The study of the life cycle and spatio-temporal genetic diversity of the toxic dinoflagellate Alexandrium minutum
Étude du cycle de reproduction et de la diversité génétique spatio-temporelle chez le dinoflagellé toxique Alexandrium minutum
Résumé
Alexandrium minutum is a dinoflagellate producing recurrent toxic blooms along the French Atlantic coast. This microalga produces PSP toxins which are among the most powerful toxins in the world. Originally from the Mediterranean, this species has gradually invaded the European Atlantic coasts. In the middle of 80's, this invasive alga was observed along the French Atlantic coast, and then successively extended its distribution to England, Ireland and Denmark. Today this toxic species persists along the Brittany coast estuaries producing recurrent toxic blooms, although in some sites blooms appear to be limited by the presence of parasites. In this study we examined the processes that may affect population genetic diversity of A. minutum and the effects of local adaptation to biotic and abiotic factors. We made crossing experiments in laboratory to better understand reproduction and to determine its reproductive system. Then we used molecular tools to determine the importance of sexual reproduction in natural populations (sexual versus asexual reproduction) in French Brittany. Finally, we studied the genetic variability of annual blooms for two consecutive years in Penzé and Rance estuaries. Crossing experiments helped to better understand the gamete recognition system. Gametes recognition in this species is not a bipolar system as is usually observed in numerous organisms and involves different mating types. Moreover, our results suggest that temporary cysts are able to survive several months in cold and darkness in the laboratory conditions. Using microsatellite markers, we found that blooms have a high genetic and genotypic diversity, with no repeated multilocus genotypes. These results suggest that clonal reproduction is not a dominant process during bloom period compared to sexual reproduction. The spatio-temporal genetic analyses (between Penzé and Rance, between years, and between bloom periods) showed significant differentiation at both spatial and temporal scales. The spatial differentiation indicates a restricted gene flow between the two sites and this mainly during the blooms events. Indeed, the blooms usually develop during the neap tides are relatively isolated. These results were confirmed by the study of the genetic structure of A. minutum along the Brittany coast that reveals limited gene flow between populations. These results suggest that migration is relatively limited between estuaries. In addition, the genetic differentiation between estuaries could also be closely linked to the life history traits. Indeed, the rapid development of blooms in a new site, followed by the formation of a large number of cysts accumulated in estuaries could be a particular system characterized by high genetic buffer and limiting arrival of immigrants by competition (Monopolization hypothesis) (De Meester et al. 2002). Finally, our results suggest that the toxic blooms observed in Rance, in the Morlaix Bay and Brest estuaries correspond to different introductions processes.
Alexandrium minutum est un dinoflagellé qui est à l'origine des efflorescences toxiques observées de façon récurrente le long des côtes Bretonnes. Cette microalgue produit des toxines paralysantes qui sont parmi les plus puissantes au monde. Originaire de Méditerranée, cette espèce a progressivement envahi les côtes européennes atlantiques. Cette algue invasive a été observée en Bretagne dans les années 80, puis a atteint successivement l'Angleterre, l'Irlande et le Danemark. Aujourd'hui, elle semble durablement installée dans de nombreux estuaires bretons, produisant de façon récurrente des efflorescences toxiques, bien que dans certains sites les proliférations semblent être limitées par la présence de parasite. Dans cette étude nous nous sommes interrogés sur les processus pouvant influencer la diversité génétique des populations d'A. minutum et les répercussions de ces capacités d'adaptation vis à vis des facteurs biotiques et abiotiques. Nous avons en particulier, réalisé des expériences de croisement en laboratoire afin de mieux comprendre sa reproduction et de déterminer son système de reproduction. Puis nous avons utilisé des outils moléculaires afin de déterminer quelle était l'importance de la reproduction sexuée dans les populations naturelles en Bretagne (reproduction sexuée versus asexuée). Enfin, nous avons étudié la variabilité génétique des efflorescences annuelles pendant deux années consécutives dans les estuaires de la Rance et de la Penzé. Les expériences de croisement in vitro ont permis de mettre en évidence que la reconnaissance gamétique était un processus complexe où les fusions ne sont pas régit par un système bipolaire comme c'est généralement le cas chez de nombreux organismes. D'autre part nos résultats suggèrent que les kystes temporaires auraient une capacité de survie de plusieurs mois au froid et à l'obscurité dans les conditions de laboratoire. Grâce à l'utilisation des marqueurs microsatellites, nous avons montré que les efflorescences d'A. minutum présentaient une diversité génétique et génotypique très élevée et que les génotypes étaient tous différents les uns des autres au sein de ces efflorescences. Ces résultats suggèrent que la reproduction clonale n'est pas dominante au cours des évènements d'efflorescence. L'analyse génétique spatio-temporelle (entre Penzé et Rance, entre années et entre période d'efflorescence) montre des différenciations significatives aux différentes échelles. La différence spatiale indique un flux de gènes restreint entre les deux sites et cela principalement au cours des blooms. En effet, les efflorescences qui se développent généralement pendant les marées de morte-eau restent relativement isolées. Ces résultats ont été confirmés par l'étude de la structure génétique des populations A. minutum le long des côtes Bretonnes qui révèle des flux de gènes limités entre populations. Ces résultats suggèrent que la migration est relativement restreinte entre estuaires. De plus, la différenciation génétique entre estuaires pourrait également étroitement être liée aux traits d'histoire de vie de cette espèce. En effet, le développement rapide des efflorescences dans un nouveau site colonisé, suivi par la formation d'un grand nombre de kystes de résistance qui s'accumulent au sein des estuaires pourrait constituer un système particulier présentant une forte inertie au changement (tampon génétique) et limitant, par compétition, l'arrivée de nouveaux migrants (hypothèse de monopolisation des sites (De Meester et al. 2002). Enfin, nos résultats suggèrent que les efflorescences toxiques observées en Rance, en Baie de Morlaix et en Rade de Brest correspondraient à des évènements d'introduction différents.