Nutritional constraints on growth and metabolic rate of an ectotherm consumers (Daphnia magna) in a context of global change : Experimental approach by microcalorimetry
Contraintes nutritionnelles sur le taux métabolique et la croissance d’un consommateur ectotherme (Daphnia magna) dans le contexte des changements globaux : approche expérimentale par microcalorimétrie
Résumé
In a context of global change, anticipating alterations in the structure and functioning of aquatic ecosystems is a major ecological issue. However, the fragmentation of ecology into a multitude of sub-disciplines is seen as an obstacle to all predictions, creating a growing desire to unify the different theoretical frameworks of ecology. In this context, the harmonizing of stoichiometric ecology and metabolic ecology is increasingly required (Allen and Gillooly, 2009; Hillebrand et al., 2009; Ott et al., 2009; Ott et al., 2009). al., 2014). This thesis work was mainly devoted to establishing the links between nutritional quality and consumers’ metabolic rate in order to understand how their interactions could affect the growth of organisms. The aim was also to understand how environmental factors associated with global change (warming, salinization) could affect this notion of nutritional quality or interact with it through individual metabolism. In this regard, the experimental part of this thesis focused on the water flea Daphnia magna, a key organism in aquatic food webs, particularly sensitive to the quality of its food resources. We first determine how the rise in temperatures could modulate the notion of nutritional quality for the consumer. Secondly, the development of a method based on microcalorimetry allows to establish the existing links between nutritional quality and consumer's metabolic rate. Finally, we explored the interactions between nutritional quality, metabolic rate and osmotic stress on Daphnia life traits in order to understand how an environmental factor (here salinity) could affect or be affected by quality-metabolism links.Our results first demonstrated the strong thermal dependence of stoichiometric nutritional requirements in Daphnia as well as the resulting potential consequences on producer-consumer decoupling in a context of global change. We then demonstrated the consequences of this decoupling (i.e. nutritional quality) on the resting metabolic rate (RMR) of consumers. We have demonstrated a systematic rise in RMR when decreasing nutritional quality. This additional energy cost ultimately having repercussions on the growth of consumers, measuring the RMR here seems to allow the quantification of the energy cost of nutritional constraints (stoichiometric but also biochemical). Finally, we were able to highlight the interactions between nutritional quality and tolerance to salinity as well as their repercussions at the metabolic level. In general, this thesis demonstrated the central role of RMR in the response of organisms to environmental stresses. Thus, measuring the RMR could constitute an essential indicator for predicting the structure and functioning of ecosystems in a context of global change.
Dans un contexte de changement global, anticiper les altérations de la structure et du fonctionnement des écosystèmes aquatiques est un enjeu écologique majeur nécessaire à la gestion de ces derniers. Cependant, la fragmentation de l’écologie en une multitude de sous-disciplines est aujourd’hui vue comme un obstacle à toutes prédictions, créant une volonté grandissante d’unifier les différents cadres théoriques de l’écologie. Dans ce contexte, l’importance d’harmoniser l’écologie stœchiométrique et l’écologie métabolique pour affiner nos capacités à prédire la structure et le fonctionnement écosystémique est largement reconnue (Allen and Gillooly, 2009; Hillebrand et al., 2009; Ott et al., 2014). A ce titre, ce travail de thèse s’est principalement consacré à établir les liens entre qualité nutritionnelle et taux métabolique des consommateurs afin de comprendre comment leurs interactions pouvaient affecter la croissance des organismes. L’objectif a également été de comprendre comment des facteurs environnementaux associés au changement global (réchauffement, salinisation) pouvaient affecter cette notion de qualité nutritionnelle ou interagir avec elle par l’intermédiaire du métabolisme de l’organisme. A cet égard, le volet expérimental de cette thèse s’est focalisé sur le cladocère Daphnia magna, organisme clé des réseaux trophiques aquatiques, particulièrement sensible à la qualité de ses ressources alimentaires. Nous avons, dans un premier temps, cherché à déterminer comment l’élévation des températures pouvait moduler la notion de qualité nutritionnelle pour le consommateur. Dans un second temps, la mise au point d’une méthode basée sur la microcalorimétrie a permis d’établir les liens existants entre qualité nutritionnelle et taux métabolique du consommateur. Finalement, nous avons exploré les interactions entre qualité nutritionnelle, taux métabolique et stress osmotique sur les traits de vie de Daphnia afin de comprendre comment un facteur environnemental (ici la salinité) pouvait affecter ou être affecté par les liens qualité-métabolisme. Nos résultats ont, tout d’abord, démontré la forte dépendance thermique des besoins nutritionnels stœchiométriques chez Daphnia ainsi que les potentielles conséquences en résultant sur le découplage producteur-consommateur dans un contexte de changement global. Nous avons ensuite démontré les conséquences de ce découplage (i.e. de la qualité nutritionnelle) sur le taux métabolique au repos (RMR) des consommateurs. Nous avons mis en évidence une élévation systématique du RMR lors de diminutions de la qualité nutritionnelle. Ce surcout énergétique se répercutant in fine sur la croissance des consommateurs, la mesure du RMR semble ici permettre de quantifier le coût énergétique des contraintes nutritionnelles (stœchiométriques mais aussi biochimiques). Finalement, nous avons pu mettre en évidence les interactions entre qualité nutritionnelle et tolérance à la salinité ainsi que leurs répercutions au niveau métabolique. De façon générale, cette thèse a démontré le rôle central du RMR dans la réponse des organismes face aux stress environnementaux. Ainsi, la mesure du RMR pourrait constituer un indicateur essentiel permettant de prédire la structure et le fonctionnement des écosystèmes dans un contexte de changement global.
Origine : Version validée par le jury (STAR)