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Adaptation - des gènes aux populations. Génétique et biologie de l'adaptation aux stress et aux perturbations (BIOADAPT 2013)
Edition 2013


MeCC


Mécanismes de l’adaptation au Changement Climatique: comment plasticité phénotypique, micro-évolution et migration affecteront-elles la phénologie des arbres forestiers ?

Mécanismes de l’adaptation au Changement Climatique: comment plasticité phénotypique, micro-évolution et migration affecteront-elles la phénologie des arbres forestiers ?
Même si les émissions de gaz à effet de serre diminuent dans les prochaines décennies, un changement rapide du climat va se produire, avec des conséquences à long terme sur la viabilité des écosystèmes et leurs services. Il est donc nécessaire de prévoir l'adaptation des populations naturelles à ce changement en termes de migration, plasticité et changement génétique.

Les projections d’impacts du changement climatique sur la biodiversité incorporent très rarement ne serait-ce qu’un de ces mécanismes d'adaptation.
Nous proposons d’étudier l'interaction entre les trois mécanismes d’adaptation ci-dessus pour décrire et prévoir l'adaptation des arbres forestiers au changement climatique. Nous voulons (1) évaluer la valeur adaptative de la plasticité phénotypique dans les climats actuel et futur à différentes échelles spatiotemporelles, (2) comprendre comment la microévolution, en interaction avec la plasticité et les flux de gènes, façonne les variations phénotypiques dans les climats actuel et futur, (3) utiliser notre compréhension accrue des variations phénotypiques spatiotemporelles afin de mieux prédire la distribution future des espèces.
En raison de leur longue durée de vie et de flux géniques importants, les arbres forestiers sont particulièrement exposés aux variations spatiotemporelles de la sélection. La plasticité phénotypique peut donc jouer un rôle clé chez ces espèces face aux changements climatiques. Nous étudierons l'impact des trois mécanismes d’adaptation sur les traits phénologiques de trois espèces d'arbres forestiers, le hêtre, le chêne sessile et le sapin pectiné. Les traits phénologiques sont des déterminants majeurs de la répartition géographique des espèces d'arbres et du fonctionnement des écosystèmes qui montrent de fortes réponses au changement climatique actuel et de grandes variations génétiques intra- et inter-populations. Ces traits pourraient donc évoluer rapidement si le changement climatique génère de nouvelles pressions de sélection. Nous nous concentrerons sur le débourrement, profitant de modèles phénologiques basés sur les processus permettant de prédire sa date d'occurrence en fonction des conditions météorologiques.

Modéliser l'adaptation chez les arbres forestiers
L'originalité de notre projet réside dans (i) l'intégration de différents mécanismes d'adaptation dans les projections des impacts du changement climatique, ce qui a été très rarement tenté, (ii) l'étude de l'interaction entre ces différents mécanismes d'adaptation, (iii) la combinaison de différents types d'approches de modélisation et d’observations pour comprendre et prévoir les réponses adaptatives des arbres aux changements climatiques. Nous ferons une utilisation originale de modèles basés sur les processus pour (i) prédire les variations spatiotemporelles des dates de débourrement et leur impact sur les taux démographiques, (ii) prédire quantitativement la direction et la force de la sélection agissant sur ce trait dans les climats actuel et futur. Nous intégrerons cette compréhension fine des pressions de sélection selon des scénarios écologiquement réalistes dans des modèles de génétique quantitative de complexité variable pour prédire les changements dans les valeurs phénotypiques et génétiques des dates de débourrement. Nos prévisions seront quantitativement validées pour un ensemble de sites où les variations génétique et plastique de ce trait sont intensivement étudiées.

Pour atteindre ces objectifs, notre consortium rassemble des modélisateurs et expérimentateurs ayant des compétences en écologie, écophysiologie, génétique quantitative et biologie évolutive. Les résultats fourniront (i) des réponses à des questions fondamentales sur l’évolution et la valeur adaptative de la plasticité phénotypique dans des environnements variables, (i) des scénarios de changement d’aire de répartition des espèces forestières intégrant les processus d'adaptation et (iii) des recommandations pour les gestionnaires forestiers pour gérer le potentiel adaptatif des arbres forestiers.

Résultats

Après 18 mois, nous avons obtenu quelques résultats préliminaires intéressants.
Nous prédisons que la sensibilité des dates de débourrement à la température des arbres forestiers tempérés peut faciliter leur persistance dans le contexte des changements climatiques mais pas pour toutes les espèces, ni pour toutes les populations au sein de leur aire de distribution. Notamment la levée de dormance par les températures basses risque de devenir un facteur limitant pour le cycle de vie d’arbres adaptés à des climats plus froids.
Les flux de pollen à longue distance typiques des arbres forestiers pourraient ralentir les déplacements de distribution mais en facilitant l’évolution des limites thermiques des espèces, améliorer leur persistance dans un climat changeant. Ces flux de pollen augmentent la diversité génétique des populations et donc leurs capacités d’adaptation future. Cependant les modèles démo-génétiques prenant en compte le cycle de vie des arbres (longue phase juvénile, forte longévité des adultes) prédisent une évolution très lente de ces populations malgré leur forte variabilité génétique.

Perspectives

La quantification des pressions de sélection le long de gradients climatiques et pour différents scénarios de changement climatique est en cours de développement.

Productions scientifiques et brevets

1. Duputié, A., Rutschmann, A., Ronce, O. & Chuine, I. (2015) Phenological plasticity will not help all species adapt to climate change. Global Change Biology.doi: 10.1111/gcb.12914 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.12914/abstract
2. Bonnefon O., Coville J., Garnier J., Hamel F. & Roques L. (2014) The spatio-temporal dynamics of neutral genetic diversity. Ecological Complexity, 20 282-292
3. K Csilléry*, H Lalagüe*, GG Vendramin, SC González-Martínez, B Fady and S Oddou-Muratorio 2014 Detecting local adaptation and epistatic selection in climate related candidate genes at a short spatial scale in European beech (Fagus sylvatica L.) populations. Molecular Ecology 23: 4696–4708
4. Dantec, C. F., Ducasse, H., Capdevielle, X., Fabreguettes, O., Delzon, S., & Desprez-Loustau, M. L. (2015). Escape of spring frost and disease through phenological variations in oak populations along elevation gradients. Journal of Ecology 103 , 1044-1056

Partenaires

BioGeCo INRA UMR 1202 Biodiversité, Gènes et Communautés

BioSp INRA UR 546 Biostatistique et Processus Spatiaux

CEFE CNRS UMR 5175 Centre d'Ecologie Fonctionnelle et Evolutive

ISEM CNRS UMR 5554 Institut des Sciences de l'Evolution

URFM INRA UR 629 Ecologie des Forêts Méditerranéennes

Aide de l'ANR 383 062 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2014 - 48 mois

Résumé de soumission

Même si les émissions de gaz à effet de serre diminuent dans les prochaines décennies, un changement rapide du climat va se produire, avec des conséquences à long terme sur la viabilité des écosystèmes et leurs services. Il est donc nécessaire de prévoir l'adaptation des populations naturelles à ce changement en termes de migration, plasticité et changement génétique. Les projections d’impacts du changement climatique sur la biodiversité incorporent très rarement ne serait-ce qu’un de ces mécanismes d'adaptation.

Nous proposons d’étudier l'interaction entre les trois mécanismes d’adaptation ci-dessus pour décrire et prévoir l'adaptation des arbres forestiers au changement climatique. Nous voulons (1) évaluer la valeur adaptative de la plasticité phénotypique dans les climats actuel et futur à différentes échelles spatiotemporelles, (2) comprendre comment la microévolution, en interaction avec la plasticité et les flux de gènes, façonne les variations phénotypiques dans les climats actuel et futur, (3) utiliser notre compréhension accrue des variations phénotypiques spatiotemporelles afin de mieux prédire la distribution future des espèces.

En raison de leur longue durée de vie et de flux géniques importants, les arbres forestiers sont particulièrement exposés aux variations spatiotemporelles de la sélection. La plasticité phénotypique peut donc jouer un rôle clé chez ces espèces face aux changements climatiques. Nous étudierons l'impact des trois mécanismes d’adaptation sur les traits phénologiques de trois espèces d'arbres forestiers, le hêtre, le chêne sessile et le sapin pectiné. Les traits phénologiques sont des déterminants majeurs de la répartition géographique des espèces d'arbres et du fonctionnement des écosystèmes qui montrent de fortes réponses au changement climatique actuel et de grandes variations génétiques intra- et inter-populations. Ces traits pourraient donc évoluer rapidement si le changement climatique génère de nouvelles pressions de sélection. Nous nous concentrerons sur le débourrement, profitant de modèles phénologiques basés sur les processus permettant de prédire sa date d'occurrence en fonction des conditions météorologiques.

L'originalité de notre projet réside dans (i) l'intégration de différents mécanismes d'adaptation dans les projections des impacts du changement climatique, ce qui a été très rarement tenté, (ii) l'étude de l'interaction entre ces différents mécanismes d'adaptation, (iii) la combinaison de différents types d'approches de modélisation et d’observations pour comprendre et prévoir les réponses adaptatives des arbres aux changements climatiques. Nous ferons une utilisation originale de modèles basés sur les processus pour (i) prédire les variations spatiotemporelles des dates de débourrement et leur impact sur les taux démographiques, (ii) prédire quantitativement la direction et la force de la sélection agissant sur ce trait dans les climats actuel et futur. Nous intégrerons cette compréhension fine des pressions de sélection selon des scénarios écologiquement réalistes dans des modèles de génétique quantitative de complexité variable pour prédire les changements dans les valeurs phénotypiques et génétiques des dates de débourrement. Nos prévisions seront quantitativement validées pour un ensemble de sites où les variations génétique et plastique de ce trait sont intensivement étudiées.

Pour atteindre ces objectifs, notre consortium rassemble des modélisateurs et expérimentateurs ayant des compétences en écologie, écophysiologie, génétique quantitative et biologie évolutive. Les résultats fourniront (i) des réponses à des questions fondamentales sur l’évolution et la valeur adaptative de la plasticité phénotypique dans des environnements variables, (i) des scénarios de changement d’aire de répartition des espèces forestières intégrant les processus d'adaptation et (iii) des recommandations pour les gestionnaires forestiers pour gérer le potentiel adaptatif des arbres forestiers.

 

Programme ANR : Adaptation - des gènes aux populations. Génétique et biologie de l'adaptation aux stress et aux perturbations (BIOADAPT 2013) 2013

Référence projet : ANR-13-ADAP-0006

Coordinateur du projet :
Madame Ophélie RONCE (Institut des Sciences de l'Evolution)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.