Contribution des données d’imagerie à une approche par traits fonctionnels de l’écologie des copépodes arctiques et subarctiques

Contribution of imaging data to a trait-based approach arctic and subarctic copepod ecology

• Auteur / Autrice : Laure Vilgrain
• Direction : Sakina-Dorothée Ayata, Frédéric Maps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation, télédétection, observation et techniques spatiales pour l'océan, l'atmosphère et le climat
• Date : Soutenance le 13/06/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Université Laval (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'océanographie de Villefranche (Alpes-Maritimes ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Benoît Charrassin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Ardyna
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Nérini, Beatrix Elisabeth Beisner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arctique, Océan

Écologie marine

Antioxydants

Microalgues

Traits fonctionnels

Zooplancton marin

Copépodes

Mots clés libres

Zooplancton

Écosystèmes arctiques

Imagerie

Écologie numérique

Traits fonctionnels

Copépodes

Zooplankton

Arctic ecosystems

Imaging data

Numerical ecology

Functional traits

Copepods

Résumé

Les copépodes dominent la biomasse du mésozooplancton des régions arctiques et subarctiques, où lumière, glace et production primaire varient fortement selon les saisons. En transformant le carbone fixé par les microalgues en réserves lipidiques pour survivre l’hiver, les Calanus spp. constituent une source d’énergie cruciale pour les poissons, oiseaux et mammifères marins. Historiquement, l’écologie des copépodes était étudiée par un comptage taxonomique après un échantillonnage par filets. Cette thèse propose un autre paradigme dans l’approche et les outils de leur étude. Une approche dite « par traits fonctionnels » est utilisée pour analyser des propriétés mesurables à l’échelle individuelle et influençant le succès écologique des organismes. Les traits fonctionnels (i.e. taille, régime trophique, migration verticale) sont partagés par plusieurs espèces et peuvent être reliés à des fonctionnalités des écosystèmes comme l’export de carbone, l’énergie disponible pour les réseaux trophiques, la résilience, etc. Comme une majorité des traits a une signature morphologique, nous les avons définis sur deux types d’images individuelles du plancton, complémentaires et couramment utilisées : des images in situ de l’Underwater Vision Profiler (UVP) et des images en couleur prises lors d’observations au stéréomicroscope. L’objectif de cette thèse est de comprendre comment les traits fonctionnels des copépodes, identifiés sur des images, peuvent être reliés aux dynamiques environnementales et au fonctionnement des écosystèmes arctiques et subarctiques. Dans le Chapitre 1, nous analysons des images in situ prises par l’UVP au moment de la fonte printanière de la banquise dans l’arctique canadien. Des variables morphologiques sont utilisées pour projeter les images dans un espace statistique, et les axes synthétisent les variations morphologiques en trois traits continus : la taille, l’opacité (qui nous renseigne sur les structures pigmentées), et la complexité du contour (indiquant probablement un taux d’activité par la visibilité des appendices). Cette analyse exploratoire a révélé des traits nouveaux, dont les variations étaient fortement corrélées à la fonte de la banquise et à l’efflorescence des algues. Plusieurs arguments indiquent que les maxima d’opacité des individus peuvent être attribués à la présence d’astaxanthine, un pigment caroténoïde rouge. Dans le Chapitre 2, une revue de la littérature a mis en évidence les conditions écologiques propices à la coloration des copépodes pour divers écosystèmes aquatiques à l’échelle globale. Nous démontrons que la pigmentation rouge peut participer au succès des individus (croissance, survie, reproduction) grâce aux propriétés antioxydantes de l’astaxanthine. Comme la pigmentation semble ajustable à de courtes échelles temporelles et avantageuse dans diverses conditions environnementales (lumière intense, basses températures et couvert de glace, ou grandes profondeurs), nous pensons qu’elle peut être considéré comme un de “couteau-suisse” de protection métabolique. Dans le Chapitre 3, une méthode de déconvolution de la couleur de l’astaxanthine a été utilisée pour produire un indice de rougeur sur des images de copépodes arctiques observés au stéréomicroscope. L’indice a été validé par comparaison avec une quantification chimique des pigments, et peut être utilisé pour des images prises dans diverses conditions grâce à une étape préalable de calibration des canaux de couleur. Cette thèse montre qu’il est possible d’extraire un maximum d’information à partir d’une image de plancton pour dégager des tendances écologiques sur de grands jeux de données, tout en gardant accès à la variabilité interindividuelle. Utiliser les traits définis ici (taille, pression de broutage, taux d’antioxydants), en combinaison avec d’autres outils, pourrait participer à la compréhension du fonctionnement des réseaux trophiques.

Copepods dominate the mesozooplankton biomass of arctic and sub-srctic regions, where light, ice and primary production are highly variable according to the season. By converting carbon fixed by microalgae into lipid reserves for winter survival, Calanus spp. are a crucial source of energy for fish, birds and marine mammals. Historically, copepod ecology was studied by taxonomic counting after net sampling. This thesis proposes another paradigm in the approach and tools for their study. A so-called "functional trait approach” is used to analyze properties that are measurable at the individual scale and influence the ecological success of organisms. Functional traits (i.e. size, trophic regime, vertical migration) are shared by several species and can be related to ecosystem functionalities such as carbon export, energy available for food webs, resilience, etc. Since a majority of the traits have a morphological signature, we defined them on two types of individual plankton images, that are complementary and commonly used: in situ Underwater Vision Profiler (UVP) images and color images taken during stereomicroscope observations. The objective of this thesis is to understand how functional traits of copepods, identified in images, can be related to environmental dynamics and functioning of arctic and sub-arctic ecosystems. In Chapter 1, we analyze in situ images taken by the UVP at the time of spring melt in the Canadian arctic. Morphological variables are used to project the images into a statistical space, and the axes synthesize morphological variation into three continuous features: size, opacity (which tells us about pigmented structures), and complexity of contour (likely indicating feeding activity through appendage visibility). This exploratory analysis revealed novel traits, having variations strongly correlated with sea ice melt and algal blooms phenology. Several arguments indicate that opacity maxima in individuals can be attributed to the presence of astaxanthin, a red carotenoid pigment. In Chapter 2, a review of the literature highlighted the ecological conditions conducive to copepod coloration for various aquatic ecosystems on a global scale. We demonstrate that red pigmentation can participate in the success of individuals (growth, survival, reproduction) through the antioxidant properties of astaxanthin. Since pigmentation appears to be adjustable on short time scales and advantageous under various environmental conditions (intense light, low temperatures and ice cover, or great depths), we believe it can be considered as a "swiss army knife" of metabolic protection. In Chapter 3, an astaxanthin color deconvolution method was used to produce a redness index on stereomicroscope images of arctic copepods. The index was validated by comparison with a chemical quantification of the pigments, and can be used for images taken under various conditions thanks to a prior calibration step of the color channels. This thesis shows that it is possible to extract a maximum amount of information from a plankton image to identify ecological trends on large datasets, while keeping access to inter-individual variability. Using the traits defined here (size, grazing pressure, antioxidant levels), in combination with other tools, could participate in understanding the functioning of food webs.