Effets de la disponibilité spatiotemporelle des partenaires et des coûts de déplacement sur les patrons de paternité hors couple chez l’hirondelle bicolore (Tachycineta bicolor)

La connectivité fonctionnelle est reconnue pour altérer la fréquence des rencontres entre les individus et potentiellement affecter les coûts en lien avec la recherche de partenaires sexuels. La structure du paysage peut conséquemment engendrer de la variation dans le succès reproducteur des individus et par le fait même, modifier les opportunités de sélection sexuelle. Le but de cette étude était d’identifier l’influence de la structure du paysage sur les patrons de paternités hors couple (EPP) chez l’Hirondelle bicolore (Tachycineta bicolor), un insectivore aérien en déclin depuis environ 30 ans au Québec. Plus précisément, il était question d’évaluer l’importance relative de la disponibilité spatiotemporelle des partenaires potentiels, de la perméabilité de l’environnement aux mouvements, des caractéristiques individuelles, et des interactions entre certaines de ces variables sur la probabilité qu’un mâle fertilise une femelle, sur le nombre de mâles hors couple ayant fertilisé une femelle et enfin, sur le nombre de jeunes hors couple produits par une femelle. Pour se faire, une approche spatialement explicite basée sur la théorie des circuits a été employée. La collecte de données s’est faite sur 8 saisons de reproduction au sein d’un réseau de 40 fermes (10 nichoirs/ferme) situé le long d’un gradient d’intensification agricole de manière à ce que les individus se retrouvent dans des conditions socioécologiques contrastées. Selon les résultats obtenus, la densité de partenaires potentiels non locaux (i.e. hors ferme, mais au sein d’un rayon de 15 km) a eu un effet négatif sur la probabilité que deux individus produisent des jeunes hors couple, probablement à cause de l’effet de dilution entre compétiteurs. Cette même variable a également induit une augmentation du nombre de pères hors couple non locaux et de leurs jeunes dans une couvée donnée, mais seulement lorsque la résistance aux déplacements était faible. La densité locale a pour sa part eu l’effet inverse, ce qui laisse penser que les femelles auraient tendance à se contenter de leurs voisins immédiats quand les coûts de recherche dans le paysage sont trop élevés en comparaison à ce qui est disponible à proximité. Quant aux caractéristiques individuelles, leurs effets semblent négligeables à l’exception faite de la charge parasitaire moyenne des mâles locaux, laquelle pousserait les femelles à chercher des mâles en dehors de la ferme lorsqu’elle est élevée. Ce facteur ne représente toutefois pas seulement un indice potentiel de la qualité des jeunes produits par ces mâles, mais aussi un risque direct de transmission de parasites lors de copulations hors couple. Somme toute, il semble que les patrons de EPP soient davantage affectés par les variables du paysage que par la morphologie et la condition physique des individus. Ces découvertes sont d’un intérêt particulier puisque la compréhension des effets de l’écologie sur les paternités hors couple est essentielle pour une meilleure connaissance de la sélection sexuelle, des stratégies d’appariement et par le fait même, des processus évolutifs. De plus, identifier le rôle joué par le paysage dans les stratégies sexuelles pourrait aider à élaborer des plans de conservation appropriés pour les espèces dont le déclin est attribuable à des changements dans l’environnement.

Potentiel évolutif de l'hirondelle bicolore (Tachycineta bicolor) : plasticité phénotypique et variation génétique dans un contexte d'hétérogénéité environnementale

Les changements environnementaux actuels entrainent des modifications importantes dans les pressions de sélection qui agissent sur les populations naturelles. Cependant, la capacité de réponse des populations à ces modifications et l’importance relative des différents mécanismes comme la plasticité phénotypique et les changements de la composition génétique des populations restent encore trop peu connus. L’objectif général de ma thèse était donc d’évaluer les rôles de la plasticité phénotypique et de la variation génétique sur le potentiel évolutif en population naturelle. Pour ce faire, j’ai utilisé comme modèle d’étude l’Hirondelle bicolore (Tachycineta bicolor), un passereau migrateur qui est suivi dans le Sud du Québec depuis 2004 dans un environnement hétérogène. Dans un premier temps (chapitre 2), j’ai évalué les déterminants environnementaux de la date de ponte et évalué leurs effets à des niveaux individuels et populationnels de plasticité phénotypique. Comme observé chez de nombreuses espèces aviaires, la température avait un effet important sur la synchronisation de la ponte, similaire au niveau individuel et populationnel, avec les dates de ponte plus hâtive lorsque les températures étaient plus chaudes. Par contre, ces relations semblaient contraintes par la densité locale d’hirondelles, considérée dans ce système d’étude comme un indice de la qualité de l’environnement. Plus précisément, les réponses plastiques à la température étaient moins prononcées à faible densité, c’est-à-dire dans les habitats plus contraignants. Ces résultats suggèrent donc que malgré la présence de plasticité phénotypique chez une espèce donnée, son efficacité pour pallier les changements climatiques peut être inégale entre les populations. Dans un deuxième temps (chapitre 3), je me suis intéressée à 4 gènes candidats liés à la phénologie (CLOCK, NPAS2, ADCYAP1 et CREB1) montrant de la variation de type courtes répétitions en tandem, et à leur relation avec deux traits phénologiques, la date de ponte et le temps d’incubation. Ces analyses ont montré plusieurs relations entre la variation observée à ces gènes et celle des traits phénologiques étudiés, dans la plupart des cas en interaction avec des variables environnementales (densité locale, latitude ou température printanière). Par exemple, les femelles avec en moyenne des allèles plus courts au gène CLOCK pondaient plus tôt que celles avec des allèles plus longs, une relation plus marquée à densité locale élevée. Les différents résultats suggèrent l’importance que peuvent prendre les interactions génotype-environnement, qui sont rarement prises en compte dans les études de gènes candidats, et qui pourraient expliquer une partie des résultats discordants entre les celles-ci. Dans un troisième temps (chapitre 4), j’ai vérifié la faisabilité d’une étude en génétique quantitative avec les données récoltées dans le système d’étude utilisée, caractérisé par un fort taux de reproduction hors couple et un faible recrutement des oisillons. Plus précisément, j’ai testé à l’aide de données empiriques et simulées la précision et l’exactitude des estimations d’héritabilité et de corrélations génétiques pour trois types de traits, morphologiques, reproducteurs et d’oisillons. Les résultats suggéraient un manque de précision important pour les traits morphologiques et reproducteurs, de même que des biais considérables lors de l’utilisation du pédigrée social plutôt que du pédigrée génétique. Ces analyses révèlent entre autres l’utilité des simulations pour tester adéquatement la faisabilité d’une étude en génétique quantitative sur une population donnée. Dans une dernière étude (chapitre 5), j’ai documenté les effets de l’hétérogénéité environnementale et de l’utilisation de différentes approches de génétique quantitative sur les prédictions de réponses évolutives en population naturelle. Plus particulièrement, cette étude s’est concentrée sur trois traits morphologiques (masse, longueur de l’aile et du tarse) mesurés à différents moments au cours du développement des oisillons. Les différentes analyses ont montré une sélection plus forte à faible densité locale pour la masse à 12 jours ainsi que des variations dans les composantes de variances phénotypiques selon la qualité de l’environnement (densité locale faible ou élevée) pour la plupart des combinaisons trait-âge étudiées. Il en résultait une tendance à des réponses évolutives prédites plus grandes à faible densité locale. Par contre, les prédictions obtenues avec l’équation du reproducteur et le second théorème de la sélection différaient fréquemment, et contrastaient grandement avec les tendances phénotypiques observées. En somme, les résultats de ma thèse suggèrent que les possibilités d’ajustement aux changements environnementaux par la plasticité phénotypique et d’adaptation par des changements génétiques entre les générations peuvent varier selon l’environnement expérimenté par une population. Mes recherches contribuent à une meilleure compréhension des facteurs et mécanismes influençant la persistance à long terme des populations naturelles face aux modifications dans les pressions de sélection.

Nitrogen use efficiency in summer sorghum grown on clay soils

Nitrogen fertilizer inputs dominate the fertilizer budget of grain sorghum growers in northern Australia, so optimizing use efficiency and minimizing losses are a primary agronomic objective. We report results from three experiments in southern Queensland sown on contrasting soil types and with contrasting rotation histories in the 2012-2013 summer season. Experiments were designed to quantify the response of grain sorghum to rates of N fertilizer applied as urea. Labelled 15N fertilizer was applied in microplots to determine the fate of applied N, while nitrous oxide (N2O) emissions were continuously monitored at Kingaroy (grass or legume ley histories) and Kingsthorpe (continuous grain cropping). Nitrous oxide is a useful indicator of gaseous N losses. Crops at all sites responded strongly to fertilizer N applications, with yields of unfertilized treatments ranging from 17% to 52% of N-unlimited potential. Maximum yields ranged from 4500 (Kupunn) to 5450 (Kingaroy) and 8010 (Kingsthorpe) kg/ha. Agronomic efficiency (kg additional grain produced/kg fertilizer N applied) at the optimum N rate on the Vertosol sites was 23 (80 N, Kupunn) to 25 (160N, Kingsthorpe), but 40-42 on the Ferrosols at Kingaroy (70-100N). Cumulative N2O emissions ranged from 0.44% (Kingaroy legume) to 0.93% (Kingsthorpe) and 1.15% (Kingaroy grass) of the optimum fertilizer N rate at each site, with greatest emissions from the Vertosol at Kingsthorpe. The similarity in N2O emissions factors between Kingaroy and Kingsthorpe contrasted markedly with the recovery of applied fertilizer N in plant and soil. Apparent losses of fertilizer N ranged from 0-5% (Ferrosols at Kingaroy) to 40-48% (Vertosols at Kupunn and Kingsthorpe). The greater losses on the Vertosols were attributed to denitrification losses and illustrate the greater risks of N losses in these soils in wet seasonal conditions.

Stay-green Drought Adaptation Trait Enhances Sorghum Production in Sub-tropical Australia, Central-Western India and Sub-Saharan Africa

Drought during grain filling is a common challenge for sorghum production in north-eastern Australia, central-western India, and sub-Saharan Africa. We show that the stay-green drought adaptation trait enhances sorghum grain yield under post-anthesis drought in these three regions. A positive relationship between stay-green and yield was generally found in breeding trials in north-eastern Australia that sampled 1668 unique hybrid combinations and 23 environments. Physiological studies in Australia also found that introgressing four individual stay-green (Stg1–4) quantitative trait loci (QTLs) into a senescent background reduced water demand before flowering and hence increased water supply during grain filling, resulting in higher grain yield relative to the senescent control. Studies in India found that various Stg QTLs affected both transpiration and transpiration efficiency, although these effects depended on the interaction between genetic background (S35 and R16) and individual QTLs. The yield variation unexplained by harvest index was related to transpiration efficiency in S35 (R2 = 0.29) and R16 (R2 = 0.72), and was related to total water extracted in S35 (R2 = 0.41) but not in R16. Finally, sixty-eight stay-green enriched lines were evaluated in six countries in sub-Saharan Africa during the 2013/14 season. Analysis of the data from Kenya indicates that stay-green and grain size were positively correlated at two sites: Kiboko (high yielding, r2=0.25) and Masongaleni (low yielding, r2=0.37). Together, these studies suggest that stay-green is a beneficial trait for sorghum production in the semi-arid tropics and is a consequence of traits altering the plant water budget.

The tolerance of steers (Bos taurus) to sorghum ergot (Claviceps africana) in a feedlot during the cooler months in sub-tropical Queensland

Two experiments tested the tolerance of steers (Bos taurus) to sorghum ergot (Claviceps africana) during cooler months in south-east Queensland. Sorghum grain containing 2.8% ergot and 28 mg/kg ergot alkaloids (84% dihydroergosine, 10% dihydroelymoclavine, 6% festuclavine) was incorporated into feedlot rations. In a previous study in summer–autumn, ergot (1.1–4.4 mg alkaloids/kg ration) severely reduced performance in steers when the temperature–humidity index (THI; dry bulb temperature °C + 0.36 dew-point temperature °C + 41.2) was ~70, whereas a THI of ~79 was tolerated by steers fed ergot-free rations. Experiment 1 was conducted in winter–spring, with rations containing 0, 2.8, 5.6, 8.2 or 11.2 mg ergot alkaloids/kg ration. All ergot inclusions depressed feed intake (14% average reduction) and growth rate (34% average reduction), even when the weekly average daily THI was less than 65. Rectal temperatures were occasionally elevated in ergot-fed steers (P < 0.05), primarily when the THI exceeded ~65. All ergot inclusions depressed plasma prolactin concentrations in steers. Experiment 2 was predominantly carried out in winter, with weekly average daily THI <65 throughout the experiment. Rations containing 0, 0.28, 0.55 or 1.1 mg ergot alkaloids/kg were fed for 4 weeks but produced no significant effect on feed intakes and growth rates of steers. Alkaloid concentrations were then changed to 0, 2.1, 4.3 and 1.1 mg/kg, respectively. Subsequently, feed intakes declined by 17.5% (P < 0.05), and growth rates by 28% (P > 0.05) in the group receiving 4.3 mg/kg alkaloid, compared with Controls. Plasma prolactin concentrations were depressed, relative to the Controls, by dietary alkaloid inclusion greater than 1.1 mg/kg, with alkaloid intake of 4.3 mg/kg causing the greatest reduction (P < 0.05). Cattle performance in these studies shows steers can tolerate up to ~2 mg ergot alkaloid/kg (0.2% ergot) in feedlot rations under low THI conditions (< ~60–65), but previous findings indicate a much lower threshold will apply at higher THI (>65).

The tolerance of steers (Bos taurus) to sorghum ergot (Claviceps africana) in a feedlot during the cooler months in sub-tropical Queensland

Two experiments tested the tolerance of steers (Bos taurus) to sorghum ergot (Claviceps africana) during cooler months in south-east Queensland. Sorghum grain containing 2.8% ergot and 28 mg/kg ergot alkaloids (84% dihydroergosine, 10% dihydroelymoclavine, 6% festuclavine) was incorporated into feedlot rations. In a previous study in summer–autumn, ergot (1.1–4.4 mg alkaloids/kg ration) severely reduced performance in steers when the temperature–humidity index (THI; dry bulb temperature °C + 0.36 dew-point temperature °C + 41.2) was ~70, whereas a THI of ~79 was tolerated by steers fed ergot-free rations. Experiment 1 was conducted in winter–spring, with rations containing 0, 2.8, 5.6, 8.2 or 11.2 mg ergot alkaloids/kg ration. All ergot inclusions depressed feed intake (14% average reduction) and growth rate (34% average reduction), even when the weekly average daily THI was less than 65. Rectal temperatures were occasionally elevated in ergot-fed steers (P < 0.05), primarily when the THI exceeded ~65. All ergot inclusions depressed plasma prolactin concentrations in steers. Experiment 2 was predominantly carried out in winter, with weekly average daily THI <65 throughout the experiment. Rations containing 0, 0.28, 0.55 or 1.1 mg ergot alkaloids/kg were fed for 4 weeks but produced no significant effect on feed intakes and growth rates of steers. Alkaloid concentrations were then changed to 0, 2.1, 4.3 and 1.1 mg/kg, respectively. Subsequently, feed intakes declined by 17.5% (P < 0.05), and growth rates by 28% (P > 0.05) in the group receiving 4.3 mg/kg alkaloid, compared with Controls. Plasma prolactin concentrations were depressed, relative to the Controls, by dietary alkaloid inclusion greater than 1.1 mg/kg, with alkaloid intake of 4.3 mg/kg causing the greatest reduction (P < 0.05). Cattle performance in these studies shows steers can tolerate up to ~2 mg ergot alkaloid/kg (0.2% ergot) in feedlot rations under low THI conditions (< ~60–65), but previous findings indicate a much lower threshold will apply at higher THI (>65).