Évaluation des liens entre phylogénie et traits écologiques chez les diatomées : pistes d’utilisation pour la bioindication des milieux aquatiques.

Assessing the links between phylogeny and ecological traits in diatoms : new perspectives for aquatic ecosystems bioassessment.

• Auteur / Autrice : François Keck
• Direction : Alain Franc, Agnès Bouchez, Frédéric Rimet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biodiversité écologie environnement
• Date : Soutenance le 26/04/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre alpin de recherche sur les réseaux trophiques des écosystèmes limniques (Thonon-les-Bains, Haute-Savoie)
• Jury : Président / Présidente : Koen Sabbe
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Franc, Yorick Reyjol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Usseglio-Polatera, Emmanuel Paradis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie des eaux

Indicateurs biologiques

Diatomées

Mots clés libres

Phylogénie

Traits écologiques

Phytobenthos

Bioindication

Phylogeny

Ecological traits

Phytobenthos

Bioindication

Résumé

Les diatomées sont des micro-algues largement utilisées pour évaluer la qualité écologique des milieux aquatiques. La grande majorité des indices biotiques utilisant les diatomées sont basés sur la sensibilité à la pollution des espèces. Cela constitue un frein à leur utilisation car l’identification taxonomique au niveau de l’espèce est complexe, longue, coûteuse et source d’erreurs. Afin de rendre le processus d’identification plus simple, des indices biotiques basés sur des niveaux taxonomiques supérieurs à l’espèce, comme le genre, ont été mis au point. Mais la perte d’informations associée à la réduction de la résolution taxonomique est susceptible de rendre ces outils moins efficaces.Une approche alternative et plus récente propose de baser la simplification, non pas sur la taxonomie, mais sur la phylogénie. Cette approche fait implicitement l’hypothèse qu’il existe un signal phylogénétique dans les préférences écologiques des espèces, c’est à dire que deux espèces phylogénétiquement proches sont davantage susceptibles de présenter des réponses écologiques similaires que deux espèces prises au hasard. Si un tel signal existe, il implique une possible redondance phylogénétique dans les outils de bioindication existants, en particuliers ceux basés sur les niveaux taxonomiques les plus fins. L’objectif est de mettre à profit ce signal pour simplifier l’évaluation écologique des milieux aquatiques.Ce travail s’attache à développer cette approche chez les diatomées et se décompose en trois parties. Nous présentons d’abord un nouveau package R entièrement dédié à l’analyse du signal phylogénétique et à l’étude de la distribution des valeurs de traits dans les phylogénies. Nous démontrons ensuite la présence d’un signal phylogénétique pour de nombreux traits écologiques chez les diatomées d’eau douce. Ces traits sont les optimums écologiques de 127 espèces pour un ensemble de paramètres physico-chimiques, mesurés pendant huit ans dans des cours d’eau de l’est de la France. Nous montrons que le signal est variable en fonction des traits mais que la niche écologique des espèces étudiées est, de manière générale, dépendante de la phylogénie. Dans une troisième partie, nous proposons une méthode pour extraire des clusters d’espèces partageant des traits similaires tout en étant phylogénétiquement proches. Nous mettons en œuvre cette méthode sur des données de sensibilités aux pollutions pour démontrer les possibilités de simplification des indices biotiques basés sur les diatomées en prenant en compte la redondance phylogénétique. Nos résultats tendent à montrer que le potentiel de simplification en utilisant la phylogénie comme guide est significatif.

Diatoms are micro-algae commonly used to assess the ecological quality of freshwaters. Most of the biological indices using diatoms are based on species sensitivity to pollutions. This constitutes an obstacle to the use of diatoms in ecological assessment because taxonomical identification at species level is difficult, time consuming, costly and source of errors. To avoid this problem, scientists developed biological indices based on higher taxonomical levels like the genus. However, the loss of information caused by the taxonomical resolution decrease can make these methods less efficient.A more recent alternative proposes to use the phylogeny to simplify ecological assessment methods. This approach makes the implicit hypothesis that there is a phylogenetic signal for species ecological preferences, i.e. that closely related species are more likely to share similar ecological preferences than species taken randomly. If such a signal exists, it may mean that there is a phylogenetic redundancy in bioassessment tools, especially the ones which are based at species level. The aim is to exploit this signal to simplify the biological assessment of aquatic ecosystems.This work aims to develop this approach with diatoms and is divided in three parts. First, we introduce a new R package dedicated to the analysis of the phylogenetic signal and to study traits values patterns in phylogenies. In a second part, we demonstrate the presence of phylogenetic signal for many ecological traits in freshwater diatoms. These traits are the ecological optima of 127 species for a set of physical and chemical parameters. They were estimated from data collected during 8 years in rivers in eastern France. We show that the strength of the signal varied significantly from one trait to another but, overall, diatoms ecological niches are related to the phylogeny. Finally, in a third part, we introduce a new method to extract clusters of species sharing similar traits and being phylogenetically related. We apply this method on pollutions sensitivities data in order to demonstrate the possibility to simplify biological indices based on diatoms by taking account of phylogenetic redundancy. Our results suggest that phylogenetic approaches offer a scope for simplification without an important loss of ecological information.