Potentiel évolutif de l'hirondelle bicolore (Tachycineta bicolor) : plasticité phénotypique et variation génétique dans un contexte d'hétérogénéité environnementale

Les changements environnementaux actuels entrainent des modifications importantes dans les pressions de sélection qui agissent sur les populations naturelles. Cependant, la capacité de réponse des populations à ces modifications et l’importance relative des différents mécanismes comme la plasticité phénotypique et les changements de la composition génétique des populations restent encore trop peu connus. L’objectif général de ma thèse était donc d’évaluer les rôles de la plasticité phénotypique et de la variation génétique sur le potentiel évolutif en population naturelle. Pour ce faire, j’ai utilisé comme modèle d’étude l’Hirondelle bicolore (Tachycineta bicolor), un passereau migrateur qui est suivi dans le Sud du Québec depuis 2004 dans un environnement hétérogène. Dans un premier temps (chapitre 2), j’ai évalué les déterminants environnementaux de la date de ponte et évalué leurs effets à des niveaux individuels et populationnels de plasticité phénotypique. Comme observé chez de nombreuses espèces aviaires, la température avait un effet important sur la synchronisation de la ponte, similaire au niveau individuel et populationnel, avec les dates de ponte plus hâtive lorsque les températures étaient plus chaudes. Par contre, ces relations semblaient contraintes par la densité locale d’hirondelles, considérée dans ce système d’étude comme un indice de la qualité de l’environnement. Plus précisément, les réponses plastiques à la température étaient moins prononcées à faible densité, c’est-à-dire dans les habitats plus contraignants. Ces résultats suggèrent donc que malgré la présence de plasticité phénotypique chez une espèce donnée, son efficacité pour pallier les changements climatiques peut être inégale entre les populations. Dans un deuxième temps (chapitre 3), je me suis intéressée à 4 gènes candidats liés à la phénologie (CLOCK, NPAS2, ADCYAP1 et CREB1) montrant de la variation de type courtes répétitions en tandem, et à leur relation avec deux traits phénologiques, la date de ponte et le temps d’incubation. Ces analyses ont montré plusieurs relations entre la variation observée à ces gènes et celle des traits phénologiques étudiés, dans la plupart des cas en interaction avec des variables environnementales (densité locale, latitude ou température printanière). Par exemple, les femelles avec en moyenne des allèles plus courts au gène CLOCK pondaient plus tôt que celles avec des allèles plus longs, une relation plus marquée à densité locale élevée. Les différents résultats suggèrent l’importance que peuvent prendre les interactions génotype-environnement, qui sont rarement prises en compte dans les études de gènes candidats, et qui pourraient expliquer une partie des résultats discordants entre les celles-ci. Dans un troisième temps (chapitre 4), j’ai vérifié la faisabilité d’une étude en génétique quantitative avec les données récoltées dans le système d’étude utilisée, caractérisé par un fort taux de reproduction hors couple et un faible recrutement des oisillons. Plus précisément, j’ai testé à l’aide de données empiriques et simulées la précision et l’exactitude des estimations d’héritabilité et de corrélations génétiques pour trois types de traits, morphologiques, reproducteurs et d’oisillons. Les résultats suggéraient un manque de précision important pour les traits morphologiques et reproducteurs, de même que des biais considérables lors de l’utilisation du pédigrée social plutôt que du pédigrée génétique. Ces analyses révèlent entre autres l’utilité des simulations pour tester adéquatement la faisabilité d’une étude en génétique quantitative sur une population donnée. Dans une dernière étude (chapitre 5), j’ai documenté les effets de l’hétérogénéité environnementale et de l’utilisation de différentes approches de génétique quantitative sur les prédictions de réponses évolutives en population naturelle. Plus particulièrement, cette étude s’est concentrée sur trois traits morphologiques (masse, longueur de l’aile et du tarse) mesurés à différents moments au cours du développement des oisillons. Les différentes analyses ont montré une sélection plus forte à faible densité locale pour la masse à 12 jours ainsi que des variations dans les composantes de variances phénotypiques selon la qualité de l’environnement (densité locale faible ou élevée) pour la plupart des combinaisons trait-âge étudiées. Il en résultait une tendance à des réponses évolutives prédites plus grandes à faible densité locale. Par contre, les prédictions obtenues avec l’équation du reproducteur et le second théorème de la sélection différaient fréquemment, et contrastaient grandement avec les tendances phénotypiques observées. En somme, les résultats de ma thèse suggèrent que les possibilités d’ajustement aux changements environnementaux par la plasticité phénotypique et d’adaptation par des changements génétiques entre les générations peuvent varier selon l’environnement expérimenté par une population. Mes recherches contribuent à une meilleure compréhension des facteurs et mécanismes influençant la persistance à long terme des populations naturelles face aux modifications dans les pressions de sélection

Divergence régionale et répartition spatiale en mosaïque chez les demoiselles Enallagma hageni et E. ebrium

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-201

Effects of blood parasite infection and innate immune genetic diversity on mating patterns in a passerine bird breeding in contrasted habitats

Genetic diversity at immune genes and levels of parasitism are known to affect patterns of (dis)assortative mating in several species. Heterozygote advantage and/or good genes should shape mate choice originating from pathogen/parasite-driven selection at immune genes. However, the stability of these associations, and whether they vary with environmental conditions, are still rarely documented. In this study, we describe mating patterns in a wild population of tree swallows (Tachycineta bicolor) over 4 years and assess the effects of haemosporidian parasite infection and immune genetic diversity at β-defensin genes on those patterns within two habitats of contrasting environmental quality, in southern Québec, Canada. We first show that mating patterns were only very weakly related to individual status of infection by haemosporidian parasites. However, we found a difference between habitats in mating patterns related to infection status, which was likely due to a non-random distribution of individuals, as non-infected mating pairs were more frequent in lower quality habitats. Mating patterns also differed depending on β-defensin heterozygosity at AvBD2, but only for genetic partners outside of the social couple, with heterozygous individuals pairing together. Our study underlines the importance of considering habitat heterogeneity in studies of sexual selection

The lack of genetic variation underlying thermal transcriptomic plasticity suggests limited adaptability of the Northern shrimp, Pandalus borealis

Introduction: Genetic variation underlies the populations’ potential to adapt to and persist in a changing environment, while phenotypic plasticity can play a key role in buffering the negative impacts of such change at the individual level. Methods: We investigated the role of genetic variation in the thermal response of the northern shrimp Pandalus borealis, an ectotherm species distributed in the Arctic and North Atlantic Oceans. More specifically, we estimated the proportion transcriptomic responses explained by genetic variance of female shrimp from three origins after 30 days of exposure to three temperature treatments. Results: We characterized the P. borealis transcriptome (170,377 transcripts, of which 27.48% were functionally annotated) and then detected a total of 1,607 and 907 differentially expressed transcripts between temperatures and origins, respectively. Shrimp from different origins displayed high but similar level of transcriptomic plasticity in response to elevated temperatures. Differences in transcript expression among origins were not correlated to population genetic differentiation or diversity but to environmental conditions at origin during sampling. Discussion: The lack of genetic variation explaining thermal plasticity suggests limited adaptability in this species’ response to future environmental changes. These results together with higher mortality observed at the highest temperature indicate that the thermal niche of P. borealis will likely be restricted to higher latitudes in the future. This prediction concurs with current decreases in abundance observed at the southern edge of this species geographical distribution, as it is for other cold-adapted crustaceans. Keywords : phenotypic plasticity ; climate change ; ocean warming ; crustacean ; decapod ; fisheries ; RNA-seq

Offspring mass variation in tree swallows : a case of bet‐hedging?

The evolution of reproductive strategies is affected by the ability of organisms to deal with future environmental conditions. When environments are temporally unpredictable, however, it is difficult to anticipate optimal offspring phenotype. Diversification of offspring phenotypes, a strategy called diversified bet‐hedging, may allow parents to maximize their fitness by reducing between‐year variation in reproductive success. The link between diversification of offspring phenotypes and individual reproductive success, however, has rarely been documented empirically. We used an eight‐year dataset (1215 broods, 870 females) on individually marked tree swallows ( Tachycineta bicolor ) to assess whether intra‐brood mass variation was compatible with a diversified bet‐hedging strategy. Intra‐brood mass variation was weakly, but significantly repeatable within females, suggesting consistent individual differences. Greater intra‐brood mass variation, however, was not associated with reduced between‐year variation in reproductive success or increased female reproductive success. Moreover, contrary to diversified bet‐hedging expectations, fledging success of large broods was greater when hatchlings had similar rather than variable masses. Our results suggest that intra‐brood mass variation may not result from diversified bet‐hedging, but rather from complex interactions between environmental, brood, and maternal characteristics

Potentiel évolutif de l'hirondelle bicolore (Tachycineta bicolor) : plasticité phénotypique et variation génétique dans un contexte d'hétérogénéité environnementale

Les changements environnementaux actuels entrainent des modifications importantes dans les pressions de sélection qui agissent sur les populations naturelles. Cependant, la capacité de réponse des populations à ces modifications et l’importance relative des différents mécanismes comme la plasticité phénotypique et les changements de la composition génétique des populations restent encore trop peu connus. L’objectif général de ma thèse était donc d’évaluer les rôles de la plasticité phénotypique et de la variation génétique sur le potentiel évolutif en population naturelle. Pour ce faire, j’ai utilisé comme modèle d’étude l’Hirondelle bicolore (Tachycineta bicolor), un passereau migrateur qui est suivi dans le Sud du Québec depuis 2004 dans un environnement hétérogène. Dans un premier temps (chapitre 2), j’ai évalué les déterminants environnementaux de la date de ponte et évalué leurs effets à des niveaux individuels et populationnels de plasticité phénotypique. Comme observé chez de nombreuses espèces aviaires, la température avait un effet important sur la synchronisation de la ponte, similaire au niveau individuel et populationnel, avec les dates de ponte plus hâtive lorsque les températures étaient plus chaudes. Par contre, ces relations semblaient contraintes par la densité locale d’hirondelles, considérée dans ce système d’étude comme un indice de la qualité de l’environnement. Plus précisément, les réponses plastiques à la température étaient moins prononcées à faible densité, c’est-à-dire dans les habitats plus contraignants. Ces résultats suggèrent donc que malgré la présence de plasticité phénotypique chez une espèce donnée, son efficacité pour pallier les changements climatiques peut être inégale entre les populations. Dans un deuxième temps (chapitre 3), je me suis intéressée à 4 gènes candidats liés à la phénologie (CLOCK, NPAS2, ADCYAP1 et CREB1) montrant de la variation de type courtes répétitions en tandem, et à leur relation avec deux traits phénologiques, la date de ponte et le temps d’incubation. Ces analyses ont montré plusieurs relations entre la variation observée à ces gènes et celle des traits phénologiques étudiés, dans la plupart des cas en interaction avec des variables environnementales (densité locale, latitude ou température printanière). Par exemple, les femelles avec en moyenne des allèles plus courts au gène CLOCK pondaient plus tôt que celles avec des allèles plus longs, une relation plus marquée à densité locale élevée. Les différents résultats suggèrent l’importance que peuvent prendre les interactions génotype-environnement, qui sont rarement prises en compte dans les études de gènes candidats, et qui pourraient expliquer une partie des résultats discordants entre les celles-ci. Dans un troisième temps (chapitre 4), j’ai vérifié la faisabilité d’une étude en génétique quantitative avec les données récoltées dans le système d’étude utilisée, caractérisé par un fort taux de reproduction hors couple et un faible recrutement des oisillons. Plus précisément, j’ai testé à l’aide de données empiriques et simulées la précision et l’exactitude des estimations d’héritabilité et de corrélations génétiques pour trois types de traits, morphologiques, reproducteurs et d’oisillons. Les résultats suggéraient un manque de précision important pour les traits morphologiques et reproducteurs, de même que des biais considérables lors de l’utilisation du pédigrée social plutôt que du pédigrée génétique. Ces analyses révèlent entre autres l’utilité des simulations pour tester adéquatement la faisabilité d’une étude en génétique quantitative sur une population donnée. Dans une dernière étude (chapitre 5), j’ai documenté les effets de l’hétérogénéité environnementale et de l’utilisation de différentes approches de génétique quantitative sur les prédictions de réponses évolutives en population naturelle. Plus particulièrement, cette étude s’est concentrée sur trois traits morphologiques (masse, longueur de l’aile et du tarse) mesurés à différents moments au cours du développement des oisillons. Les différentes analyses ont montré une sélection plus forte à faible densité locale pour la masse à 12 jours ainsi que des variations dans les composantes de variances phénotypiques selon la qualité de l’environnement (densité locale faible ou élevée) pour la plupart des combinaisons trait-âge étudiées. Il en résultait une tendance à des réponses évolutives prédites plus grandes à faible densité locale. Par contre, les prédictions obtenues avec l’équation du reproducteur et le second théorème de la sélection différaient fréquemment, et contrastaient grandement avec les tendances phénotypiques observées. En somme, les résultats de ma thèse suggèrent que les possibilités d’ajustement aux changements environnementaux par la plasticité phénotypique et d’adaptation par des changements génétiques entre les générations peuvent varier selon l’environnement expérimenté par une population. Mes recherches contribuent à une meilleure compréhension des facteurs et mécanismes influençant la persistance à long terme des populations naturelles face aux modifications dans les pressions de sélection

Data from: An assessment of the reliability of quantitative genetics estimates in study systems with high rate of extra-pair reproduction and low recruitment

Quantitative genetics approaches, and particularly animal models, are widely used to assess the genetic (co)variance of key fitness related traits and infer adaptive potential of wild populations. Despite the importance of precision and accuracy of genetic variance estimates and their potential sensitivity to various ecological and population specific factors, their reliability is rarely tested explicitly. Here, we used simulations and empirical data collected from an 11-year study on tree swallow (Tachycineta bicolor), a species showing a high rate of extra-pair paternity and a low recruitment rate, to assess the importance of identity errors, structure and size of the pedigree on quantitative genetic estimates in our dataset. Our simulations revealed an important lack of precision in heritability and genetic-correlation estimates for most traits, a low power to detect significant effects and important identifiability problems. We also observed a large bias in heritability estimates when using the social pedigree instead of the genetic one (deflated heritabilities) or when not accounting for an important cause of resemblance among individuals (for example, permanent environment or brood effect) in model parameterizations for some traits (inflated heritabilities). We discuss the causes underlying the low reliability observed here and why they are also likely to occur in other study systems. Altogether, our results re-emphasize the difficulties of generalizing quantitative genetic estimates reliably from one study system to another and the importance of reporting simulation analyses to evaluate these important issues

Figure ESEB 2015

<p>Phenotypic variance components estimated with an animal model of 6 tree swallow traits in bad vs. good environment conditions in southern Québec study system.<br></p

Empirical dataset of the southern Quebec tree swallow population

Empirical dataset used to estimate and simulate quantitative genetic parameters. Column headings are individual ids (ID), year (YEAR), stade (STADE),brood ids (BROOD), sex (SEX), age (AGE), female age (AGEF), wing length (WL), Julian day for wing length measurement (WLJJ), body mass (MASS), brood number for body mass measurement (MASSNCOUV), Julian day for body mass measurement (MASSJJPONTE), hour for body mass measurement (MASSHOUR), tarsus length (TARSUS), laying date (LD), clutch size (CS), incubation duration (INC), nestling body mass (MASSJ16), nestling wing length (WLJ16), nestlong tarsus length (TARSEJ16), hour of measurement for nestling measurement (HOUR.J16), Julian day for nestling measurement (JJ.J16)

Genotypes at four candidate loci

Genotypes at four candidate loci (CLOCK1, ADCYAP1, NPAS2, CREB1) for all tree swallows sampled in this study