Invasive spread of sycamore [maple] (Acer pseudoplatanus L.) in temperate forest ecosystems : a cross-continental ecophysiological approach

par Sabrina Shouman

Thèse de doctorat en Sciences écologiques. Écologie, évolution et biodiversité

Sous la direction de Guillaume Decocq et de Thomas Kichey.

Soutenue le 31-05-2017

à Amiens , dans le cadre de École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens) , en partenariat avec Écologie et dynamique des systèmes anthropisés (Amiens) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Invasion de l'érable sycomore (Acer pseudoplatanus L.) dans les écosystèmes forestiers tempérés : une approche écophysiologique transcontinentale


  • Résumé

    Les espèces végétales invasives représentent une menace sérieuse pour l'homme dans la mesure où elles modifient et endommagent les écosystèmes du monde entier. La détermination des caractéristiques qui permettent aux espèces invasives de s'installer et de se développer avec succès dans les communautés résidentes est d'importance majeure. Comparer les performances des espèces invasives dans leur région d'indigénat et dans les régions exotiques envahies, d'une part, et mettre en relation ces performances avec celles des espèces indigènes co-occurrentes est une approche possible pour identifier ces caractéristiques. Cependant, ces comparaisons sont rarement appliquées et les données collectées ne permettent pas de comprendre complètement les circonstances de l'invasion. Cette thèse vise à combler cette lacune en cherchant à identifier les facteurs qui conduisent au succès invasif de l'érable sycomore (Acer pseudoplatanus L.), en France (où il est indigène uniquement au nord-est) et en Nouvelle Zélande (où il est exotique et envahissant). Les objectifs de cette thèse ont été posés dans trois chapitres. Nous avons commencé par étudier la distribution d'A. pseudoplatanus dans sa région d'indigénat en utilisant des techniques de modélisation de la distribution des espèces (Chapitre 1). Nous avons ensuite comparé les caractères fonctionnels et démographiques dans les régions d'indigénat et envahies, dans des conditions de lumière contrastées (Chapitre 2). Enfin, cette étude transcontinentale a été poursuivie en comparant les caractéristiques photosynthétiques et la plasticité phénotypique de l'érable sycomore par rapport aux espèces indigènes co-occurrentes, dans des conditions de lumière contrastées (Chapitre 3). Les résultats montrent que la distribution d'A. pseudoplatanus se décalera vers le sud et vers des altitudes plus élevées où les températures sont plus fraîches en France. Cependant, la distribution réalisée ne confirme pas les prédictions. Ainsi, nous pouvons conclure que l'extension de l'aire de répartition d’A. pseudoplatanus en France ne s'explique pas par les patrons de changement climatique. Les analyses comparées d'A. pseudoplatanus dans sa région d'indigénat et envahie permettent de conclure à de meilleures performances dans cette dernière. Les populations envahissantes étaient caractérisées par une meilleure tolérance à l'ombre, une plasticité phénotypique élevée, une meilleure utilisation des ressources et une croissance accrue des populations. Les comparaisons intra- et interspécifiques révèlent les meilleures performances d'A. pseudoplatanus par rapport aux espèces indigènes co-occurrentes, qui le positionnent à l'extrémité supérieure droite du spectre économique foliaire (leaf economic spectrum), témoignant d'un retour rapide sur investissement. L'efficacité de la photosynthése et de la respiration ajoutée à la plasticité phénotypique ont pu favoriser la supériorité d'A. pseudoplatanus sur les espèces co-occurrentes dans la région envahie. Bien que nous ne pouvons pas complètement exclure des différences génétiques entre les deux régions étudiées (France et Nouvelle-Zélande), nous concluons que le succès invasif pourrait être du à une pré-adaptation aux conditions environnementales prévalant dans les régions concernées en Nouvelle Zélande et/ou à une évolution post-introduction vers de meilleures performances, notamment en raison de l'absence de prédateurs et de pathogènes


  • Résumé

    Invasive plant species are often considered as a threat to biodiversity and ecosystem services worldwide. Determining what traits make an invasive plant species a successful invader and how this invader performs in the recipient communities are of major importance. These questions can be answered by comparing the performance of invasive plant species in both their native and invaded ranges on the first hand, and to their co-occurring native species on the other. However, these comparisons are rarely applied, and their paucity still undermines our understanding of drivers of invasiveness. Here we aim at filling these knowledge gaps, by exploring the factors that explain the success of an invasive tree species, sycamore maple (Acer pseudoplatanus L.) in temperate forests of France and New Zealand (the native and invaded ranges, respectively). The objectives of this thesis were met in three chapters of results. We started with the distribution of A. pseudoplatanus in its native range using species distribution modeling techniques (Chapter 1). Then, we compared its functional and demographic traits between its native and invaded ranges under different light conditions (Chapter 2). Finally, we compared its photosynthetic measurements and phenotypic plasticity to its native co-occurring species under sun and shade light conditions, in a cross-continental comparison (Chapter 3). Working on A. pseudoplatanus distribution, our results showed that A. pseudoplatanus is predicted to shift to South in latitude and upward in elevation where lower temperature is in France. However, the realized distribution did not confirm such predictions. Thus, we can conclude that A. pseudoplatanus is not following the climatic change patterns. Comparing A. pseudoplatanus in its native and invaded ranges ended up with better performances in the latter. Invasive populations were characterized by traits reflecting higher shade tolerance, phenotypic plasticity, population growth, and better use of resources. However, intra- and interspecific trait differences resulted in greater performance of A. pseudoplatanus over the native co-occurring tree species that enabled it filling a gap at the fast return end of the leaf economics spectrum in the invaded range. Increased photosynthetic rate and respiration efficiency in addition to phenotypic plasticity explained the superiority of A. pseudoplatanus over its co-occurring species in the invaded range. Although we cannot fully exclude genotypic differences between countries, we conclude that A. pseudoplatanus may have been pre-adapted to environmental conditions prevailing in New Zealand sites and/or evolved increased competitive ability following introduction as it is likely released from natural enemies.

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