Alexis Reding Master PEP 2010

1. Organisation de la diversité spécifique et génétique ausein de deux ordres d'insectes aquatiques en Suisse occidentale Alexis Reding Master PEP 2010 Supervision par: Dr. N. Alvarez, Dr. M. Bouzelboudjen & Dr. J.-P. G. Reding

2. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Ephéméroptères Baetisrhodani Introduction Probablement un des plus anciens ordres d’insectes aquatiques encore vivant Apparition au Carbonifère supérieur (~300mya) ~ 3000 sp. (42 familles), dont ~ 350 en Europe Distribution mondiale Milieux aquatiques diversifiés (eaux courantes et stagnantes) Imités pour la pêche à la mouche • Barber-James HM, Gattolliat J-L, Sartori M, Hubbard MD. 2008. Global diversity of mayflies (Ephemeroptera, Insecta) in freshwater. Hydrobiologia 595:339-350 Brittain J.E. & Sartori M. 2003. Ephemeroptera (Mayflies). Pages 373-380 in Resh VH; Cardé RT. (eds). Encylopedia of Insects. AcademicPress, Amsterdam. Tachet H. & Richoux P. & Bournaud M. & Usseglio-Polatera P. 2002. Invertébrés d’eau douce: systématique, biologie, écologie, Paris, CNRS Editions. 587 pp.

3. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Plécoptères Dinocrascephalotes Nemouradubitans Introduction Apparition contemporaine aux Ephéméroptères (~300 mya) ~ 3500 sp. (16 familles), dont ~430 en Europe Distribution mondiale Spécialistes des eaux froides et courantes En général très sensibles à la pollution (classe la plus poluo-sensible de l’IBGN composée exclusivement de Plécoptères) • Fochetti R, Tierno de Figueroa JM. 2008. Global diversity of stoneflies (Plecoptera, Insecta) in freshwater. Hydrobiologia 595:365–377 Photo: Photo: A. Ruffoni Tachet H. & Richoux P. & Bournaud M. & Usseglio-Polatera P. 2002. Invertébrés d’eau douce: systématique, biologie, écologie, Paris, CNRS Editions. 587 pp. DIREN Haute-Normandie – Service Eau et Nature – Laboratoire d’hydrobiologie : Généralités sur l’Indice Biologique Global Normalisé (I.B.G.N.) (http://www.haute-normandie.developpement-durable.gouv.fr/suivi-de-la-qualite-biologique-des-r224.html)

4. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Mon projet Introduction Phylogénie basée sur des données moléculaires • 2) Volet écologique Volet biogéographique Relation entre la faune E+P des massifs du Jura et des Alpes Focus sur deux cas de figure: 1) Couple de taxons, un endémique du Jura à distribution restreinte et son cousin alpin morphologiquement très proche et largement répandu 2) Taxon présent dans les deux massifs mais plus largement répandu dans les Alpes, spécimens jurassiens non dissociables des alpins sur la base de critères morphologiques Pour l’instant, seules des descriptions morphologiques en quantité limité attestent cette thèse • Spéciation: • Origine? • Fondement? Spéciation ?

5. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Cas d’étude Volet biogéographique – questionnement Résumé Proximité voir identité morphologique entre spécimens alpins et jurassiens Similitude des profils de distribution entre les taxons des deux groupes (endémique/cousin et taxon unique): spécimens fréquents dans les Alpes mais limités dans le Jura

6. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – questionnement Hypothèses 1) La diversification des endémiques est le résultat d’un isolement par les glaciations des deux massifs au cours des dernières 3 millions d’années (pléistocène) et se reflète au niveau génétique 2) Les taxons du second groupe, également isolés par les glaciations, présentent une distinction du point de vue génétique similaire à celle des endémiques • Impact : si mes hypothèses se vérifient… • Confirmation moléculaire du statut d’endémique pour B. nubecularis et P. jurassicus • Endémisme aussi applicable aux spécimens des taxons du second groupe -> reconsidération de la richesse spécifique du massif jurassien et influence sur les décisions à prendre dans les efforts de préservation de la faune • Massif du Jura = zone refuge durant les glaciations

7. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding P. jurassicus L’exemple de Perlodes jurassicus (Aubert, 1946) et P. intricatus (Pictet, 1842) Ecologie Histoire mouvementée Confusion avec P. intricatus (très proche morphologiquement) Clarification par Knispel et al. (2002) Photo: J.-P. G. Reding • Aubert J (1946) Les Plécoptères de la Suisse romande. Bulletin de la Société entomologique suisse 20: 7–128 • Berthélemy C, Laur C (1975) Plécoptères et Coléoptères aquatiques du Lot (Massif Central Français). Annales de Limnologie 11(1) : 263-285 • Berthélemy C (1964) Intérêt taxonomique des oeufs chez les Perlodes européens (Plécoptères). Bulletin de la Société d'histoire naturelle de Toulouse 99(3-4): 529-537 • Knispel S, Rosciszewska E, Vinçon G, Lubini V (2002) The status of Perlodes jurassicus AUBERT, 1946 (Insecta: Plecoptera: Perlodidae). Bulletin de la Société Entomologique Suisse 75: 183-189

8. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding B. nubecularis L’exemple de Baetis nubecularis Eaton, 1898 et Baetis alpinus (Pictet, 1843) Ecologie 1ère mention par EATON en 1898 Apparentement à B. alpinus soupçonné par MÜLLER-LIEBENAU dès 1969 Redescription par SARTORI en 1985 Atlas de distribution des Ephéméroptères par SARTORI & LANDOLT (CSCF 1999), travaux de REDING J.-P. G. et STUCKI P. synthétisés par WAGNER en 2005 pour B. nubecularis Confirmation du statut de seul Ephéméroptère endémique jurassien • Eaton A.E. (1898) Ephemeridaetaken by McLachlan in the district of the Lake de Joux in 1898. Entomologist’sMonthly Magazine 34: 265-266 • Müller-Liebenau I. (1969) Revision der europaïschenArten der GattungBaetis LEACH, 1815 (Insecta, Ephemeroptera). Gewäss. Abwäss. 48-49: 1-214 • Sartori M. (1985) New records and redescription of Baetis nubecularis Eaton, 1898 from the Swiss Jura (Ephemeroptera, Baetidae). AquaticInsects 7 (4): 209-214 • Wagner A. (2005) Inventaire des Ephémères de France: quelques citations d’espèces rares ou nouvelles pour le Massif du Jura [Ephemeroptera]. Ephemera6 (2): 65-71 • Centre Suisse de Cartographie de la Faune (CSCF) – Chronique de la faune – Espèces rares (faune indigène) septembre 2011. http://www.cscf.ch/cscf/page-20447_fr.html

9. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding C. susemicheli L’exemple de Chloroperla susemicheli Zwick, 1967 Ecologie

10. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Autre question Volet biogéographique – questionnement Vecteur de dispersion? • Hypothèses • Les larves sont les principaux acteurs de la dispersion  les grands bassins versants (Rhin, Rhône) sont les déterminants de la structuration génétique des espèces • Les adultes sont les principaux acteurs de la dispersion  la proximité géographique régit la structuration (isolation génétique par la distance; les grands massifs sont structurants)

11. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Rappel: questions et impact Volet biogéographique – questionnement Les populations jurassiennes de mes taxons d’intérêt peuvent-elles être considérées comme endémiques du point de vue génétique? Les biotopes jurassiens les hébergeant doivent-ils être considérés simplement comme l’extrême limite d’une aire de répartition alpine, ou alors au contraire comme des centres précieux du point de vue évolutif ? La structuration génétique à l’intérieur de mes groupes reflète-t-elle une ségrégation des populations par les bassins versants? Séquençage de deux gènes mitochondriaux (16S et COI) Reconstruction des relations phylogénétiques avec des analyses en parcimonie et en inférence bayésienne avec utilisation d’une horloge moléculaire mitochondriale pour inférer les temps de divergence

12. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Collecte (février-décembre 2010) Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Parapluie japonais : battage de la végétation et récupération dans le parapluie (adultes) Recherche active sur les rochers, parois ou autres surfaces (adultes) Piège lumineux (adultes) Épuisette à maillage fin et raclage des fonds meubles et de la végétation aquatique des cours d’eau (larves) Recherche active sous les cailloux tapissant les cours d’eau (larves) Capture grâce à une pincette entomologique Conservation dans de l’éthanol à 96% Photo: J.-P. G. Reding

13. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Une cinquantaine de cours d’eau visités dans le Jura plus une dizaine dans les Alpes et Préalpes entre février et décembre 2010

14. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Photo: J.-P. G. Reding

15. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Photo: J.-P. G. Reding

16. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Photo: J.-P. G. Reding

17. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Photo: J.-P. G. Reding

18. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de collecte Photo: J.-P. G. Reding

19. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Laboratoire (mars-juillet 2011) Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase de séquençage Extraction de l’ADN avec le « Dneasy Blood & Tissue Kit » (QIAGEN, Germany) Amplification de régions mitochondriales informatives par PCR: 16S et COI Amorces: • Séquençage au CIG à Lausanne

20. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Analyses Volet biogéographique – Matériel & Méthodes: phase d’analyse Nettoyage des séquences avec Chromas Lite Alignements selon MUSCLE avec BioEdit et MEGA Reconstruction phylogénétique en parcimonie avec TCS Reconstruction phylogénétique en inférence bayésienne avec BEAST Datation d’un chronogramme en utilisant les horloges moléculaires classiques de l’ADN mitochondrial chez les insectes • Borer M, Alvarez N, Buerki S, Margraf N, Rahier M, Naisbit R E (2010) The phylogeography of an alpine leafbeetle: Divergence withinOreinaelongataspansseveraliceages, MolecularPhylogenetics and Evolution 57 703–709

21. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Résultats Volet biogéographique – Résultats Perlodes jurassicus & Perlodes intricatus Baetis nubecularis & Baetis alpinus Chloroperla susemicheli Leuctra braueri

22. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Autres taxons remarquables Volet biogéographique – Conclusion • Drusus mixtus (Trichoptera) et Dictyogenus jurassicus (Plecoptera) : endémique jurassiens • Leuctra rauscheri et Protonemura brevistyla (Plecoptera): distribution similaire à C. susemicheli ou L. braueri

23. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Mon projet Introduction • 2) Volet écologique • Evaluation de la diversité phylogénétique dans différentes communautés E+P • Collection J.-P. G. REDING forte de plus de 15’000 spécimens, collectés essentiellement dans le Jura franco-suisse depuis 1989 • Stations visitées régulièrement: • Emerson BC & Gillespie RG (2008) Phylogenetic analysis of community assembly and structure over space and time. Trends in Ecology and Evolution Vol.23(11):619-630.

24. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Questions Volet écologique – questionnement Comment se structurent les communautés d’un point de vue phylogénétique? Les espèces d’une même communauté sont réparties selon un modèle neutre dans la phylogénie Les espèces d’une même communauté sont agrégées dans la phylogénie Les espèces d’une même communauté sont sur-dispersées dans la phylogénie Agrégation = une ou quelques lignées s’adaptent à l’habitat, et s’y diversifient Modèle neutre: pas de contrainte des relations phylogénétiques dans l’assemblage de la communautés Sur-dispersion: certains facteurs (notamment la compétition) déterminent une structuration des communautés où pour coexister, les espèces doivent être suffisamment différentes d’un point de vue phylogénétique

25. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Questions Volet écologique – questionnement Que reflète ces situations phylogénétiques sur le plan écologique? Clustering: adaptations clés rares et à la base de la diversification d’une lignée, le milieu contraignant est principalement responsable de cet assemblage Overdispersion: cet assemblage peut être le résultat d’une des deux forces écologiques majeures, selon que l’adaptation clé soit conservée ou convergente • Webb CO, Ackerly DD, McPeek MA, Donoghue MJ (2002) Phylogenies and community ecology. Annual Review of Ecology and Systematics, 33, 475–505.

26. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Hypothèses Volet écologique – questionnement Un milieux contraignant pour mes insectes aquatiques, comme une tourbière, est associé à un clustering ; la diversité phylogénétique y est moindre que dans un cours d’eau Impact • Diversité génétique ~ diversité métabolique ~ potentiel évolutif • Cas critique: communauté pauvre en espèces mais recelant une grande diversité phylogénétique (dommages accrus en cas d’extinction)

27. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Cas d’étude Volet écologique – questionnement Mesure et comparaison de la diversité phylogénétique dans différents types de milieux aquatiques hébergeant des communautés E+P Données disponibles et nécessité de connaître la diversité spécifique exhaustive des milieux conduisent à cette sélection: • Faith DP (1992) Conservation Evaluation and Phylogenetic Diversity. Biological Conservation, 61: 1-10.

28. Tourbière du Cachot dans la vallée de la Brévine (NE)

29. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Laboratoire (mars-juillet 2011) Volet écologique – Matériel & Méthodes: phase de séquençage Extraction de l’ADN avec le « Dneasy Blood & Tissue Kit » (QIAGEN, Germany) Amplification de régions nucléaire et mitochondriales informatives: 16S, COI et 28S Amorces: • Séquençage au CIG à Lausanne

30. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Analyses Volet écologique – Matériel & Méthodes: phase d’analyse Nettoyage des séquences avec Chromas Lite Alignements selon MUSCLE avec BioEdit et MEGA Reconstruction phylogénétique en inférence bayésienne avec MrBayes Matrices de présence / absence des espèces dans mes stations (requêtes sous ACCESS sur les données de la collection REDING) Calcul de la diversité phylogénétique, des indices d’agrégation / dispersion par milieux et tests statistiques avec R (package « picante »), ordres séparés

31. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Résultats Volet écologique – Résultats Phylogénies (arbre)

32. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Résultats Volet écologique – Résultats Diversité phylogénétique avec le package « picante » sous R

33. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Volet écologique – extensions Volet écologique – Conclusion • Spécimens E+P sédentaires, cycle de vie bouclé sur une faible surface • Nécessité d’affiner l’échelle d’étude des communautés le long des cours d’eau • Création d’un modèle de ma zone d’étude selon la méthode de cartographie en zones homogènes ->segmentation des cours d’eau en fonction de facteurs: • obstacle naturel (cascades) ou anthropique (barrages, corrections de lit) • substrat • réseau hydrologique (confluences) • petit bassin versant • Optimisation de l’échantillonnage en vue des hypothèses à tester • Collecte dans les segments ainsi définis pour en connaître la diversité spécifique

34. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Modèle de terrain – facteurs structurants Volet écologique – Conclusion • Obstacles naturels (cascades) ou anthropiques (barrages, corrections de lit) • Substrats • Réseau hydrologique (confluences) • Petits bassins versants (qualité de l’eau)

35. Soutenance Master PEP – 20 / 09 / 2011 – Alexis Reding Pour la suite Conclusion • Perfectionnement d’une base de données pour organiser la partie laboratoire • Systématique des Plécoptères à revisiter • Inclusion des Trichoptères dans mes analyses • Calcul de la diversité phylogénétique à plus grande échelle (grille de 5x5km sur l’ensemble de la Suisse (si disponibilité des données du CSCF)

36. Un grand merci à toutes les personnes qui m’ont aidé durant ce travail: