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

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

Etude systématique, cladistique et biogéographique des Baetidae (Ephemeroptera) de Madagascar

Les Ephéméroptères constituent un ordre très archaïque d?insectes ailés, comprenant un nombre réduit d?espèces (actuellement environ 2500 espèces). Les larves sont aquatiques; la durée de ce stade est en général d?une année. Le stade adulte est par contre extrêmement bref: de quelques heures à quelques jours. La fonction quasi unique de ce stade est la reproduction. Par sa superficie, Madagascar est la quatrième île du monde. Elle est située dans la partie occidentale de l?Océan Indien à plus de 300 km de la côte africaine. Madagascar faisait partie du super-continent Gondwana. Elle s?est séparée de l?Afrique (-165 M.a.), puis a migré vers le Sud (-125 M.a.) avant de se détacher du sous-continent indien (-65 M.a.). La connaissance des Ephéméroptères malgaches était, jusqu?à très récemment, extrêmement limitée. Grâce au programme Biodiversité et biotypologie des eaux continentales malgaches, lancé conjointement par l?ORSTOM (actuel IRD, France) et le CNRE (Madagascar), un inventaire à large échelle de la macrofaune benthique malgache a été entrepris. La systématique de plusieurs familles d?Ephéméroptères (Tricorythidae, Polymitarcyidae, Palingeniidae,?), ainsi que d?autres groupes d?invertébrés (Trichoptères, Simuliidae, macrocrustacés) a fait l?objet d?études approfondies. La présente étude consistue un des volets de ce programme. Jusqu?au milieu des années 1990, seules quatre espèces valides appartenant à trois genres différents étaient décrites de Madagascar. En 6 ans, ce ne sont pas moins de 25 articles qui sont consacrés à la systématique des Baetidae, permettant de décrire 50 espèces et 8 genres nouveaux. La faune malgache des Baetidae compte actuellement 22 genres et 54 espèces. Malgré sa taille, Madagascar possède une richesse, tant générique que spécifique équivalente à celle d?un continent. Notre connaissance des Baetidae est suffisamment avancée pour mener une étude cladistique et biogéographique. La reconstruction phylogénétique a permis de mettre en évidence cinq lignées principales à Madagascar et de préciser, pour chacune d?elles, les genres inclus et les caractères propres. La faune des Baetidae malgaches présente un taux d?endémicité très élevé: 53 des 54 espèces et un tiers des genres sont endémiques. Elle montre des affinités extrêmement fortes avec la faune africaine, puisque 90% des genres présents à Madagascar ou en Afrique ont une répartition strictement restreinte à cette région. Les autres composantes, notamment orientales et océaniennes, sont négligeables; ces régions n?ont en commun avec Madagascar qu?un nombre restreint de genres cosmopolites. Ces affinités sont en contradiction avec les données géologiques de la dislocation du Gondwana. Plusieurs explications peuvent être données pour résoudre cette contradiction. La plus vraisemblable est que le pouvoir de dispersion des Ephéméroptères, et des Baetidae en particulier, est nettement sous-estimé. L?étude des faunes des îles volcaniques récentes, telles que les Comores, démontre clairement que les Baetidae sont capables de dispersion sur une distance de plus de 300 km. Il est donc possible d?envisager une colonisation de Madagascar à partir de l?Afrique continentale postérieure à la séparation des deux plaques. Nous avons établi des scénarios retraçant l?histoire biogéographique de chacune des cinq lignées. Pour quatre d?entre elles, l?Afrique continentale est le centre d?origine. La cinquième lignée aurait une origine paléarctique; l?Afrique représenterait un centre secondaire de spéciation. Ces lignées auraient secondairement colonisé Madagascar à partir de l?Afrique continentale. Ce travail ouvre donc d?importantes perspectives. Il rend possible l?utilisation à un niveau générique, voire spécifique, des Baetidae pour des travaux de faunistique ou d?écologie, en particulier pour des études liées à la dégradation de la qualité de l?eau. Il devrait également pouvoir servir de base pour l?étude et la compréhension des phénomènes de dispersion et colonisation dans les îles et archipels de l?Ouest de l?Océan Indien.<br/><br/>Mayflies (Ephemeroptera) are among the oldest known flying insects and encompass a very small number of species (ca 2500 species). Larvae are strictly freshwater inhabitants; this stage lasts generally one year. The imaginal stage is extremely short, from few hours to few days, and is devoted almost entirely to reproduction. Madagascar is the fourth largest island in the world by area. It is situated in the western part of the Indian Ocean, at a distance of more than 300 km from the African coast. Madagascar belonged to Gondwana. It was first separated from the African plate (-165 M.y.), then moved to the South (-65 M.y.), before the break-off with the Indian plate (-65 M.y.). Knowledge of the Malagasy mayflies was until recently extremely poor. The program Biodiversity and Biotypology of Malagasy Freshwaters, jointly run by the French ORSTOM and the Malagasy CNRE, began a global survey of the freshwater macroinvertebrates. The systematics of several mayfly families (Tricorythidae, Polymitarcyidae, Palingeniidae,?), and other invertebrate groups (Caddisflies, Blackflies,?) was the subject of ground studies. Our present study is one part of this global program. Until the middle of the nineties, only four baetid species belonging to three different genera had been described from Madagascar. During the last six years, 25 papers were dedicated to the systematics of the Baetidae, allowing the description of 50 new species and 8 new genera. The Malagasy fauna encompasses now 22 genera and 54 species. Despite its size, Madagascar has the same diversity, at specific and generic level, as a continent. Our knowledge of the Baetidae is sufficient to perform a cladistic and biogeographical study. Our phylogenetic reconstruction allows us to propose five main lineages and to indicate, for each of them, the genera included and their features. The Malagasy fauna of Baetidae possesses a high level of endemicity: 53 of the 54 species and one third of the genera are endemic. It shows extremely strong affinities with the African fauna, as more than 90% of the genera present in Madagascar or in Africa have a distribution restricted to this area. Other components, especially Oriental and Oceanian, are negligible. These areas share with Madagascar only a few widespread genera. These African affinities are in contradiction with the geological events, especially the break-off history of Gondwana. Some explanations can be given to solve this contradiction. The most likely is that the dispersal power of the mayflies, especially of the Baetidae, is greatly underestimated. The study of recent volcanic islands, particularly of the Comoros, clearly demonstrates that the Baetidae are able to disperse over more than 300 km. Consequently, a colonisation by the Baetidae, of Madagascar from the continental Africa, after the break-off must be considered as possible. We have established scenarios explaining the biogeographical history of each of the five lineages. For four of them, Africa has to be regarded as the centre of origin. The fifth lineage probably has a Palearctic origin; Africa should be considered as a secondary centre of speciation. These lineages should have secondarily colonised Madagascar from continental Africa. This work opens up new perspectives. It allows the use of the Baetidae for faunistic and ecological studies, especially for problems related to water quality. It must be also considered as a first step for understanding the dispersion and colonisation of the islands of the western part of the Indian Ocean.

Distance Transforms on Gray-Level Surfaces

This thesis studies gray-level distance transforms, particularly the Distance Transform on Curved Space (DTOCS). The transform is produced by calculating distances on a gray-level surface. The DTOCS is improved by definingmore accurate local distances, and developing a faster transformation algorithm. The Optimal DTOCS enhances the locally Euclidean Weighted DTOCS (WDTOCS) with local distance coefficients, which minimize the maximum error from the Euclideandistance in the image plane, and produce more accurate global distance values.Convergence properties of the traditional mask operation, or sequential localtransformation, and the ordered propagation approach are analyzed, and compared to the new efficient priority pixel queue algorithm. The Route DTOCS algorithmdeveloped in this work can be used to find and visualize shortest routes between two points, or two point sets, along a varying height surface. In a digital image, there can be several paths sharing the same minimal length, and the Route DTOCS visualizes them all. A single optimal path can be extracted from the route set using a simple backtracking algorithm. A new extension of the priority pixel queue algorithm produces the nearest neighbor transform, or Voronoi or Dirichlet tessellation, simultaneously with the distance map. The transformation divides the image into regions so that each pixel belongs to the region surrounding the reference point, which is nearest according to the distance definition used. Applications and application ideas for the DTOCS and its extensions are presented, including obstacle avoidance, image compression and surface roughness evaluation.

The first SEPServer event catalogue 68-MeV solar proton events observed at 1 AU in 1996-2010

SEPServer is a three-year collaborative project funded by the seventh framework programme (FP7-SPACE) of the European Union. The objective of the project is to provide access to state-of-the-art observations and analysis tools for the scientific community on solar energetic particle (SEP) events and related electromagnetic (EM) emissions. The project will eventually lead to better understanding of the particle acceleration and transport processes at the Sun and in the inner heliosphere. These processes lead to SEP events that form one of the key elements of space weather. In this paper we present the first results from the systematic analysis work performed on the following datasets: SOHO/ERNE, SOHO/EPHIN, ACE/EPAM, Wind/WAVES and GOES X-rays. A catalogue of SEP events at 1 AU, with complete coverage over solar cycle 23, based on high-energy (~68-MeV) protons from SOHO/ERNE and electron recordings of the events by SOHO/EPHIN and ACE/EPAM are presented. A total of 115 energetic particle events have been identified and analysed using velocity dispersion analysis (VDA) for protons and time-shifting analysis (TSA) for electrons and protons in order to infer the SEP release times at the Sun. EM observations during the times of the SEP event onset have been gathered and compared to the release time estimates of particles. Data from those events that occurred during the European day-time, i.e., those that also have observations from ground-based observatories included in SEPServer, are listed and a preliminary analysis of their associations is presented. We find that VDA results for protons can be a useful tool for the analysis of proton release times, but if the derived proton path length is out of a range of 1 AU < s[3 AU, the result of the analysis may be compromised, as indicated by the anti-correlation of the derived path length and release time delay from the asso ciated X-ray flare. The average path length derived from VDA is about 1.9 times the nominal length of the spiral magnetic field line. This implies that the path length of first-arriving MeV to deka-MeV protons is affected by interplanetary scattering. TSA of near-relativistic electrons results in a release time that shows significant scatter with respect to the EM emissions but with a trend of being delayed more with increasing distance between the flare and the nominal footpoint of the Earth-connected field line.

Genetic dissimilarity among jabuticaba trees native to southwestern Paraná, Brazil

Knowledge on the genetic diversity within and between genotype groups is of great importance for breeding programs. The purpose of this study was to estimate the genetic dissimilarity among 36 native jabuticaba trees (Plinia cauliflora) from five sites in the southwestern region of Paraná, Brazil. Sixteen fruit traits were analyzed, based on multivariate techniques (canonical variables, Tocher and UPGMA), using Mahalanobis' distance as dissimilarity measure. By the techniques of clustering and graphic dispersion, together with the comparison of means, the genetic diversity among native jabuticaba trees was efficiently identified, indicating a high potential of these genotypes for breeding programs. The traits of greatest importance for dissimilarity were percentage of pulp and of skin, which are easily measured. The clustering structure is related to the collection sites and for breeding programs, genotypes from different sites should be crossed to generate progenies to be tested. Genotypes 'CV5' and 'VT3' should be conserved in genebanks, due to its important agronomic traits.