). The third paper (to be submitted) assesses the contribution of pre- modelled vegetation communities to the modelling of fauna. It is a two-steps approach that combines the disciplines of community ecology and spatial ecology and integrates their corresponding concepts of habitat. First are modelled vegetation communities per se and then these 'habitat' units are used in order to model animal species habitat. A case study is presented with grassland communities and butterfly species. Different ways of integrating vegetation information in the models of butterfly distribution were also evaluated. Finally, a glimpse to climate change is given in the fourth paper, recently published in Ecological Modelling. This paper proposes a conceptual framework for analysing range shifts, namely a catalogue of the possible patterns of change in the distribution of a species along elevational or other environmental gradients and an improved quantitative methodology to identify and objectively describe these patterns. The methodology was developed using data from the Swiss national common breeding bird survey and the article presents results concerning the observed shifts in the elevational distribution of breeding birds in Switzerland.The overall objective of this thesis is to improve species distribution models as potential inputs for different conservation tools (e.g. red lists, ecological networks, risk assessment of the spread of invasive species, vulnerability assessment in the context of climate change). While no conservation issues or tools are directly tested in this thesis, the importance of the proposed improvements made in species distribution modelling is discussed in the context of the selection of reserve networks.RESUMELes modèles de distribution d'espèces (SDMs) représentent aujourd'hui un outil essentiel dans les domaines de recherche de l'écologie et de la biologie de la conservation. En combinant les observations de la présence des espèces ou de leur abondance avec des informations sur les caractéristiques environnementales des sites d'observation, ces modèles peuvent fournir des informations sur l'écologie des espèces, prédire leur distribution à travers le paysage ou l'extrapoler dans l'espace et le temps. Le déploiement des SDMs, soutenu par les systèmes d'information géographique (SIG), les nouveaux développements dans les modèles statistiques, ainsi que la constante augmentation des capacités de calcul, a révolutionné la façon dont les écologistes peuvent comprendre la distribution des espèces dans leur environnement. Les SDMs ont apporté l'outil qui permet de décrire la niche réalisée des espèces dans un espace environnemental multivarié et prédire leur distribution spatiale. Les prédictions, sous forme de carte probabilistes montrant la distribution potentielle de l'espèce, sont un moyen irremplaçable d'informer chaque unité du territoire de sa biodiversité potentielle. Les SDMs et les prédictions spatiales correspondantes peuvent être utilisés pour planifier des mesures de conservation pour des espèces particulières, pour concevoir des plans d'échantillonnage, pour évaluer les risques liés à la propagation d'espèces envahissantes, pour choisir l'emplacement de réserves et les mettre en réseau, et finalement, pour prévoir les changements de répartition en fonction de scénarios de changement climatique et/ou d'utilisation du sol. En évaluant l'effet de plusieurs facteurs sur la performance des modèles et sur la précision des prédictions spatiales, cette thèse vise à améliorer les techniques et les données disponibles pour la modélisation de la distribution des espèces et à fournir la meilleure information possible aux gestionnaires pour appuyer leurs décisions et leurs plans d'action pour la conservation de la biodiversité en Suisse et au-delà. Plusieurs programmes de surveillance ont été mis en place de l'échelle nationale à l'échelle globale, et différentes sources de données sont désormais disponibles pour les chercheurs qui veulent modéliser la distribution des espèces. Toutefois, en raison du manque de moyens, les données sont souvent collectées à une résolution inappropriée, sont échantillonnées sur des zones limitées, ne sont pas spatialement explicites ou ne fournissent pas une information écologique suffisante. Un exemple typique est fourni par les données sur 'l'habitat' (sensu biota). Même s'il s'agit d'une information essentielle pour des mesures de conservation efficaces, elle est souvent approximée par l'utilisation du sol, l'information qui s'en approche le plus. En outre, les données ne sont souvent pas échantillonnées selon un plan d'échantillonnage établi, ce qui biaise les échantillons et par conséquent les résultats de la modélisation. Comprendre les sources de variabilité liées aux différentes phases du processus de modélisation s'avère crucial afin d'évaluer l'utilisation des cartes de distribution prédites à des fins de conservation.La recherche présentée dans cette thèse a été essentiellement menée dans le cadre du projet Landspot, un projet soutenu par le Fond National Suisse pour la Recherche. L'objectif principal de ce projet était d'évaluer la contribution d'unités 'd'habitat' pré-modélisées pour modéliser la répartition des espèces animales, notamment de papillons, à travers la Suisse. Tout en poursuivant cet objectif, différents aspects touchant à la qualité des données, au plan d'échantillonnage et au processus de modélisation sont abordés et améliorés, et leurs implications pour la conservation des espèces discutées. Les principaux 'habitats' considérés dans cette thèse sont des communautés de prairie et de forêt d'origine naturelle et anthropique telles que définies dans la typologie des habitats de Suisse. Ces communautés sont principalement définies au niveau phytosociologique de l'alliance. Pour l'instant aucune carte de la distribution de ces communautés n'est disponible à l'échelle nationale et à résolution fine. Dans un premier temps, il a donc été nécessaire de créer des modèles de distribution de ces communautés à travers la Suisse et par conséquent de recueillir les données nécessaires. Afin d'atteindre ce premier objectif, plusieurs nouveaux développements ont été nécessaires, tels que la définition de modèles experts, la classification du territoire suisse en domaines environnementaux, la conception d'un échantillonnage environnementalement stratifié des unités de végétation cibles dans toute la Suisse, la création d'une base de données intégrant un système d'aide à la décision pour la classification des relevés, et le « downscaling » des données de couverture du sol de 100 m à 25 m de résolution. Les principales contributions de cette thèse à la discipline de la modélisation de la distribution d'espèces (SDM) sont rassemblées dans quatre articles scientifiques. Dans le premier article, publié dans le Journal of Biogeography, différentes questions liées au processus de modélisation sont étudiées en utilisant les données de l'inventaire forestier de l'Etat de Vaud. Tout d'abord sont évalués les effets de cinq méthodes de sélection pas-à-pas sur la performance, la stabilité et la parcimonie des modèles. Dans le même article sont également évalués: l'effet de la pondération des absences afin d'assurer une prévalence de 0.5 lors de la calibration du modèle; l'effet de limiter les absences au-delà de l'enveloppe définie par les présences; quatre méthodes différentes pour l'intégration de l'autocorrélation spatiale; et enfin, l'effet de l'intégration d'interactions entre facteurs. Les résultats présentés dans cet article ont permis d'améliorer l'outil GRASP qui intègre désonnais de nouvelles méthodes de sélection et la possibilité de traiter les interactions entre variables explicatives, ainsi que l'autocorrélation spatiale. La contribution de différentes sources de données issues de la télédétection a également été évaluée. Le deuxième article (en voie de soumission) explore les effets combinés de la taille de l'échantillon et de la post-stratification sur le la précision des modèles. Les données utilisées ici sont celles concernant la répartition des prairies de Suisse recueillies dans le cadre du projet Landspot et complétées par d'autres sources. Pour la stratification des données, différents cadres spatiaux ont été comparés. En particulier, la stratification environnementale par les domaines environnementaux de Suisse a été comparée à la stratification géographique par les régions biogéographiques ou par les cantons. Le troisième article (en voie de soumission) évalue la contribution de communautés végétales pré-modélisées à la modélisation de la faune. C'est une approche en deux étapes qui combine les disciplines de l'écologie des communautés et de l'écologie spatiale en intégrant leurs concepts de 'habitat' respectifs. Les communautés végétales sont modélisées d'abord, puis ces unités de 'habitat' sont utilisées pour modéliser les espèces animales. Une étude de cas est présentée avec des communautés prairiales et des espèces de papillons. Différentes façons d'intégrer l'information sur la végétation dans les modèles de répartition des papillons sont évaluées. Enfin, un clin d'oeil aux changements climatiques dans le dernier article, publié dans Ecological Modelling. Cet article propose un cadre conceptuel pour l'analyse des changements dans la distribution des espèces qui comprend notamment un catalogue des différentes formes possibles de changement le long d'un gradient d'élévation ou autre gradient environnemental, et une méthode quantitative améliorée pour identifier et décrire ces déplacements. Cette méthodologie a été développée en utilisant des données issues du monitoring des oiseaux nicheurs répandus et l'article présente les résultats concernant les déplacements observés dans la distribution altitudinale des oiseaux nicheurs en Suisse.L'objectif général de cette thèse est d'améliorer les modèles de distribution des espèces en tant que source d'information possible pour les différents outils de conservation (par exemple, listes rouges, réseaux écologiques, évaluation des risques de propagation d'espèces envahissantes, évaluation de la vulnérabilité des espèces dans le contexte de changement climatique). Bien que ces questions de conservation ne soient pas directement testées dans cette thèse, l'importance des améliorations proposées pour la modélisation de la distribution des espèces est discutée à la fin de ce travail dans le contexte de la sélection de réseaux de réserves.

Conservation genetics and population monitoring of the Alpine Salamander (Salamandra Atra) :

SUMMARYIn the context of the biodiversity crisis, amphibians are experiencing the most severe worldwide decline of all vertebrates and are in urgent need of better management. Efficient conservation strategies rely on sound knowledge of the species biology and of the genetic and demographic processes that might impair their welfare. Nonetheless, these processes are poorly understood in amphibians. Delineating population boundaries remains consequently problematic for these species, while it is of critical importance to define adequate management units for conservation. In this study, our attention focused on the alpine salamander (Salamandra atra), a species that deserves much interest in terms of both conservation biology and evolution. This endemic alpine species shows peculiar life-history traits (viviparity, reduced activity period, slow maturation) and has a slow population turnover, which might be problematic for its persistence in a changing environment. Due to its elusive behaviour (individuals spend most of their time underground and are unavailable for sampling), dynamic processes of gene and individuals were poorly understood for that species. Consequently, its conservation status could hardly be reliably assessed. Similarly the fire salamander (Salamandra salamandra) also poses special challenges for conservation, as no clear demarcation of geographical populations exists and dispersal patterns are poorly known. Through a phylogeographic analysis, we first studied the evolutionary history of the alpine salamander to better document the distribution of the genetic diversity along its geographical range. This study highlighted the presence of multiple divergent lineages in Italy together with a clear genetic divergence between populations from Northern and Dinaric Alps. These signs of cryptic genetic differentiation, which are not accounted for by the current taxonomy of the species, should not be neglected for further definition of conservation units. In addition, our data supported glacial survival of the species in northern peripheral glacial réfugia and nunataks, a pattern rarely documented for long-lived species. Then, we evaluated the level of gene flow between populations at the local scale and tested for asymmetries in male versus female dispersal using both field-based (mark-recapture) and genetic approaches. This study revealed high level of gene flow between populations, which stems mainly from male dispersal. This corroborated the idea that salamanders are much better dispersers than hitherto thought and provided a well- supported example of male-biased dispersal in amphibians. In a third step, based on a mark- recapture survey, we addressed the problem of sampling unavailability in alpine salamanders and evaluated its impact on two monitoring methods. We showed that about three quarters of individuals were unavailable for sampling during sampling sessions, a proportion that can vary with climatic conditions. If not taken into account, these complexities would result in false assumptions on population trends and misdirect conservation efforts. Finally, regarding the daunting task of delineating management units, our attention was drawn on the fire salamander. We conducted a local population genetic study that revealed high levels of gene flow among sampling sites. Management units for this species should consequently be large. Interestingly, despite the presence of several landscape features often reported to act as barriers, genetic breaks occurred at unexpected places. This suggests that landscape features may rather have idiosyncratic effects on population structure. In conclusion, this work brought new insights on both genetic and demographic processes occurring in salamanders. The results suggest that some biological paradigms should be taken with caution when particular species are in focus. Species- specific studies remain thus fundamental for a better understanding of species evolution and conservation, particularly in the context of current global changes.RESUMEDans le contexte de la crise de la biodiversité actuelle, les amphibiens subissent le déclin le plus important de tous les vertébrés et ont urgemment besoin d'une meilleure protection. L'établissement de stratégies de conservation efficaces repose sur des connaissances solides de la biologie des espèces et des processus génétiques et démographiques pouvant menacer leur survie. Ces processus sont néanmoins encore peu étudiés chez les amphibiens.Dans cette étude, notre attention s'est portée sur la salamandre noire (Salamandra atra), une espèce endémique des Alpes dont les traits d'histoire de vie atypiques (viviparité, phase d'activité réduite, lent turnover des populations) pourraient la rendre très vulnérable face aux changements environnementaux. Par ailleurs, en raison de son comportement cryptique (les individus passent la plupart de leur temps sous terre) la dynamique des gènes et des individus est mal comprise chez cette espèce. Il est donc difficile d'évaluer son statut de conservation de manière fiable. La salamandre tachetée {Salamandra salamandra), pour qui il n'existe aucune démarcation géographique apparente des populations, pose également des problèmes en termes de gestion. Dans un premier temps, nous avons étudié l'histoire évolutive de la salamandre noire afin de mieux décrire la distribution de sa diversité génétique au sein de son aire géographique. Cela a permis de mettre en évidence la présence de multiples lignées en Italie, ainsi qu'une nette divergence entre les populations du nord des Alpes et des Alpes dinariques. Ces résultats seront à prendre en compte lorsqu'il s'agira de définir des unités de conservation pour cette espèce. D'autre part, nos données soutiennent l'hypothèse d'une survie glaciaire dans des refuges nordiques périglaciaires ou dans des nunataks, fait rarement documenté pour une espèce longévive. Nous avons ensuite évalué la différentiation génétique des populations à l'échelle locale, ce qui a révélé d'important flux de gènes, ainsi qu'une asymétrie de dispersion en faveur des mâles. Ces résultats corroborent l'idée que les amphibiens dispersent mieux que ce que l'on pensait, et fournissent un exemple robuste de dispersion biaisée en faveur des mâles chez les amphibiens. Nous avons ensuite abordé le problème de Γ inaccessibilité des individus à la capture. Nous avons montré qu'environ trois quarts des individus sont inaccessibles lors des échantillonnages, une proportion qui peut varier en fonction des conditions climatiques. Ignoré, ce processus pourrait entraîner une mauvaise interprétation des fluctuations de populations ainsi qu'une mauvaise allocation des efforts de conservation. Concernant la définition d'unités de gestion pour la salamandre tachetée, nous avons pu mettre en évidence un flux de gènes important entre les sites échantillonnés. Les unités de gestion pour cette espèce devraient donc être étendues. Etonnamment, malgré la présence de nombreuses barrières potentielles au flux de gènes, les démarcations génétiques sont apparues à des endroits inattendus. En conclusion, ce travail a apporté une meilleure compréhension des processus génétiques et démographiques en action chez les salamandres. Les résultats suggèrent que certains paradigmes biologiques devraient être considérés avec précaution quand il s'agit de les appliquer à des espèces particulières. Les études spécifiques demeurent donc fondamentales pour une meilleure compréhension de l'évolution des espèces et leur conservation, tout particulièrement dans le contexte des changements globaux actuels.

Conservation phylogeography: does historical diversity contribute to regional vulnerability in European tree frogs (Hyla arborea)?

Documenting and preserving the genetic diversity of populations, which conditions their long-term survival, have become a major issue in conservation biology. The loss of diversity often documented in declining populations is usually assumed to result from human disturbances; however, historical biogeographic events, otherwise known to strongly impact diversity, are rarely considered in this context. We apply a multilocus phylogeographic study to investigate the late-Quaternary history of a tree frog (Hyla arborea) with declining populations in the northern and western part of its distribution range. Mitochondrial and nuclear polymorphisms reveal high genetic diversity in the Balkan Peninsula, with a spatial structure moulded by the last glaciations. While two of the main refugial lineages remained limited to the Balkans (Adriatic coast, southern Balkans), a third one expanded to recolonize Northern and Western Europe, loosing much of its diversity in the process. Our findings show that mobile and a priori homogeneous taxa may also display substructure within glacial refugia ('refugia within refugia') and emphasize the importance of the Balkans as a major European biodiversity centre. Moreover, the distribution of diversity roughly coincides with regional conservation situations, consistent with the idea that historically impoverished genetic diversity may interact with anthropogenic disturbances, and increase the vulnerability of populations. Phylogeographic models seem important to fully appreciate the risks of local declines and inform conservation strategies.

Why evolution matters for species conservation: perspectives from three case studies of plant metapopulations

We advocate the advantage of an evolutionary approach to conservation biology that considers evolutionary history at various levels of biological organization. We review work on three separate plant taxa, spanning from one to multiple decades, illustrating extremes in metapopulation functioning. We show how the rare endemics Centaurea corymbosa (Clape Massif, France) and Brassica insularis in Corsica (France) may be caught in an evolutionary trap: disruption of metapopulation functioning due to lack of colonization of new sites may have counterselected traits such as dispersal ability or self-compatibility, making these species particularly vulnerable to any disturbance. The third case study concerns the evolution of life history strategies in the highly diverse genus Leucadendron of the South African fynbos. There, fire disturbance and the recolonization phase after fires are so integral to the functioning of populations that recruitment of new individuals is conditioned by fire. We show how past adaptation to different fire regimes and climatic constraints make species with different life history syndromes more or less vulnerable to global changes. These different case studies suggest that management strategies should promote evolutionary potential and evolutionary processes to better protect extant biodiversity and biodiversification.

The ghost of past species occurrence: improving species distribution models for presence-only data

1. Model-based approaches have been used increasingly in conservation biology over recent years. Species presence data used for predictive species distribution modelling are abundant in natural history collections, whereas reliable absence data are sparse, most notably for vagrant species such as butterflies and snakes. As predictive methods such as generalized linear models (GLM) require absence data, various strategies have been proposed to select pseudo-absence data. However, only a few studies exist that compare different approaches to generating these pseudo-absence data. 2. Natural history collection data are usually available for long periods of time (decades or even centuries), thus allowing historical considerations. However, this historical dimension has rarely been assessed in studies of species distribution, although there is great potential for understanding current patterns, i.e. the past is the key to the present. 3. We used GLM to model the distributions of three 'target' butterfly species, Melitaea didyma, Coenonympha tullia and Maculinea teleius, in Switzerland. We developed and compared four strategies for defining pools of pseudo-absence data and applied them to natural history collection data from the last 10, 30 and 100 years. Pools included: (i) sites without target species records; (ii) sites where butterfly species other than the target species were present; (iii) sites without butterfly species but with habitat characteristics similar to those required by the target species; and (iv) a combination of the second and third strategies. Models were evaluated and compared by the total deviance explained, the maximized Kappa and the area under the curve (AUC). 4. Among the four strategies, model performance was best for strategy 3. Contrary to expectations, strategy 2 resulted in even lower model performance compared with models with pseudo-absence data simulated totally at random (strategy 1). 5. Independent of the strategy model, performance was enhanced when sites with historical species presence data were not considered as pseudo-absence data. Therefore, the combination of strategy 3 with species records from the last 100 years achieved the highest model performance. 6. Synthesis and applications. The protection of suitable habitat for species survival or reintroduction in rapidly changing landscapes is a high priority among conservationists. Model-based approaches offer planning authorities the possibility of delimiting priority areas for species detection or habitat protection. The performance of these models can be enhanced by fitting them with pseudo-absence data relying on large archives of natural history collection species presence data rather than using randomly sampled pseudo-absence data.

A concentric analysis of the impact of urbanization on the threatened European tree frog in an agricultural landscape

Pond-breeding amphibians are affected by site-specific factors and regional and landscape-scale patterns of land use. Recent anthropogenic landscape modifications (drainage, agriculture intensification, larger road networks, and increased traffic) affect species by reducing the suitable habitat area and fragmenting remaining populations. Using a robust concentric approach based on permutation tests, we evaluated the impact of recent landscape changes on the presence of the endangered European tree frog (Hyla arborea.) in wetlands. We analyzed the frequency of 1 traffic and 14 land-use indices at 20 circular ranges (from 100-m up to 2-km radii) around 76 ponds identified in western Switzerland. Urban areas and road surfaces had a strong adverse effect on tree frog presence even at relatively great distances (from 100 m up to 1 km). When traffic measurements were considered instead of road surfaces, the effect increased, suggesting a negative impact due to a vehicle-induced effect. Altogether, our results indicate that urbanization and traffic must be taken into account when pond creation is an option in conservation management plans, as is the case for the European tree frog in western Switzerland. We conclude that our easy-to-use and robust concentric method of analysis can successfully assist managers in identifying potential sites for pond creation, where probability of the presence of tree frogs is maximized.

Decision making in a human population living sustainably

The Tiwi people of northern Australia have managed natural resources continuously for 6000-8000 years. Tiwi management objectives and outcomes may reflect how they gather information about the environment. We qualitatively analyzed Tiwi documents and management techniques to examine the relation between the social and physical environment of decision makers and their decision-making strategies. We hypothesized that principles of bounded rationality, namely, the use of efficient rules to navigate complex decision problems, explain how Tiwi managers use simple decision strategies (i.e., heuristics) to make robust decisions. Tiwi natural resource managers reduced complexity in decision making through a process that gathers incomplete and uncertain information to quickly guide decisions toward effective outcomes. They used management feedback to validate decisions through an information loop that resulted in long-term sustainability of environmental use. We examined the Tiwi decision-making processes relative to management of barramundi (Lates calcarifer) fisheries and contrasted their management with the state government's management of barramundi. Decisions that enhanced the status of individual people and their attainment of aspiration levels resulted in reliable resource availability for Tiwi consumers. Different decision processes adopted by the state for management of barramundi may not secure similarly sustainable outcomes.

Habitat, breeding performance, diet and individual age in Swiss barn owls (Tyto alba)

Intensification of farming over the past 50 years has homogenised the landscape structure and contributed to the decline of bird populations in Europe. To better target the conservation of the Barn Owl Tyto alba, we assessed the influence of the landscape structure on breeding performance in western Switzerland. The analyses considered a 23-year data set of breeding parameters collected in an area dominated by intensive agriculture. Using a Geographic Information System approach, landscape characteristics were described around 194 nest sites. Our analyses showed that nest-box occupancy, laying date, clutch and brood size, egg volume and probability of producing a second annual clutch were not significantly associated with any of the eight principal landscape variables (agricultural land, woodland, urban area, hedgerows, cereals, sugar beet, maize and meadow). Nevertheless, the probability that a breeding pair occupied a nest-box decreased the more roads there were surrounding the nest-box. The absence of strong associations between habitat features and breeding parameters suggests that prey availability may be relatively similar between the different breeding sites. In our study area Barn Owls can always find suitable foraging habitats around most nest-boxes.

Genetic structure of a linear population of Beta vulgaris ssp maritima (sea beet) revealed by isozyme and RFLP analysis

Knowledge of the genetic structure of plant populations is necessary for the understanding of the dynamics of major ecological processes. It also has applications in conservation biology and risk assessment for genetically modified crops. This paper reports the genetic structure of a linear population of sea beet, Beta vulgaris ssp. maritima (the wild relative of sugar beet), on Furzey Island, Poole Harbour. The relative spatial positions of the plants were accurately mapped and the plants were scored for variation at isozyme and RFLP loci. Structure was analysed by repeated subdivision of the population to find the average size of a randomly mating group. Estimates of F-ST between randomly mating units were then made, and gave patterns consistent with the structure of the population being determined largely by founder effects. The implications of these results for the monitoring of transgene spread in wild sea beet populations are discussed.

Heterozygosity-fitness correlations among wild populations of European tree frogs (Hyla arborea) detect fixation load.

Quantifying the impacts of inbreeding and genetic drift on fitness traits in fragmented populations is becoming a major goal in conservation biology. Such impacts occur at different levels and involve different sets of loci. Genetic drift randomly fixes slightly deleterious alleles leading to different fixation load among populations. By contrast, inbreeding depression arises from highly deleterious alleles in segregation within a population and creates variation among individuals. A popular approach is to measure correlations between molecular variation and phenotypic performances. This approach has been mainly used at the individual level to detect inbreeding depression within populations and sometimes at the population level but without consideration about the genetic processes measured. For the first time, we used in this study a molecular approach considering both the interpopulation and intrapopulation level to discriminate the relative importance of inbreeding depression vs. fixation load in isolated and non-fragmented populations of European tree frog (Hyla arborea), complemented with interpopulational crosses. We demonstrated that the positive correlations observed between genetic heterozygosity and larval performances on merged data were mainly caused by co-variations in genetic diversity and fixation load among populations rather than by inbreeding depression and segregating deleterious alleles within populations. Such a method is highly relevant in a conservation perspective because, depending on how populations lose fitness (inbreeding vs. fixation load), specific management actions may be designed to improve the persistence of populations.