Using environmental niche modeling to understand biological invasions in a changing world

L'activité humaine affecte particulièrement la biodiversité, qui décline à une vitesse préoccupante. Parmi les facteurs réduisant la biodiversité, on trouve les espèces envahissantes. Symptomatiques d'un monde globalisé où l'échange se fait à l'échelle de la planète, certaines espèces, animales ou végétales, sont introduites, volontairement ou accidentellement par l'activité humaine (par exemple lors des échanges commerciaux ou par les voyageurs). Ainsi, ces espèces atteignent des régions qu'elles n'auraient jamais pu coloniser naturellement. Une fois introduites, l'absence de compétiteur peut les rendre particulièrement nuisibles. Ces nuisances sont plus ou moins directes, allant de problèmes sanitaires (p. ex. les piqûres très aigües des fourmis de feu, originaires d'Amérique du Sud et colonisant à une vitesse fulgurante les USA, l'Australie ou la Chine) à des nuisances sur la biodiversité (p. ex. les ravages de la perche du Nil sur la diversité unique des poissons Cichlidés du Lac Victoria). Il est donc important de pouvoir prévenir de telles introductions. De plus, pour le biologiste, ces espèces représentent une rare occasion de pouvoir comprendre les mécanismes évolutifs et écologiques qui expliquent le succès des envahissantes dans un monde où les équilibres sont bouleversés. Les modèles de niche environnementale sont un outil particulièrement utile dans le cadre de cette problématique. En reliant des observations d'espèces aux conditions environnementales où elles se trouvent, ils peuvent prédire la distribution potentielle des envahissantes, permettant d'anticiper et de mieux limiter leur impact. Toutefois, ils reposent sur des hypothèses pas évidentes à démontrer. L'une d'entre elle étant que la niche d'une espèce reste constante dans le temps, et dans l'espace. Le premier objectif de mon travail est de comparer si la niche d'une espèce envahissante diffère entre sa distribution d'origine native et celle d'origine introduite. En étudiant 50 espèces de plantes et 168 espèces de Mammifères, je démontre que c'est le cas et que par corolaire, il est possible de prédire leurs distributions. La deuxième partie de mon travail consiste à comprendre quelles seront les interactions entre le changement climatiques et les envahissantes, afin d'estimer leur impact sous un climat réchauffé. En étudiant la distribution de 49 espèces de plantes envahissantes, je démontre que les montagnes, régions relativement préservée par ce problème, deviendront bien plus exposées aux risques d'invasions biologiques. J'expose aussi comment les interactions entre l'activité humaine, le réchauffement climatique et les espèces envahissantes menacent la vigne sauvage en Europe et propose des zones géographiques particulièrement adaptée pour sa conservation. Enfin, à une échelle beaucoup plus locale, je montre qu'il est possible d'utiliser ces modèles de niches le long d'une rivière à une échelle extrêmement fine (1 mètre), potentiellement utile pour rationnaliser des mesures de conservations sur le terrain. - Biodiversity is significantly negatively affected by human activity. Invasive species are one of the most important factors causing biodiversity's decline. Intimately linked to the era of global trade, some plant or animal species can be accidentally or casually introduced with human activity (e.g. trade or travel). In this way, these species reach areas they could never reach through natural dispersal. Once naturalized, the lack of competitors can make these species highly noxious. Their effect is more or less direct, from sanitary problems (e.g. the harmful sting of Fire Ants, originating from South America and now spreading throughout USA, China and Australia) or can affect biodiversity (e.g. the Nile perch, devastating the one of the richest hotspot of Cichlid fishes diversity in Lake Victoria). It is thus important to prevent such harmful introductions. Moreover, invasive species represent for biologists one of the rare occasions to understand the evolutionary and ecological mechanisms behind the success of invaders in a world where natural equilibrium is already disturbed. Environmental niche models are particularly useful to tackle this problematic. By relating species observation to the environmental conditions where they occur, they can predict the potential distribution of invasive species, allowing a better anticipation and thus limiting their impact. However, they rely on strong assumption, one of the most important being that the modeled niche remains constant through space and time. The first aim of my thesis is to quantify the difference between the native and the invaded niche. By investigating 50 plant and 168 mammal species, I show that the niche is at least partially conserved, supporting for reliable predictions of invasive' s potential distributions. The second aim of my thesis is to understand the possible interactions between climate change and invasive species, such as to assess their impact under a warmer climate. By studying 49 invasive plant species, I show that mountain areas, which were relatively preserved, will become more suitable for biological invasions. Additionally, I show how interactions between human activity, global warming and invasive species are threatening the wild grapevine in Europe and propose geographical areas particularly adapted for conservation measures. Finally, at a much finer scale where conservation plannings ultimately take place, I show that it is possible to model the niche at very high resolution (1 meter) in an alluvial area allowing better prioritizations for conservation.

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.

Les routes d’invasion du criocère du lis (Lilioceris lilii) en Amérique du Nord

Le criocère du lis, Lilioceris lilii (Coleoptera : Chrysomelidae), un ravageur de lis et de fritillaires d’origine eurasienne, a été observé pour la première fois en Amérique du Nord en 1943 sur l’Ile de Montréal au Canada. Après y avoir été confiné pendant environ 25 années, ce coléoptère a par la suite progressé rapidement sur le territoire nord-américain. Actuellement, on l’observe dans huit provinces canadiennes et huit états américains. Cette étude a investigué les routes d’invasion utilisées par le criocère du lis au Canada et aux États- Unis avec l’aide de marqueurs génétiques AFLP. Pour ce faire, 516 individus parmi 34 sites en Amérique du Nord et en Europe ont été échantillonnés et analysés. Le premier objectif était de déterminer, en analysant la structure génétique des populations nord-américains, s’il y avait eu une ou plusieurs introductions en provenance d’Europe. Le deuxième objectif était d’identifier l’origine de la ou des populations introduites en Amérique du Nord. Finalement, le troisième objectif consistait à proposer un scénario d’invasion de L. lilii en Amérique du Nord basé sur les données de première mention et de structure génétique des populations échantillonnées. Les résultats démontrent une signature génétique distincte entre les criocères du lis du Canada et ceux des États-Unis, suggérant ainsi deux sources d’introductions indépendantes en Amérique du Nord, soit une première introduction à Montréal, Québec, dans les années 1940 et une seconde aux États-Unis au début des années 1990 à Cambridge, Massachusetts. De plus, les deux populations nord-américaines semblent provenir de différentes régions du nord de l’Europe, ce qui est conséquent avec le scénario suggérant deux sources d’introductions indépendantes. Chacune des populations aurait par la suite progressé respectivement dans leur pays d’introduction selon une dispersion de type stratifiée. En effet, la progression continue de L. lilii dans certaines régions suggère une dispersion naturelle de l’espèce sur le territoire nord-américain, alors que la progression rapide sur de longues distances semble être causée par le transport anthropique de lis contaminés.

Les facteurs écologiques influençant la dynamique d'une espèce exotique envahissante, Acer platanoides, et d'un congénère indigène, A. saccharum, dans une forêt urbaine du sud du Québec

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Notes sur la géologie et la paleontology du Miocène de Lisbonne. XXII - Une Espèce nouvelle Pokornyella Lusitanica (Ostrocoda), dans le Miocène Inférieur du bassin du Tage

A new species, Pokornyella lusitanica (Ostracoda), from the Lower Miocene (Aquitanian) of the Lisbon area, is described. Some palaeoecological data are presented.

Notes sur la géologie et la paleontology du Miocène de Lisbonne; (XXII) une espèce nouvelle, Pokornyella lus/tan/ca (Ostracoda), dans le Miocène inférieur du bassin du Tage

A new species, Pokornyella lusitanica (Ostracoda), from the Lower Miocene (Aquitanian) of the Lisbon area, is described. Some palaeoecological data are presented.

Phlébotomes de Bolivie: V. Lutzomyia brisolai n.sp., nouvelle espèce de phlébotome anthropophile de région subandine (Diptera, Psychodidae)

Les auteurs décrivent le mâle et la femelle d'une nouvelle espèce de phlébotome Lutzomyia brisolai n.sp., anthropophile, rencontrée dans plusieurs stations du piémont andin. Cette espèce, difficile à classer, présente des caractères l'apparentant à L. oliveirai et L. minasensis mais aussi aux espèces du sous-genre Nyssomyia.

Problèmes posés par Formica paralugubris, nouvelle espèce de fourmis des bois

Les nombreux travaux liés à la découverte d'une super-colonie de fourmis des bois dans le Jura suisse à partir des années 70 ont abouti à la description d'une nouvelle espèce : Formica paralugubris Seifert. Cette dernière est une espèce jumelle sympatrique de Formica lugubris en Suisse. Les auteurs résument les connaissances actuelles, notamment les aspects relatifs à la distribution et aux stratégies de reproduction de ces deux espèces jusqu'alors confondues en Europe.

Une IgA à coefficient de sédimentation 11 S dans les sécrétions externes de l'espèce bovine

The sedimentation coefficient of a secretory IgA found in bovine colostrum and saliva is compared with that of IgG and IgM from the same colostrum. The IgA fraction gives a value of 10.8 S, whereas the major part of the IgG has a value of 7.1 S and the IgM 19.2 S. The sedimentation coefficient of the free secretory piece has also been determined: its value is 4.95 S.

Malaria: une espèce en voie de disparition [Malaria: an endangered species?].

The implementation at scale of preventive measures and the use of effective treatments in populations living in endemic areas has led to a drastic reduction of the burden of malaria in all continents. The considerable investment of international agencies to support local governments in the fight against malaria allows hoping to achieve the millennium goals for malaria and child mortality in several countries. Malaria elimination, and even eradication becomes a realistic objective, especially so because a vaccine may be soon available to complement the armamentarium. For travelers, the tendency will be to reduce the number of countries where chemoprophylaxis or stand-by treatment is recommended and to insist on the rigorous use of measures to prevent mosquito bites such as repellents and insecticide-impregnated bednets.

Nouveau manuel complet de la fabrication des tissus de toute espèce.... Tome 1 / par M. Félix Toustain,...

Collection : Encyclopédie Roret