Mécanismes de l’adaptation au Changement Climatique: comment plasticité phénotypique, micro-évolution et migration affecteront-elles la phénologie des arbres forestiers ? – MeCC

L'originalité de notre projet réside dans (i) l'intégration de différents mécanismes d'adaptation dans les projections des impacts du changement climatique, ce qui a été très rarement tenté, (ii) l'étude de l'interaction entre ces différents mécanismes d'adaptation, (iii) la combinaison de différents types d'approches de modélisation et d’observations pour comprendre et prévoir les réponses adaptatives des arbres aux changements climatiques. Nous ferons une utilisation originale de modèles basés sur les processus pour (i) prédire les variations spatiotemporelles des dates de débourrement et leur impact sur les taux démographiques, (ii) prédire quantitativement la direction et la force de la sélection agissant sur ce trait dans les climats actuel et futur. Nous intégrerons cette compréhension fine des pressions de sélection selon des scénarios écologiquement réalistes dans des modèles de génétique quantitative de complexité variable pour prédire les changements dans les valeurs phénotypiques et génétiques des dates de débourrement. Nos prévisions seront quantitativement validées pour un ensemble de sites où les variations génétique et plastique de ce trait sont intensivement étudiées.

Pour atteindre ces objectifs, notre consortium rassemble des modélisateurs et expérimentateurs ayant des compétences en écologie, écophysiologie, génétique quantitative et biologie évolutive. Les résultats fourniront (i) des réponses à des questions fondamentales sur l’évolution et la valeur adaptative de la plasticité phénotypique dans des environnements variables, (i) des scénarios de changement d’aire de répartition des espèces forestières intégrant les processus d'adaptation et (iii) des recommandations pour les gestionnaires forestiers pour gérer le potentiel adaptatif des arbres forestiers.

Après 18 mois, nous avons obtenu quelques résultats préliminaires intéressants.
Nous prédisons que la sensibilité des dates de débourrement à la température des arbres forestiers tempérés peut faciliter leur persistance dans le contexte des changements climatiques mais pas pour toutes les espèces, ni pour toutes les populations au sein de leur aire de distribution. Notamment la levée de dormance par les températures basses risque de devenir un facteur limitant pour le cycle de vie d’arbres adaptés à des climats plus froids.
Les flux de pollen à longue distance typiques des arbres forestiers pourraient ralentir les déplacements de distribution mais en facilitant l’évolution des limites thermiques des espèces, améliorer leur persistance dans un climat changeant. Ces flux de pollen augmentent la diversité génétique des populations et donc leurs capacités d’adaptation future. Cependant les modèles démo-génétiques prenant en compte le cycle de vie des arbres (longue phase juvénile, forte longévité des adultes) prédisent une évolution très lente de ces populations malgré leur forte variabilité génétique.

La quantification des pressions de sélection le long de gradients climatiques et pour différents scénarios de changement climatique est en cours de développement.

1. Duputié, A., Rutschmann, A., Ronce, O. & Chuine, I. (2015) Phenological plasticity will not help all species adapt to climate change. Global Change Biology.doi: 10.1111/gcb.12914 onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.12914/abstract
2. Bonnefon O., Coville J., Garnier J., Hamel F. & Roques L. (2014) The spatio-temporal dynamics of neutral genetic diversity. Ecological Complexity, 20 282-292
3. K Csilléry*, H Lalagüe*, GG Vendramin, SC González-Martínez, B Fady and S Oddou-Muratorio 2014 Detecting local adaptation and epistatic selection in climate related candidate genes at a short spatial scale in European beech (Fagus sylvatica L.) populations. Molecular Ecology 23: 4696–4708
4. Dantec, C. F., Ducasse, H., Capdevielle, X., Fabreguettes, O., Delzon, S., & Desprez-Loustau, M. L. (2015). Escape of spring frost and disease through phenological variations in oak populations along elevation gradients. Journal of Ecology 103 , 1044-1056

Même si les émissions de gaz à effet de serre diminuent dans les prochaines décennies, un changement rapide du climat va se produire, avec des conséquences à long terme sur la viabilité des écosystèmes et leurs services. Il est donc nécessaire de prévoir l'adaptation des populations naturelles à ce changement en termes de migration, plasticité et changement génétique. Les projections d’impacts du changement climatique sur la biodiversité incorporent très rarement ne serait-ce qu’un de ces mécanismes d'adaptation.

Nous proposons d’étudier l'interaction entre les trois mécanismes d’adaptation ci-dessus pour décrire et prévoir l'adaptation des arbres forestiers au changement climatique. Nous voulons (1) évaluer la valeur adaptative de la plasticité phénotypique dans les climats actuel et futur à différentes échelles spatiotemporelles, (2) comprendre comment la microévolution, en interaction avec la plasticité et les flux de gènes, façonne les variations phénotypiques dans les climats actuel et futur, (3) utiliser notre compréhension accrue des variations phénotypiques spatiotemporelles afin de mieux prédire la distribution future des espèces.

En raison de leur longue durée de vie et de flux géniques importants, les arbres forestiers sont particulièrement exposés aux variations spatiotemporelles de la sélection. La plasticité phénotypique peut donc jouer un rôle clé chez ces espèces face aux changements climatiques. Nous étudierons l'impact des trois mécanismes d’adaptation sur les traits phénologiques de trois espèces d'arbres forestiers, le hêtre, le chêne sessile et le sapin pectiné. Les traits phénologiques sont des déterminants majeurs de la répartition géographique des espèces d'arbres et du fonctionnement des écosystèmes qui montrent de fortes réponses au changement climatique actuel et de grandes variations génétiques intra- et inter-populations. Ces traits pourraient donc évoluer rapidement si le changement climatique génère de nouvelles pressions de sélection. Nous nous concentrerons sur le débourrement, profitant de modèles phénologiques basés sur les processus permettant de prédire sa date d'occurrence en fonction des conditions météorologiques.

L'originalité de notre projet réside dans (i) l'intégration de différents mécanismes d'adaptation dans les projections des impacts du changement climatique, ce qui a été très rarement tenté, (ii) l'étude de l'interaction entre ces différents mécanismes d'adaptation, (iii) la combinaison de différents types d'approches de modélisation et d’observations pour comprendre et prévoir les réponses adaptatives des arbres aux changements climatiques. Nous ferons une utilisation originale de modèles basés sur les processus pour (i) prédire les variations spatiotemporelles des dates de débourrement et leur impact sur les taux démographiques, (ii) prédire quantitativement la direction et la force de la sélection agissant sur ce trait dans les climats actuel et futur. Nous intégrerons cette compréhension fine des pressions de sélection selon des scénarios écologiquement réalistes dans des modèles de génétique quantitative de complexité variable pour prédire les changements dans les valeurs phénotypiques et génétiques des dates de débourrement. Nos prévisions seront quantitativement validées pour un ensemble de sites où les variations génétique et plastique de ce trait sont intensivement étudiées.

Pour atteindre ces objectifs, notre consortium rassemble des modélisateurs et expérimentateurs ayant des compétences en écologie, écophysiologie, génétique quantitative et biologie évolutive. Les résultats fourniront (i) des réponses à des questions fondamentales sur l’évolution et la valeur adaptative de la plasticité phénotypique dans des environnements variables, (i) des scénarios de changement d’aire de répartition des espèces forestières intégrant les processus d'adaptation et (iii) des recommandations pour les gestionnaires forestiers pour gérer le potentiel adaptatif des arbres forestiers.