Bourse Terrain 2016 : Xavier Bouteiller

Born in the USA: Robinia pseudoacacia

Xavier Bouteiller

INRA – UMR BIOGECO
69, Route d’Arcachon
33612 Cestas Cedex
France
xavier.bouteiller (at) u-bordeaux.fr ; bouteiller.xavier (at) gmail.com
(Version PDF)

Résumé

Les invasions biologiques deviennent si répandues qu’elles sont identifiées comme une des composantes des changements globaux, elles participent ainsi à la réduction de la diversité biologique terrestre constituant une menace sérieuse pour la biodiversité. La plupart des études portant sur les invasions biologiques se sont concentrées sur leur écologie et le rôle de l’évolution lors des invasions biologiques a été peu étudié. Cependant, les espèces invasives constituent un modèle de choix pour étudier l’évolution rapide. En effet la plupart des invasions sont des évènements relativement récents, plusieurs centaines d’années, en regard des temps évolutifs habituellement considérés de l’ordre de plusieurs milliers d’années. Plusieurs études ont mis en évidence des processus d’évolution rapide et d’adaptation locale chez des plantes invasives. En effet, les organismes introduits expérimentent souvent de nouvelles pressions de sélection biotique ou abiotique et en raison du temps nécessaire à la reproduction, comprendre les facteurs évolutifs à l’œuvre chez les arbres reste un défi scientifique.
Le robinier (Robinia pseudoacacia L.) a été introduit en Europe à partir des USA en 1601. Sur cette espèce à conflit d’usage manifeste, l’organisation de la diversité génétique, tant dans son aire d’origine que dans son aire d’introduction reste peu étudiée. Des marqueurs moléculaires de type single nucleotide polymorphism (SNP) ont été récemment développés afin d’analyser la diversité génétique de cette espèce. Par ailleurs, dans une première étude (Bouteiller et al., in prep), j’ai réalisé un dispositif de génétique quantitative à partir de vingt populations européennes. Les résultats révèlent une absence de différenciation génétique pour les traits phénotypiques analysés, ainsi qu’une différenciation génétique moléculaire entre certaines populations. Cependant, mon échantillonnage était réduit. Par conséquent, j’ai souhaité échantillonner plus largement de nouvelles populations afin de comparer la diversité et la variabilité génétique existantes.
Suite à une campagne de terrain réalisée au printemps 2016, je dispose d’un échantillonnage significatif à travers l’Europe.
De plus, grâce à un financement conjoint de la Société Française d’Ecologie et de mon unité de recherche, j’ai pu échantillonner en automne 2016 des populations de robinier dans son aire native américaine présentant d’après Little (1971) deux parties disjointes : les monts Ozarks à l’ouest et les Appalaches à l’est (Fig. 1).

L’échantillonnage aux USA a consisté en un échantillonnage itinérant. J’ai loué une voiture pour aller échantillonner les différentes populations ciblées à travers l’aire native du robinier. Le matériel était constitué d’un échenilloir, de sachets filtres, de boîtes plastiques, de silicagel ainsi que d’un GPS.
L’objectif était de prélever des feuilles et des graines dans une quinzaine de populations réparties dans toute l’aire native du robinier (Fig 2.).
Au sein de chaque population entre 10 et 15 individus ont été échantillonnés. Le robinier pratiquant à la fois la reproduction sexuée et asexuée par drageonnage, une distance d’au moins 50 mètres entre individus a été respectée afin d’éviter de récolter des clones. La position de chaque individu a été référencée par GPS.
Chaque feuille a été placée à l’intérieur d’un sachet filtre dans une boîte hermétique contenant du silicagel. De cette façon les feuilles peuvent être stockées plusieurs mois sans que l’ADN ne se dégrade. L’extraction de l’ADN des feuilles et le génotypage auront lieu début 2017.
Les gousses de chaque arbre prélevé ont été placées dans un sac. Les graines seront extraites à mon retour au laboratoire où elles seront stockées en chambre froide à 5°C. Elles conservent ainsi leur pouvoir germinatif plusieurs années. Les graines seront semées au début de l’année 2017 en environnement commun en mêlant populations américaines et européennes.
L’abondance du robinier dans son aire native est apparue comme très hétérogène. A l’ouest, le robinier est peu abondant et seuls quelques rares individus isolés ont été aperçus dans le Missouri. Dans l’Arkansas, le robinier devenait un peu plus fréquent bien que de véritables populations étaient difficiles à trouver (Fig .3). De plus, il était souvent en mélange avec d’autres Fabacées tels Robinia hispida, Cercis spp. ou Gledistia spp. dont les gousses pendantes ou le port des feuilles engendraient des confusions avec le robinier qui n’étaient dissipées qu’aux abords directs de l’arbre. Trois populations dans cette partie de l’aire native ont été échantillonnées.

Des individus ont pu être observés hors de leur aire d’origine (Fig 4.) témoignant de la dispersion du robinier en dehors de son aire d’origine aux USA.
Dans les Appalaches, le robinier était plus abondant. L’essence existait en mélange avec des chênes (Qercus spp.), des érables (Acer spp.) ou encore des pins (Pinus spp.). Au sud, des arbres majestueux ont pu être observés ainsi que des juvéniles colonisant des espaces déboisés ou les lisières (Fig. 5). Des individus ont pu être prélevés jusqu’à 1300 mètres d’altitude. En remontant vers le nord, le robinier devenait moins fréquent comme dans le Kentucky ou l’Ohio, il présentait parfois un aspect maladif avec des feuilles racornies comme dans le massif des montagnes Blue Ridge en Virginie. De manière générale, les graines se sont faites plus rares, plus difficiles à échantillonner et elles étaient souvent pourries ou attaquées par des insectes. 13 populations ont pu être échantillonnées dans les Appalaches.

Ainsi, aux termes d’un périple de près de 7000 km, après avoir traversé 15 états, 16 populations ont été échantillonnées, des Monts Ozarks aux Appalaches, et plus de 250 individus ont été prélevés (Fig. 1).
Cette campagne de terrain a représenté une opportunité unique pour moi pour acquérir un échantillonnage nécessaire pour comprendre l’invasion chez cette espèce et je suis très reconnaissant à la SFE de m’avoir alloué une bourse de terrain en 2016.

Justification

Les invasions biologiques deviennent si répandues qu’elles sont identifiées comme une des composantes des changements globaux, elles participent ainsi à la réduction de la diversité biologique terrestre constituant une menace sérieuse pour la biodiversité (Heywood, 1989; Richardson and Rejmánek, 2011; Vitousek et al., 1997, 1996). La plupart des études portant sur les invasions biologiques se sont concentrées sur leur écologie et le rôle de l’évolution lors des invasions biologiques a été peu étudié (Colautti and Lau, 2015). Cependant, les espèces invasives constituent un modèle de choix pour étudier l’évolution rapide dans les populations naturelles ou gérées par l’homme. En effet la plupart des invasions sont des évènements relativement récents, plusieurs centaines d’années, en regard des temps évolutifs habituellement considérés de l’ordre de plusieurs milliers d’années. Plusieurs études ont mis en évidence des processus d’évolution rapide et d’adaptation locale chez des plantes invasives (Colautti and Barrett, 2013; Maron et al., 2004). En effet, les organismes introduits expérimentent souvent de nouvelles pressions de sélection biotique ou abiotique (Barrett, 2015) et en raison du temps nécessaire à la reproduction, comprendre les facteurs évolutifs à l’œuvre chez les arbres reste un défi scientifique.
Le robinier (Robinia pseudoacacia L.) a été introduit en Europe à partir des USA au début du XVIIème siècle (Cierjacks et al., 2013). Sur cette espèce à conflit d’usage manifeste (largement plantée et en même temps considérée comme invasive), l’organisation de la diversité génétique, tant dans son aire d’origine que dans son aire d’introduction, et l’histoire de son introduction restent peu étudiées.
Des marqueurs SNP ont été récemment développés afin d’analyser la diversité génétique de cette espèce au niveau moléculaire (Verdu et al., 2016). Par ailleurs, dans une première étude (Bouteiller et al., in prep), j’ai réalisé un dispositif de génétique quantitative en environnement commun à partir de vingt populations européennes. Les résultats révèlent une absence de différenciation génétique pour les traits phénotypiques analysés, et en même temps, une différenciation génétique moléculaire entre certaines paires de populations, ainsi qu’une importante admixture génétique. La comparaison des indices de différentiation Q_ST et F_ST ne montre pas d’écart à l’attendue neutre de la sélection. Cependant, mon échantillonnage était réduit à des populations belges et françaises de l’aire d’introduction.

Suite à une campagne de terrain réalisée au printemps 2016, je dispose maintenant d’un échantillonnage significatif de l’aire d’introduction européenne avec 30 populations échantillonnées. De plus, grâce à un financement conjoint de la Société Française d’Ecologie et de mon unité de recherche, j’ai pu échantillonner en automne 2016 des populations de robinier dans son aire native américaine. Grâce à ce large échantillonnage dans l’aire d’origine et d’ans l’aire d’introduction, j’envisage de tester deux hypothèses. (i) l’admixture génétique est la principale caractéristique des populations introduites par rapport aux populations d’origine, cette admixture étant due à des introductions multiples depuis des populations différenciées de l’aire d’origine. (ii) les flux de gènes induits par l’Homme seraient la force évolutive qui aurait influencé l’organisation de la diversité génétique dans l’aire d’introduction.

Méthodes

L’échantillonnage aux USA a consisté en un échantillonnage itinérant. J’ai loué une voiture pour aller échantillonner les différentes populations ciblées à travers l’aire native du robinier. Le matériel était constitué d’un échenilloir, de sachets filtres, de boîtes plastiques, de silicagel ainsi que d’un GPS. L’objectif était de prélever des feuilles dans une quinzaine de populations réparties dans toute l’aire native du robinier ainsi que des graines dans 10 populations. Les populations ont été ciblées d’après des échanges avec des collaborateurs américains qui avaient installé un jardin commun de robinier en 1981 et qui disposaient des coordonnées GPS des populations dont les graines étaient originaires. De plus, dans le cadre des travaux de développement des marqueurs SNP, des populations avaient été échantillonnées aux USA en 2012 et nous disposions des coordonnées GPS de ces populations.

Au sein de chaque population entre 10 et 15 individus ont été échantillonnés. Le robinier pratiquant à la fois la reproduction sexuée et asexuée par drageonnage, une distance d’au moins 50 mètres entre individus a été respectée afin d’éviter de récolter des clones. La position de chaque individu a été référencée par GPS.
Chaque feuille a été placée à l’intérieur d’un sachet filtre dans une boîte hermétique contenant du silicagel. De cette façon les feuilles peuvent être stockées plusieurs mois sans que l’ADN ne se dégrade. L’extraction de l’ADN des feuilles et le génotypage auront lieu début 2017.
Les gousses de chaque arbre prélevé ont été placées dans un sac. Les graines seront extraites à mon retour au laboratoire et elles seront stockées en chambre froide à 5°C. Elles conservent ainsi leur pouvoir germinatif plusieurs années. Les graines seront semées au début de l’année 2017 en environnement commun en mêlant populations américaines et européennes.
Afin de tester l’hypothèse de l’admixture, les feuilles récoltées dans les populations des deux continents seront génotypées à l’aide des marqueurs SNP disponibles au laboratoire. La structure génétique des populations sera ensuite étudiée tant au sein de l’aire native et de l’aire d’introduction qu’entre les deux aires (Jombart et al., 2010; Pritchard et al., 2000), puis à l’aide de la méthode d’analyse conjointe de la structure spatiale et de l’admixture développée par Bradburd et al. (2015) nous essaierons d’identifier les populations sources (Bradburd et al., 2015).

D’autre part afin de tester notre seconde hypothèse relative à la sélection, l’échantillonnage de graines me permettra d’installer un dispositif en environnement commun pour analyser la différenciation génétique d’un ensemble de caractères phénotypiques dans les populations américaines ainsi que dans les populations européennes et je pourrai également comparer les phénotypes entre les deux continents (Colautti and Lau, 2015; Keller and Taylor, 2008). J’inférerai un rôle éventuel de la sélection par des comparaisons Q_ST et F_ST et en utilisant un modèle utilisant l’ancestry inférée comme co-facteur (Agrawal et al., 2015).

Résultats et discussion

Les populations ciblées grâce à leurs coordonnées GPS dont nous disposions nous ont permis de cibler des zones où le robinier était présent. En revanche, aucune de ces populations n’a pu être échantillonnée de nouveau. En effet, les populations ayant servi à mettre en place le dispositif en environnement commun datant de plus de 30 ans n’étaient plus présentes, et pour celles prélevées dans le cadre du développement des marqueurs, des coupes rases ou l’absence de graines, ont empêchés le prélèvement.

Des individus ont pu être observés hors de leur aire d’origine, comme à Memphis dans le Tennessee, témoignant de la dispersion du robinier en dehors de son aire d’origine aux USA. L’origine de cette dispersion reste inconnue, mais il semblerait que les populations natives américaines ainsi que les premiers colons aient cultivé le robinier, contribuant à sa dispersion hors de son aire native sur le continent américain.

Sur le terrain plusieurs défis ont été à relever. Outre la difficulté à repérer les robiniers poussant en mélange dans des forêts denses, les arbres poussant dans des milieux montagneux accidentés étaient souvent difficiles d’accès, enfin le robinier était souvent en mélange avec d’autres fabacées tels Robinia hispida, Cercis spp. ou encore Gledistia spp. et dont la ressemblance morphologique engendrait des confusions qui n’étaient dissipées qu’aux abords directs de l’arbre.
Toutefois malgré ces difficultés, inhérentes à toute mission de terrain, le bilan de cette campagne de terrain a été très positif. Aux termes d’un périple de près de 7000 km, après avoir traversé 15 états, 16 populations ont été échantillonnées, des Monts Ozarks aux Appalaches, et plus de 250 individus ont été prélevés dont 11 populations prélevées pour les graines. Au final, la quasi-totalité de l’aire native a été couverte avec une répartition régulière des points d’échantillonnage.

Les prochaines analyses qui débuteront en 2017 par le génotypage et la mise en place du dispositif en environnement commun permettront ainsi de répondre à des questions stimulantes relatives au rôle des processus évolutifs lors d’une invasion biologique.