Altitudinal trends in leaf functional traits of tree populations : environmental vs. genetic determinism
Variations altitudinales de traits fonctionnels foliaires chez les arbres : déterminismes environnemental et génétique
Résumé
The rapid climate change, which we are currently witnessing, is already modifying the physiology and distribution of species. Predictions of changes in species distributions do not take evolutionary mechanisms and biotic interactions into account. Our main objective was to assess the inherent adaptive capacities of tree populations by i) quantifying the phenotypic variations of functional traits with altitude and ii) studying the extent to which these variations are environmentally driven (phenotypic plasticity) and/or genetically fixed (adaptation). The study took place in the French Pyrenees along an altitudinal gradient range of 1500 m corresponding on average to 8°C of thermal amplitude. We focused on two broadleaved species with a wide European distribution (sessile oak and common beech). This gradient was repeated in two parallel valleys, distant from 30 km. Altitudinal trends were investigated for several morphological, physiological and phenological traits in natural conditions (in situ), in a common garden experiment and in reciprocal transplant experiments (RTEs). The phenotypic variability observed in situ showed significant altitudinal trends for all the studied traits and followed similar patterns for both species. We established that together with temperature, it was also necessary to integrate the variations of atmospheric gas partial pressure along the altitudinal gradient. In the common garden experiment, our results showed that the altitudinal gradient induced genetic differentiations for growth, leaf phenology and several morphological and physiological traits. This experiment made it possible to demonstrate, for both species, a weaker effect of genetic variations than in situ observed variations, suggesting a strong effect of the environment on leaf functional traits. A higher intrapopulation than interpopulation genetic variability was also observed for all traits. Finally, the reciprocal transplant experiments highlighted a high magnitude of phenotypic plasticity whatever the trait and the species.
Le changement climatique rapide auquel nous assistons actuellement est déjà en train de modifier le cycle de vie d’un grand nombre d’organismes. Des études basées sur des modèles d’enveloppe bioclimatique apportent des réponses mais ces prédictions de nouvelles aires de répartition ne tiennent pas compte d’une part de l’adaptation rapide des espèces (plasticité phénotypique et diversité génétique non neutre), et d’autre part des interactions interspécifiques ou de la dynamique des populations. Ce travail de recherche est centré sur les mécanismes permettant la persistance des individus dans un environnement changeant.Nous avons travaillé dans les Pyrénées françaises sur deux espèces à large répartition européenne (chêne sessile et hêtre commun) sur un gradient altitudinal de 1500 m de dénivelé correspondant en moyenne à 8°C d’amplitude thermique. Ce gradient a été répété dans deux vallées parallèles, distantes de 30 km. Basée sur l’étude de traits fonctionnels, nous avons caractérisé les variations altitudinales de traits morphologiques et physiologiques de ces caractères dans des conditions naturelles. Les capacités écophysiologiques apparaissent plus élevée pour le chêne et pour les populations de haute altitude, suggérant une adaptation locale à un environnement stressant. Dans une étude préliminaire, nous avons établi qu’il était nécessaire d’intégrer les variations de pression partielle de dioxyde de carbone et non se concentration dans les mesures d’échanges gazeux. Tous les traits fonctionnels mesurés en populations naturelles varient avec l’altitude. Ainsi la taille des feuilles diminue avec l’altitude tandis que les autres traits augmentent, avec des valeurs de 1.3 à 3.9 fois supérieures entre le haut et le bas du gradient tous traits confondus. Nous avons ensuite cherché à déterminer l’origine de ces variations phénotypiques. Une expérimentation en test de provenance a ainsi permis de déterminer les traits dont la variation in situ était en partie sous contrôle génétique. Les résultats de notre étude montrent que le gradient altitudinal a induit une différenciation génétique au niveau de la croissance, de la phénologie et de traits fonctionnels foliaires pour ces espèces, malgré la proximité des populations étudiées dans leur milieu naturel. Néanmoins, les capacités photosynthétiques pour le hêtre et la surface spécifique foliaire pour le chêne ne montre aucune différentiation génétique, ainsi que la densité stomatique pour les deux espèces. D’autre part, l’expérimentation de transplantations réciproques le long du gradient, a mis en évidence une forte plasticité phénotypique pour les deux espèces, ce qui suggère que les populations peuvent dans une certaine mesure répondre immédiatement aux variations climatiques rencontrées le long de ce gradient. Cependant, tandis que la température optimale pour la longueur de saison de végétation ne semble pas encore atteinte, les populations pourraient réagir négativement à une élévation de la température en terme de croissance. En conclusion, les mécanismes adaptatifs mis en évidence le long d’un gradient climatique naturel, pourraient permettre aux populations de faire face au changement climatique actuel.