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Soutenance de thèse de Lorraine BOTTIN 27 février 2006

Déterminants de la variation moléculaire et phénotypique d’une espèce forestière en milieu insulaire  Cas de Santalum austrocaledonicum en Nouvelle-Calédonie. Soutenance de thèse de Lorraine BOTTIN 27 février 2006.

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Soutenance de thèse de Lorraine BOTTIN 27 février 2006

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  1. Déterminants de la variation moléculaire et phénotypique d’une espèce forestière en milieu insulaire  Cas de Santalum austrocaledonicum en Nouvelle-Calédonie Soutenancedethèse de LorraineBOTTIN 27 février 2006

  2. Déterminants de la variation moléculaire et phénotypique d’une espèce forestière en milieu insulaire  Cas de Santalum austrocaledonicum en Nouvelle-Calédonie Introduction : les systèmes insulaires 1. Diversité et structuration génétiques sur la base de marqueurs microsatellites 2. Diversité des caractères phénotypiques Conclusion Perspectives de recherche

  3. Introduction Nouvelle Calédonie, île de Grande Terre Les systèmes insulaires: des « laboratoires évolutifs » • Écosystèmes uniques • Diversité des biotopes / taille île :  altitude

  4. Introduction ILES LOYAUTE OUVEA LIFOU MARE GRANDE TERRE ILE DES PINS Les systèmes insulaires: des « laboratoires évolutifs » • Écosystèmes uniques • Diversité des biotopes / taille île :  altitude  composition du sol • Origine géologique : • Grande Terre + île des Pins: Gondwana • Îles Loyauté: anciens volcans ennoyés, comblés par calcaire corallien

  5. Introduction 1500 mm/an 2000 mm/an 900-1000 mm/an Les systèmes insulaires: des « laboratoires évolutifs » • Écosystèmes uniques • Diversité des biotopes / taille île :  altitude  composition du sol  climat

  6. Introduction 0.5 cm 5 cm Les systèmes insulaires: des « laboratoires évolutifs » • Écosystèmes uniques • Diversité des biotopes / taille île. • Biocénoses adaptées aux conditions insulaires. Exemples d’adaptation : • Nanisme et gigantisme Ex : gigantisme des graines (Carlquist, 1980) Humidité croissante

  7. Introduction Cyclamen balearicum (insulaire) Cyclamen hederifolium Les systèmes insulaires: des « laboratoires évolutifs » • Écosystèmes uniques • Diversité des biotopes / taille île. • Biocénoses adaptées aux conditions insulaires. Exemples d’adaptation : • Nanisme et gigantisme Ex : gigantisme des graines (Carlquist, 1980)  Autogamie (plantes) : adaptation au manque de pollinisateurs Ex : Cyclamen balearicum vs Cyclamen hederifolium

  8. Introduction Bidens pilosa (Amérique continentale) Bidens populifolia (Hawaï) Cagou (Nouvelle Calédonie) Les systèmes insulaires: des « laboratoires évolutifs » • Écosystèmes uniques • Diversité des biotopes / taille île. • Biocénoses adaptées aux conditions insulaires. Exemples d’adaptation : • Nanisme et gigantisme Ex : gigantisme des graines (Carlquist, 1980)  Autogamie (plantes) : adaptation au manque de pollinisateurs Ex : Cyclamen balearicum vs Cyclamen hederifolium  Perte des structures de dissémination et des facultés de vol

  9. Introduction Les systèmes insulaires: des « laboratoires évolutifs » • Écosystèmes uniques • Diversité des biotopes / taille île. • Biocénoses adaptées aux conditions insulaires. Exemples d’adaptation : • Nanisme et gigantisme : Ex : gigantisme des graines (Carlquist, 1980)  Autogamie (plantes) : adaptation au manque de pollinisateurs Ex : Cyclamen balearicum vs Cyclamen hederifolium  Perte des structures de dissémination et des facultés de vol Ensemble d’espèces adaptés au milieu, vulnérables face aux invasions donc particulièrement soumis aux extinctions

  10. Introduction • Statut isolé Migration réduite diminution / rupture du flux de gènes 1500 km 150 km 1000 km 100 km Les systèmes insulaires: des « laboratoires évolutifs » • Écosystèmes uniques • Forces évolutives particulières par rapport au continent • Sélection naturelle pour s’adapter aux écosystèmes insulaires

  11. Introduction 5 km 100 km Les systèmes insulaires: des « laboratoires évolutifs » • Écosystèmes uniques • Forces évolutives particulières par rapport au continent • Sélection naturelle pour s’adapter aux écosystèmes insulaires • Statut isolé Migration réduite diminution / rupture du flux de gènes • Faible taille des populations Phénomènes stochastiques : dérive génétique • Faible nombre d’individus fondateurs

  12. Introduction Les systèmes insulaires: des « laboratoires évolutifs » • Écosystèmes uniques • Forces évolutives particulières par rapport au continent • Sélection naturelle pour s’adapter aux écosystèmes insulaires • Statut isolé Migration réduite diminution / rupture du flux de gènes • Faible taille des populations Phénomènes stochastiques : dérive génétique • Faible nombre d’individus fondateurs Espèces insulaires plus différenciées que les espèces continentales possèdent moins de diversité

  13. Introduction Les systèmes insulaires: des « laboratoires évolutifs » • Écosystèmes uniques • Forces évolutives particulières par rapport au continent • Plantes insulaires : modèles pour aborder de nombreux problèmes en biologie évolutive • Les bénéfices adaptatifs de l’autogamie et l’allogamie • Rôle des processus stochastiques, de la sélection et de la migration dans l’évolution des espèces • Processus de spéciation • Processus d’extinction

  14. Introduction Les systèmes insulaires: des « laboratoires évolutifs » • Écosystèmes uniques • Forces évolutives particulières par rapport au continent • Plantes insulaires : modèles pour aborder de nombreux problèmes en biologie évolutive Choix d’une espèce végétale de milieu insulaire : Santalum austrocaledonicum, espèce à forte valeur patrimoniale en Nouvelle-Calédonie, menacée après surexploitation.

  15. Introduction S spicatum S obtusifolium S murrayanum S Album S acuminatum S Boninense S ellipticum S freycinetianum S paniculatum S laleakalae S yasi S fernandezianum S macgregorii Figure 1: localisation des différentes espèces du genre Santalum L’espèce Santalum austrocaledonicum au sein du genre Santalum S.austrocaledonicum S insulare

  16. Osyris alba Colpoon compressum S. acuminatum WAAustralia S. acuminatum WA Australia S. acuminatum SA Australia S. acuminatum NSW Australia S. acuminatum NSWAustralia S. acuminatum VIC Australia Introduction S. fernandezianum Juan Fernandez S. spicatum SA Australia S. spicatum WA Australia S. spicatum WA Australia S. murrayanum VIC Australia S. murrayanum SA Australia 66 S. lanceolatum NSW Australia 63 S. lanceolatum QNS Australia S. lanceolatum SA Australia 98 S. austrocaledonicum Vanuatu 97 S. lanceolatum NT Australia 94 92 S. ellipticum Oahu 100 67 S. ellipticum Oahu S. ellipticum Oahu 88 S. ellipticum var. littorale Oahu 81 S. paniculatum Hawaii 63 81 66 S. paniculatum Hawaii 88 S. macgregorii PNG S. macgregorii PNG 68 S. macgregorii PNG 75 Australie 83 S. insulare var. raivanse Raivave Juan Fernandez 74 S. insulare var. raiateense Raiatea Vanuatu Hawaï S. insulare var. hendersonense Henderson 91 Polynésie Inde S. insulare var. mitiaro Cooks 95 67 Bonin S. insulare Henderson Nlle Calédonie S. insulare var. marchionense Marquesas Fiji, Tonga 100 S. insulare Tahiti 92 S. boninense Bonin 98 S. freycinetinaum var. pyrularium Kauai S. freycinetianum var. lanaiense Maui 88 S. freycinetianum Molokai S. freycinetianum Oahu S. freycinetianum Molokai S. haleakalae Maui S. obtusifolium NSW Australia S. austrocaledonicum New Caledonia S. obtusifolium QNS Australia S. yasi Fiji S. yasi Tonga S. yasi Tonga S. album NT Australia S. album India L’espèce Santalum austrocaledonicum au sein du genre Santalum Phylogénie obtenue avec • ADN chloroplastique (TrnK) • ADN ribosomal : séquences ITS et ETS de la zone 18S-26S

  17. Introduction S spicatum S obtusifolium S murrayanum S Album S acuminatum S Boninense S ellipticum S freycinetianum S paniculatum S laleakalae S yasi S fernandezianum S macgregorii Figure 1: localisation des différentes espèces du genre Santalum L’espèce Santalum austrocaledonicum au sein du genre Santalum ? S.austrocaledonicum S insulare

  18. Introduction L’espèce Santalum austrocaledonicum Caractéristiques botaniques -Arbre, Angiospermes -Taille moyenne : 6 à 8m, diamètre à 1,3m : 30 cm à maturité. -Feuilles : individus juvéniles (50 x 6 mm) différents ind. adultes (50 x 30 mm). -Fleurs : blanches verdâtres, apétales. Plusieurs périodes de floraison. -Fruit : drupe charnue (10 x 15 mm). Feuilles d’individus juvéniles

  19. Introduction Traces laissées par des haustoria Haustoria Racine de Citrus reticulata parasitée par un Santal L’espèce Santalum austrocaledonicum Caractéristiques botaniques -Arbre, Angiospermes -Taille moyenne : 6 à 8m, diamètre à 1,3m : 30 cm à maturité. -Feuilles : individus juvéniles (50 x 6 mm) différents ind. adultes (50 x 30 mm). -Fleurs : blanches verdâtres, apétales. Plusieurs périodes de floraison. -Fruit : drupe charnue (10 x 15 mm). -Racines : munies d’haustoria (suçoirs) font du Santal un hémiparasite non spécifique

  20. 1. La Nouvelle-Calédonie et l’espèce Santalum austrocaledonicum Aubier Bois de cœur L’espèce Santalum austrocaledonicum Le « bois de Santal »= bois de cœur Exploitable lorsque l’arbre a 30 ans Utilisé en parfumerie et cosmétique (huile essentielle) et en artisanat (bois) Santalum austrocaledonicum: surexploitée au 19ème siècle, toujours exploitée actuellement

  21. Introduction L’espèce Santalum austrocaledonicum Reproduction -Reproduction sexuée : Entomophile, dispersion des graines par zoochorie (oiseaux) A priori allogame et autogame: étude en cours -Reproduction asexuée : Rejet de souche après une coupe Drageons

  22. Introduction 100 000 127 000 242 000 <1 000 61 000 Îles Loyauté L’espèce Santalum austrocaledonicum Répartition dans l’archipel Différence Grande Terre / îles Loyauté Sur Grande Terre : petites populations reliques: une forme d’insularité Ouvéa Lifou Îles Loyauté Grande Terre Maré Île des Pins

  23. Introduction Questions de recherche • Comment s’établissent les flux de gènes au sein de l’archipel calédonien? Dans quelle mesure l’isolement des îles influence les phénomènes de dérive et migration? Quels sont les patrons de diversité entre et à l’intérieur des populations? • Existe t-il des variations phénotypiques de l’espèce au sein de l’archipel? Si oui, quel est le déterminisme génétique de cette variation? Cette variation est-elle adaptative? Si oui, quelles sont les pressions de sélection spécifiques à l’écosystème calédonien? • Comment élaborer une stratégie de gestion de l’espèce dans un but de conservation?

  24. Introduction Stratégie • Combiner l’analyse de différents caractères • caractères moléculaires neutres non soumis à la sélection • caractères a priori liés à l’adaptation Marqueurs microsatellites nucléaires et chloroplastiques Taille des graines et des feuilles juvéniles, composition chimique du bois de cœur • Établir la relation entre cette variabilité et • l’isolement des îles ou populations, leur petite taille  impact de la dérive et de la migration • les variables abiotiques (climat (pluviométrie, température), sol )  impact de la sélection

  25. 1. Diversité et structuration génétiques sur la base de marqueurs microsatellites Objectif: comprendre les phénomènes de dérive et de migration au sein de l’archipel

  26. 1. Diversité et structuration génétique sur la base de marqueurs microsatellites Malhec (40) Tangadiou (5) Îles Loyauté Koumak (10) Ouvéa (48) Oundjo (2) Tiéai (10) Grande Terre Lifou (103) Pindai (26) Maré (89) Dumbéa (9) Mont Dore (2) Nouville (34) Vavouto (34) Païta (53) Ouen Toro (22) Île des Pins(69) Échantillonnage Sur l’ensemble de l’archipel, plusieurs campagnes de récolte. Déséquilibré  Exhaustif sur Grande Terre (sauf Ouen Toro), non exhaustif sur Loyautés et île des Pins  Nombre d’individus par population différent.  Surfaces recouvertes différentes. Iles Loyauté : 240 Grande Terre : 306 Ile des Pins : 69 Vanuatu : 11 Total : 626 individus

  27. 1. Diversité et structuration génétique sur la base de marqueurs microsatellites 300 m 10 km Échantillonnage Sur l’ensemble de l’archipel, plusieurs campagnes de récolte. Déséquilibré  Exhaustif sur Grande Terre (sauf Ouen Toro), non exhaustif sur Loyautés et île des Pins  Nombre d’individus par population différent.  Surfaces recouvertes différentes.

  28. 1. Diversité et structuration génétique sur la base de marqueurs microsatellites Malhec Hienghène Ouvéa Lifou Tiéa Pindaï Maré Païta Ouen Toro Ile des Pins Répartition des chlorotypes dans l’archipel Arbre des distances génétiques (chloroplastes) • Diversité et structuration ENTRE populations • Diversité et structuration chloroplastique : 15 chlorotypes Différence Grande Terre / îles Loyauté  rupture très ancienne du flux de gènes. Fst = 0.6 îles Loyauté Grande Terre île des Pins

  29. 1. Diversité et structuration génétique sur la base de marqueurs microsatellites • Diversité et structuration ENTRE populations • Diversité et structuration chloroplastique : 15 chlorotypes Différence Grande Terre / îles Loyauté  rupture très ancienne du flux de gènes. Fst = 0.6 • Diversité et structuration sur la base des microsatellites nucléaires 8 loci microsatellites Fst = 0.33 îles Loyauté Proximité Grande Terre / île des Pins = même origine géologique et communication durant la dernière glaciation Grande Terre île desPins Arbre des distances génétiques (ADN nucléaire)

  30. 1. Diversité et structuration génétique sur la base de marqueurs microsatellites -0.02ns -0.05ns Fis = 0.14 * Ouvéa -0.03 ns Lifou Fis = 0.25 *** 0.09*** Maré Fis = 0.62 *** Grande Terre Fis = 0.17 *** Fis = 0.17 *** 0.03*** 0.00ns Ile des Pins Effet Wahlund Fis = 0.0 ns • Diversité et structuration ENTRE populations • Diversité et structuration chloroplastique : 15 chlorotypes Différence Grande Terre / îles Loyauté  rupture très ancienne du flux de gènes. Fst = 0.6 • Diversité et structuration sur la base des microsatellites nucléaires 8 loci microsatellites Fst = 0.33 • Nombreux Fis positifs

  31. 1. Diversité et structuration génétique sur la base de marqueurs microsatellites Fis = 0.14 * Fis = 0.14 * Ouvéa Fis = 0.25*** Lifou Fis = 0.25 *** Maré Fis = 0.62 *** Grande Terre Fis = 0.62 *** Fis = 0.17 *** Ile des Pins Fis = 0.0 ns • Diversité et structuration ENTRE populations • Diversité et structuration chloroplastique : 15 chlorotypes Différence Grande Terre / îles Loyauté  rupture très ancienne du flux de gènes. Fst = 0.6 • Diversité et structuration sur la base des microsatellites nucléaires 8 loci microsatellites Fst = 0.33 • Nombreux Fis positifs Effet Wahlund Allèles nuls Autofécondation Autofécondation due à déficit de pollinisateurs? (Barrett, 1996)

  32. 1. Diversité et structuration génétique sur la base de marqueurs microsatellites • Diversité et structuration ENTRE populations • Diversité et structuration chloroplastique : 15 chlorotypes Différence Grande Terre / îles Loyauté  rupture très ancienne du flux de gènes. Fst = 0.6 • Diversité et structuration sur la base des microsatellites nucléaires 8 loci microsatellites Fst = 0.33 • Nombreux Fis positifs • Comparaison avec d’autres espèces

  33. 1. Diversité et structuration génétique sur la base de marqueurs microsatellites

  34. 1. Diversité et structuration génétique sur la base de marqueurs microsatellites • Diversité et structuration ENTRE populations • Diversité et structuration chloroplastique : 15 chlorotypes Différence Grande Terre / îles Loyauté  rupture très ancienne du flux de gènes. Fst = 0.6 • Diversité et structuration sur la base des microsatellites nucléaires 8 loci microsatellites Fst = 0.33 • Nombreux Fis positifs • Comparaison avec d’autres espèces CONCLUSIONS : Un fort impact de la dérive, exacerbée par l’isolement des îles Un régime de reproduction ayant évolué vers l’autogamie

  35. 1. Diversité et structuration génétique sur la base de marqueurs microsatellites Lifou île des Pins Ouvéa Maré 10 km 2.5 km 5 km 5 km • Diversité et structuration INTRA populations • Diversité et structuration chloroplastique : • des cas différents selon les îles • généralement peu de structuration

  36. 1. Diversité et structuration génétique sur la base de marqueurs microsatellites • Mantel  absence d’isolement par la distance Païta • Diversité et structuration INTRA populations • Diversité et structuration chloroplastique : • des cas différents selon les îles • généralement peu de structuration • Structuration sur la base des microsatellites nucléaires : CONCLUSION :Faible structuration intra population / intra îles Loyauté

  37. 2. Diversité des caractères phénotypiques Objectif: identifier les déterminants (biotiques, abiotiques, génétiques) de la variation des graines, des feuilles juvéniles et de la composition chimique du bois de cœur

  38. 2. Variation phénotypique Malhec Îles Loyauté Ouvéa Koumak Graines et feuilles juvéniles Lifou Grande Terre Bois de cœur Maré Pindaï Païta Ouen Toro 100 km île des Pins Échantillonnage • Graines et feuilles juvéniles: • Échantillonnage de graines, très déséquilibré, sur plusieurs années (depuis 1994). • Mise en place d’un essai contrôlé  feuilles juvéniles. • Copeaux de bois de cœur • Échantillonnage équilibré, réalisé en 2003 Hienghène

  39. 2. Variation phénotypique: taille des graines et des feuilles juvéniles Feuilles juvéniles graines Ouvéa / Maré: 4.23 x 1.1 cm Ouvéa / Maré: 0.94 x 0.8 cm Ouen Toro : 0.76 x 0.59 cm Île des Pins: 0.89 x 0.69 cm Ouen Toro : 7.18 x 0.38 cm Île des Pins: 4.91 x 0.53 cm 2.1. Taille des graines et des feuilles juvéniles • Des différences significatives entre populations

  40. 2. Variation phénotypique: taille des graines et des feuilles juvéniles Ouvéa Lifou Grande Terre Maré Grande Terre îles Loyauté Ile des Pins 2.1. Taille des graines et des feuilles juvéniles • Des différences significatives entre populations

  41. 2. Variation phénotypique: taille des graines et des feuilles juvéniles 1500 mm/an 2000 mm/an 900 mm/an Déterminants de la variation de la taille des feuilles et des graines Un déterminisme génétique = héritabilité de 42% à 85% • Effet de la dérive / faible migration? Structuration Grande Terre / Loyautés comme pour les microsatellites (marqueurs neutres)  un effet possible • Effet de l’adaptation? Oui car Qst > Fst • Pluviométrie? Grandes différences selon les localités. Corrélation significative et positive de la pluviométrie avec taille des graines et largeur des feuilles • Graines + grosses en zone humide car compétition • Feuilles + fines pour limiter la transpiration en zone sèche

  42. 2. Variation phénotypique: taille des graines et des feuilles juvéniles Déterminants de la variation de la taille des feuilles et des graines Un déterminisme génétique = héritabilité de 42% à 85% • Effet de la dérive / faible migration? Structuration Grande Terre / Loyautés comme pour les microsatellites (marqueurs neutres)  un effet de dérive possible • Effet de l’adaptation? Oui car Qst > Fst • Pluviométrie? Grandes différences selon les localités. Corrélation significative et positive de la pluviométrie avec taille des graines et largeur des feuilles • Graines + grosses en zone humide car compétition • Feuilles + fines pour limiter la transpiration en zone sèche • Influence possible d’autres facteurs (non testés) : • altitude, • température, • sol (sols calcaires de mauvaise qualité sur Loyautés), • cortège d’oiseaux disperseurs, • plante hôte.

  43. 2. Variation phénotypique: composition chimique du bois de coeur • Essences très volatiles, non miscibles à l'eau et souvent parfumées. Santal: Formation dans la zone de transition aubier / bois de cœur. • Huiles essentielles = composés secondaires des plantes: rôle défensif, et moteur évolutif. Santalum austrocaledonicum: un rôle de résistance aux champignons et termites Pression de sélection biotique? 2.2. Composition chimique du bois de cœur • Le bois de cœur de Santal, zone productrice d’huiles essentielles

  44. 2. Variation phénotypique: composition chimique du bois de coeur Huile essentielle Concrète Sesquiterpènes oxygénés = mono-alcools Etalon octanol hydrocarbures diols • Extraction au solvant (CHCl3) de la « concrète » : mêmes molécules que l’huile essentielle + autres molécules • Chromatographie en phase gazeuse Analyses chimiques • Analyse statistique des pics : l’aire d’un pic sur le chromatogramme est représentative de sa quantité dans la concrète  pics exprimés en pourcentage d’aire de concrète

  45. 2. Variation phénotypique: composition chimique du bois de coeur Description de la variabilité sur l’ensemble de la Nouvelle-Calédonie • 33 pics • Hydrocarbures : 3.56% de l’aire totale de la concrète, Alcools : 89.0%, Diols : 3.54%. • Molécules les plus importantes (aire > 5%) : a-santalol, a-transbergamotol, b-santalol et (E)-lancéol

  46. 2. Variation phénotypique: composition chimique du bois de coeur Description de la variabilité sur l’ensemble de la Nouvelle-Calédonie • 33 pics • Hydrocarbures : 3.56% de l’aire totale de la concrète, Alcools : 89.0%, Diols : 3.54%. • Molécules les plus importantes (aire > 5%) : a-santalol, a-transbergamotol, b-santalol et (E)-lancéol • Comparaison avec d’autres espèces de Santal

  47. 2. Variation phénotypique: composition chimique du bois de coeur Pindaï Hienghène Malhec Malhec Variation inter et intra-population par modèle à effets aléatoires • 18.9% de la variance totale des pics est due aux différences entre populations. • a-santalol : 19.68%, a-trans-bergamotol : 9.06 %, b-santalol : 22.52%, (E)-lanceol : 13.26%. Variation entre populations par approche multivariée • Malhec: une faible teneur ena-santalol et forte teneur en (E)-lancéol • Pindaï: forte teneur en molécule du pic 79 • Hienghène: forte teneurs en dérivés de l’a-santalène

  48. 2. Variation phénotypique: composition chimique du bois de coeur Variation entre groupes d’îles par approche multivariée Différences significatives entre Grande Terre, île des Pins et Loyautés

  49. 2. Variation phénotypique: composition chimique du bois de coeur arbre des distances génétiques (microsatellites nucléaires) arbre des distances chimiques Déterminants de la variation chimique • Effet des facteurs abiotiques • Pluviométrie: non corrélée à 31 pics sur 33. • Sol: Malhec (sol fersiallitique) : effet différent sur la composition chimique. Influence du sol ou autre facteur? • Effet de la dérive et de l’isolement Si même effet sur les huiles et les microsatellites  structuration similaire des populations. Arbres de distance différents: dérive et isolement ont moins d’effet que l’adaptation

  50. 2. Variation phénotypique: composition chimique du bois de coeur • Effet des facteurs biotiques Adaptation à des cortèges d’insectes particuliers selon les localités  à tester Effet des plantes parasitées: nature et quantité d’espèces parasitées  à tester

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