From functional genes to ecosystem functioning : towards a new integrative vision of biodiversity-function links in hydrosystems
Des gènes fonctionnels au fonctionnement des écosystèmes : vers une nouvelle vision intégrative des liens biodiversité-fonction dans les hydrosystèmes
Résumé
Since human activities are driving the current decline in biodiversity and its many facets, it is important to quantify their respective roles for ecosystem functioning. The overall aim of this thesis is to quantify the importance of genetic diversity in predicting ecosystem functions, relative to specific diversity. Using an observational approach, we quantify specific and genetic diversity at three trophic levels (riparian plants, benthic macroinvertebrates and fish), as well as several ecosystem functions on fifty rivers in the Pyrenean foothills. By generalizing the "species-genetic diversity correlations" framework to multiple trophic levels, we show that biodiversity distribution patterns are unique at each trophic level and each facet of biodiversity (Fargeot et al., Oikos, 2023). This tendency towards idiosyncrasy is reflected in biodiversity-ecosystem links. Nevertheless, genetic diversity at one trophic level has a positive impact on ecosystem functions at the same trophic level, while specific diversity has a negative impact. This result, congruent at all trophic levels, demonstrates for the first time the major influence of intraspecific diversity on natural ecosystems. Secondly, we are developing a method for quantifying inclusive genetic biodiversity (i.e. simultaneously at the intra- and interspecific scale, Blanchet, Fargeot and Raffard, Molecular Ecology, 2023) to break out of this gene/species dichotomy. Using genes that are phylogenetically conserved but variable between individuals, we identify inter- and intra-species polymorphism in a community of decomposer crustaceans. This proof of concept paves the way for the discovery of new inclusive biodiversity patterns in natural environments, and for the study of biodiversity-ecosystem functionning links directly at the community level. Finally, thanks to an experimental approach, we understand some of the mechanisms underlying genes-ecosystem links. We show that local genetics measured in gammarid populations (the allele frequencies of a few loci) are more efficient in predicting their capacity to degrade organic matter than global genetic diversity. As these few keystone SNPs are enough to predict ecosystem functioning, this opens doors to the study of eco-evolutionary dynamics in natural environments. This study also leads to a theoretical reflection on the positive effect of genes on performance, from individuals to ecosystems.
À l'heure où les activités humaines entraînent le déclin de la biodiversité et de ses multiples facettes, il est important de quantifier leurs rôles respectifs sur le fonctionnement des écosystèmes. L'objectif général de cette thèse est de quantifier l'importance de la diversité génétique pour prédire les fonctions écosystémiques, relativement à la diversité spécifique. Grâce à une approche observationnelle, nous quantifions la diversité spécifique et génétique à trois niveaux trophiques (plantes de la ripisylve, macro-invertébrés benthiques et poissons), ainsi que plusieurs fonctions de l'écosystème sur cinquante rivières du piémont Pyrénéens. En généralisant le cadre des " species-genetic diversity correlations " à des niveaux trophiques multiples, nous montrons que les patrons de distribution de la biodiversité sont uniques à chaque niveau trophique et chaque facette de la biodiversité (Fargeot et al., Oikos, 2023). Cette tendance à l'idiosyncrasie se retrouve dans les liens biodiversité-écosystèmes. Pourtant, la diversité génétique à un niveau trophique impacte positivement les fonctions écosystémiques de même niveau trophique, tandis que la diversité spécifique les impacte négativement. Ce résultat, congruent à tous les niveaux trophiques, montre pour la première fois l'influence majeure de la diversité intraspécifique sur les écosystèmes naturels. Dans un second temps, nous développons une méthode pour quantifier la biodiversité génétique inclusive (c'est-à-dire simultanément à l'échelle intra- et interspécifique, Blanchet, Fargeot et Raffard, Molecular Ecology, 2023) pour sortir de cette dichotomie gènes/espèces. En utilisant des gènes conservés phylogénétiquement mais variables entre les individus, nous identifions du polymorphisme inter- et intra-espèces dans une communauté de crustacés décomposeurs. Cette preuve de concept ouvre la voie à la découverte de nouveaux patrons de biodiversité inclusifs dans les milieux naturels et à l'étude des liens biodiversité-fonctions de l'écosystème directement à l'échelle des communautés. Finalement, grâce à une approche expérimentale, nous comprenons quelques mécanismes sous-jacents aux liens gènes-écosystèmes. Nous montrons que la génétique locale mesurée chez des populations de gammares (les fréquences alléliques de quelques loci), a un plus grand pouvoir de prédiction de leur capacité de dégradation de la matière organique que la diversité génétique globale. Ces quelques keystone SNPs suffisants à prédire le fonctionnement des écosystèmes, cela ouvre des portes sur l'étude des dynamiques éco-évolutives en milieu naturel. Cette étude mène également à une réflexion théorique sur l'effet positif des gènes sur les performances, des individus aux écosystèmes.
Origine : Version validée par le jury (STAR)