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.

Dépistage organisé du cancer colorectal: défis et enjeux pour un essai pilote en Suisse. [Organized screening for colorectal cancer: challenges and issues for a Swiss pilot study].

Colorectal cancer is among the three most common and lethal neoplasms in Switzerland (about 4,000 new cases and 1,600 deaths per year, respectively). Several screening modalities are available. The effectiveness of colorectal cancer screening on mortality is established. The implementation of a successful screening intervention shall follow specified phases and conditions, and abide with global principles: pooling and coordinating efforts from all partners, setting goals and priorities, and identifying action plans. A feasibility (pilot) study is needed to verify requirements for quality, effectiveness, efficiency and innocuousness. Endeavours towards implementing a pilot programme for colorectal cancer screening in the Vaud canton (Switzerland) are presented and discussed.

Programme cantonal Diabète: bilan de la première phase du programme (2010-2011) et construction d'une théorie d'action.

Le Programme cantonal diabète (PCD) du canton de Vaud a pour objectifs de réduire durablement l'impact du diabète sur la population vaudoise. Il a été élaboré à l'initiative du Service de la santé publique du canton de Vaud et la stratégie du programme a été construite sur la base des propositions de plusieurs groupes de travail. Ce programme inclut divers projets complémentaires qui ont été progressivement mis sur pied à partir de 2010. 2012 marque la fin de la première phase du programme et une évaluation-bilan du programme est demandée. Cette évaluation-bilan fait suite à une première phase de travaux qui ont consisté en une évaluation de l'évaluabilité du programme. Les résultats de cette première phase ont été délivrés en décembre 2011 au groupe de pilotage et consignés dans un rapport en février 2012. L'IUMSP propose donc pour 2012 des travaux en continuité de ce qui a été fait en 2011 et qui vont dans le sens d'un bilan critique et de propositions pour un système de monitoring à long terme du programme, comportant des indicateurs d'activité (à harmoniser lorsque c'est possible dans des projets similaires), des indicateurs de couverture et de résultats. [p. 7]

L'action publique locale dans tous ses états. Différenciation et standardisation

Les espaces politiques infranationaux définissent et prennent en charge un nombre croissant de problèmes publics. Quelle est la capacité des acteurs et institutions locales à faire émerger une action publique autonome ? Assiste-t-on à la fin d'un cycle ou à une nouvelle transformation des relations entre l'Etat et le local ? Quelles sont les limites de la capacité du politique à organiser les territoires ? Les collectivités locales favorisent-elles de nouvelles impulsions démocratiques ? Cette volonté de croiser les regards - disciplinaires, géographiques et générationnels - permet aux auteurs de souligner l'étendue du travail de construction de la comparabilité en sciences sociales. L'enjeu scientifique n'est plus de trancher entre centralisation et décentralisation mais bien de développer des outils et des cadres d'analyse heuristiques pour penser les effets des nouvelles interdépendances. L'ouvrage nous invite aussi à poser différemment la question sensible du rapport des individus à l'Etat et au pouvoir politique dans chaque contexte local , à questionner les ressorts démocratiques de l'action publique au coeur de chaque métropole et de chaque région.

Transplantation tolerance induced by regulatory T cells: in vivo mechanisms and sites of action.

The mechanisms by which CD4(+)CD25(+)Foxp3(+) T (Treg) cells regulate effector T cells in a transplantation setting and their in vivo homeostasis still remain to be clarified. Using a mouse adoptive transfer model, we analyzed the in vivo expansion, trafficking, and effector function of alloreactive T cells and donor-specific Treg cells, in response to a full-thickness skin allograft. Fluorescent-labeled CD4(+)CD25(-) and antigen-specific Treg cells were transferred alone or co-injected into syngeneic BALB/c-Nude recipients transplanted with skins from (C57BL/6 x BALB/c) F1 donors. Treg cells divided in vivo, migrated and accumulated in the allograft draining lymph nodes as well as within the graft. The co-transfer of Treg cells did not modify the early activation and homing of CD4(+)CD25(-) T cells in secondary lymphoid organs. However, in the presence of Treg cells, alloreactive CD4(+)CD25(-) T cells produced significantly less IFN-gamma and were present in reduced numbers in the secondary lymphoid organs. Furthermore, time-course studies showed that Treg cells were recruited into the allograft at a very early stage after transplantation and effectively prevented the infiltration of effector T cells. In conclusion, suppression of rejection requires the early recruitment to the site of antigenic challenge of donor-specific Treg cells, which then mainly regulate the effector arm of T cell alloresponses.

Effect of levodopa on both verbal and motor representations of action in Parkinson's disease: a fMRI study.

Previous studies have demonstrated that non-demented Parkinson's disease (PD) patients have a specific impairment of verb production compared with noun generation. One interpretation of this deficit suggested the influence of striato-frontal dysfunction on action-related verb processing. The aim of our study was to investigate cerebral changes after motor improvement due to dopaminergic medication on the neural circuitry supporting action representation in the brain as mediated by verb generation and motor imagery in PD patients. Functional magnetic resonance imaging on 8 PD patients in "ON" dopaminergic treatment state (DTS) and in "OFF" DTS was used to explore the brain activity during three different tasks: Object Naming (ObjN), Generation of Action Verbs (GenA) in which patients were asked to overtly say an action associated with a picture and mental simulation of action (MSoA) was investigated by asking subjects to mentally simulate an action related to a depicted object. The distribution of brain activities associated with these tasks whatever DTS was very similar to results of previous studies. The results showed that brain activity related to semantics of action is modified by dopaminergic treatment in PD patients. This cerebral reorganisation concerns mainly motor and premotor cortex suggesting an involvement of the putaminal motor loop according to the "motor" theory of verb processing.

Mutations of the Serine Protease CAP1/Prss8 Lead to Reduced Embryonic Viability, Skin Defects, and Decreased ENaC Activity.

CAP1/Prss8 is a membrane-bound serine protease involved in the regulation of several different effectors, such as the epithelial sodium channel ENaC, the protease-activated receptor PAR2, the tight junction proteins, and the profilaggrin polypeptide. Recently, the V170D and the G54-P57 deletion mutations within the CAP1/Prss8 gene, identified in mouse frizzy (fr) and rat hairless (fr(CR)) animals, respectively, have been proposed to be responsible for their skin phenotypes. In the present study, we analyzed those mutations, revealing a change in the protein structure, a modification of the glycosylation state, and an overall reduction in the activation of ENaC of the two mutant proteins. In vivo analyses demonstrated that both fr and fr(CR) mutant animals present analogous reduction of embryonic viability, similar histologic aberrations at the level of the skin, and a significant decrease in the activity of ENaC in the distal colon compared with their control littermates. Hairless rats additionally had dehydration defects in skin and intestine and significant reduction in the body weight. In conclusion, we provided molecular and functional evidence that CAP1/Prss8 mutations are accountable for the defects in fr and fr(CR) animals, and we furthermore demonstrate a decreased function of the CAP1/Prss8 mutant proteins. Therefore, fr and fr(CR) animals are suitable models to investigate the consequences of CAP1/Prss8 action on its target proteins in the whole organism.

Développement d'indicateurs pour le contrat de prestations 2008 entre le Cipret et le Département de l'économie et de la santé (DES) : élaboration d'une théorie d'action du Cipret Genève selon le Modèle de catégorisation des résultats de Promotion Santé Suisse

[Table des matières] 1. Introduction. 2. Méthode. 3. Théorie d'action et plan de monitorage des résultats des activités du Cipret (Centre d'information et de prévention du tabagisme) : priorités pour l'année 2008: Axe 1: Informer sur les conséquences de la consommation de tabac et sur la promotion de la santé. Axe 2: Contribuer à la cohérence de la politique de santé publique en matière de tabac. Axe 3: Diminuer le nombre de nouveaux fumeurs. Axe 4: Aider au sevrage du tabac. Annexes.

Reversal of the silencing of tetracycline-controlled genes requires the coordinate action of distinctly acting transcription factors.

BACKGROUND: Regulation of genes transferred to eukaryotic organisms is often limited by the lack of consistent expression levels in all transduced cells, which may result in part from epigenetic gene silencing effects. This reduces the efficacy of ligand-controlled gene switches designed for somatic gene transfers such as gene therapy. METHODS: A doxycycline-controlled transgene was stably introduced in human cells, and clones were screened for epigenetic silencing of the transgene. Various regulatory proteins were targeted to the silent transgene, to identify those that would mediate regulation by doxycycline. RESULTS: A doxycycline-controlled minimal promoter was found to be prone to gene silencing, which prevents activation by a fusion of the bacterial TetR DNA-binding domain with the VP16 activator. DNA modification studies indicated that the silenced transgene adopts a poorly accessible chromatin structure. Several cellular transcriptional activators were found to restore an accessible DNA structure when targeted to the silent transgene, and they cooperated with Tet-VP16 to mediate regulation by doxycycline. CONCLUSIONS: Reversal of the silencing of a tetracycline-regulated minimal promoter requires a chromatin-remodeling activity for subsequent promoter activation by the Tet-VP16 fusion protein. Thus, distinct regulatory elements may be combined to obtain long-term regulation and persistent expression of exogenous genes in eukaryotic cells.

Aging and motor programming: differential effects according to the selection of action

There are controversial reports about the effect of aging on movement preparation, and it is unclear to which extent cognitive and/or motor related cerebral processes may be affected. This study examines the age effects on electro-cortical oscillatory patterns during various motor programming tasks, in order to assess potential differences according to the mode of action selection. Twenty elderly (EP, 60-84 years) and 20 young (YP, 20-29 years) participants with normal cognition underwent 3 pre-cued response tasks (S1-S2 paradigm). S1 carried either complete information on response side (Full; stimulus-driven motor preparation), no information (None; general motor alertness), or required free response side selection (Free; internally-driven motor preparation). Electroencephalogram (EEG) was recorded using 64 surface electrodes. Alpha (8-12 Hz) desynchronization (ERD)/synchronization (ERS) and motor-related amplitude asymmetries (MRAA) were analyzed during the S1-S2 interval. Reaction times (RTs) to S2 were slower in EP than YP, and in None than in the other 2 tasks. There was an Age x Task interaction due to increased RTs in Free compared to Full in EP only. Central bilateral and midline activation (alpha ERD) was smaller in EP than YP in None. In Full just before S2, readiness to move was reflected by posterior midline inhibition (alpha ERS) in both groups. In Free, such inhibition was present only in YP. Moreover, MRAA showed motor activity lateralization in both groups in Full, but only in YP in Free. The results indicate reduced recruitment of motor regions for motor alertness in the elderly. They further show less efficient cerebral processes subtending free selection of movement in elders, suggesting reduced capacity for internally-driven action with age.