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Novel insights into the ecophysiological processes shaping settlement dynamics of rocky shore foundation species = Nouvelles connaissances sur les processus écophysiologiques qui façonnent la dynamique de recrutement des espèces fondatrices du milieu intertidal rocheux

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Agra Vasconcelos Leal, Inês (2020). Novel insights into the ecophysiological processes shaping settlement dynamics of rocky shore foundation species = Nouvelles connaissances sur les processus écophysiologiques qui façonnent la dynamique de recrutement des espèces fondatrices du milieu intertidal rocheux. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER), 258 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: Cette thèse présente de nouvelles connaissances sur la dynamique des populations dans le domaine intertidal en intégrant des aspects d’écologie et de physiologie. Grâce à une série d’études, j’intègre les principaux facteurs écologiques aux facteurs physiologiques intrinsèques des premiers stades de vie des espèces fondatrices du milieu intertidal rocheux pour expliquer la dynamique de fixation. Un travail considérable a été effectué grâce à une approche comparative, c.-à-d. en comparant la physiologie et la réponse de plusieurs espèces exposées à différentes conditions environnementales en milieu naturel. Je fournis de nouvelles informations sur l’écophysiologie de six espèces clés : les bivalves Isonogmon alatus et Brachidontes solisianus, et les balanes Chthamalus proteus, Chthamalus bisinuatus, Chthamalus montagui et Semibalanus balanoides. L’environnement trophique a fortement façonné l’écophysiologie de ces espèces, dont je souligne les effets sur la composition nutritionnelle des larves et la réponse physiologique, ce qui a des profondes implications pour les études comparatives des espèces intertidales.La première série d’études du Chapitre 1 décrit la plasticité de la taille des individus au moment de la fixation et de la métamorphose des populations de bivalves de basse latitude I. alatus et B. solisianus. L’analyse de la morphométrie des coquilles (Prodissoconch II et Dissoconch) a révélé que le comportement de dérive post-larvaire, c.-à-d. la mobilité des juvéniles après la première fixation, était courant dans les zones étudiées et faisait probablement partie intégrante du cycle de vie de ces espèces. Dans le sud-est du Brésil, les apports trophiques dérivant de perturbations naturelles liées aux pluies semblent déclencher la fixation de B. solisianus. Cela a été suggéré par la forte corrélation positive des précipitations (> 10 mm) et des d’acides gras d’origine terrestre (10-13 % de la composition des matières en suspension près du littoral) avec les estimations de fixation primaire. Dans les eaux caribéennes du nord-ouest du Panama, la dérive des juvéniles était courante dans la population d’I. alatus, avec des juvéniles en dérive atteignant près de 20 % de tous les individus pélagiques. Cette espèce, adaptée à l’oligotrophie, ne semble pas répondre aux déclencheurs trophiques. Il est possible que dans ce système tropical, les individus deviennent plus compétents avec l’âge. Ces études soulignent que la distribution spatiale des stades larvaires compétents et/ou des premiers juvéniles fixés pourrait ne pas refléter leur distribution finale. Cela représente une information cruciale pour la gestion et l’exploitation des stocks naturels, car les indices de spatfall, c.-à-d. la fixation et l’attachement, est souvent utilisé pour prédire les fluctuations majeures du recrutement.La deuxième série d’études du Chapitre 2 met en évidence les avantages de l’utilisation de la lipidomique pour caractériser l’état physiologique des larves (par ex., le triacylglycérol [TAG] : phospholipide [PL] ratio) et la composition des sources alimentaires côtières (par ex., marqueurs trophiques d’acides gras). Les larves cypridés de C. bisinuatus et C. montagui ont stocké des réserves lipidiques de manière similaire (TAG ≥ 50 % de la teneur totale en lipides) malgré l’exposition à différents régimes trophiques estimés par la chlorophylle-a (Chl-a). Cela a mis en évidence les défis de relier directement des estimations de la productivité primaire avec l’approvisionnement alimentaire, en particulier près des côtes. Les mécanismes liés spécifiquement à la qualité de la nourriture (par ex., les espèces de phytoplancton, la composition de la matière organique) ne sont pas directement associés aux estimations de Chl-a. Par exemple, les acides gras saturés (AGS; marqueurs trophiques de détritus et de bactéries) ont largement contribué à la composition des matières en suspension échantillonnées près du littoral (allant de 55 à 60 % dans les basses latitudes et de 40 à 45 % dans les hautes latitudes), reflétant un couplage terre-océan générant des réseaux trophiques à base de détritus près des côtes. Des profils complets en acides gras des cypridés de Chthamalus spp. et Semibalanus sp. ont également révélé que la contribution des AGS en tant que carburant énergétique lors de la fixation et de la métamorphose ne doit pas être négligée. En outre, les cypridés contenaient des niveaux d’acides gras essentiels plus élevés que la part relative dans leur environnement. Combiné aux faibles niveaux d’acides gras précurseurs de 18 carbones dans les ressources trophiques (≤ 5 % de la teneur totale en lipides), ces résultats suggéraient une rétention sélective plutôt qu’une biosynthèse. Cette rétention variait en fonction de l’environnement trophique, et était notable pour l’acide docosahexaénoïque (DHA; 22:6ω3), signalant un déficit nutritionnel pour les populations tropicales des Caraïbes. Des recherches futures sur les «points de bascule» sont nécessaires pour comprendre le(s) seuil(s) où cette réponse d’acclimatation, c.-à-d. la rétention sélective, augmente les performances et la survie. Des réserves d’énergie plus importantes pourraient stimuler la croissance des juvéniles et améliorer les effets d’environnements de plus en plus chauds, comme indiqué pour C. bisinuatus. Ce chapitre se termine par une étude fondamentale sur le processus métamorphique des cypridés de S. balanoides, c.-à-d. qu’une fois déclenchée, la métamorphose se déroule avec ou sans attachement à un substrat, un processus sur lequel les écologistes pionniers ont attiré l’attention il y a trois quarts de siècle et qui ouvre la porte pour de futures recherches sur les mécanismes physiologiques conduisant à une métamorphose désespérée.Ces études montrent l’importance de concilier l’écologie trophique avec la physiologie des invertébrés benthiques marins. L’interaction des larves avec une gamme de facteurs écologiques affecte leur physiologie et détermine le lieu de la fixation et son intensité, définissant la distribution, l’abondance et la dynamique des populations adultes. L’utilisation de la lipidomique offre d’immenses opportunités pour clarifier les processus physiologiques sous-jacents à cette transition pélago-benthique. Je soutiens que la découverte des processus qui façonnent les premiers stades de vie des invertébrés benthiques marins fait non seulement progresser l’écologie des communautés, mais a également de sérieuses implications dans la gestion des ressources naturelles. -- Mot(s) clé(s) en français : Théorie «Supply-side ecology», Cycles de vie complexes, Physiologie larvaire, Lipidomique, Marqueurs trophiques, Métamorphose, Intertidale rocheuse, Invertébrés benthiques marins. -- ABSTRACT: This thesis presents novel insights into supply-driven population dynamics in the intertidal realm by integrating key aspects of ecology with physiology. Through a series of studies, I integrate key ecological drivers with intrinsic physiological factors of early life stages of rocky shore foundation species to explain settlement dynamics. A considerable amount of work was done through a comparative approach, i.e., by comparing the physiology/response of organisms exposed to different environmental conditions. This provided novel information on the ecophysiology of six keystone species: the bivalves Isonogmon alatus and Brachidontes solisianus, and the barnacles Chthamalus proteus, Chthamalus bisinuatus, Chthamalus montagui, and Semibalanus balanoides. The trophic environment strongly shaped the ecophysiology of these species, including effects on larval nutritional composition and physiological response, which has profound implications for comparative studies of intertidal species.The first series of studies in Chapter 1 describe the plasticity in size at settlement and metamorphosis in populations of the low-latitude bivalves I. alatus and B. solisianus. The analysis of shell morphometry (Prodissoconch II and Dissoconch shells) revealed that post-larval drifting behavior, i.e., mobility of settlers after the first settlement, was commonplace in the studied areas and likely an integral part of the life cycle of these species. In southeastern Brazil, trophic subsidies deriving from pulsed natural disturbances, i.e., rainfalls, appeared to trigger the settlement response of B. solisianus. This was suggested by the strong positive correlation of precipitation (> 10 mm) and fatty acid tracers of terrestrial origin (10-13 % of nearshore suspended matter composition) with primary settlement estimates. In the Caribbean waters of northwestern Panama, juvenile drifting was commonplace in the I. alatus population, with post-larval drifters reaching nearly 20 % of all pelagic individuals. This species, highly adapted to oligotrophy, did not appear to respond to trophic triggers. It is possible that in this tropical system, individuals get more competent with age, i.e., drifters settle as they age. These studies highlight that the spatial distribution of competent larval stages and/or early settlers might not reflect their final distribution. This information is crucial for managing and exploiting natural stocks, as indices of spatfall, i.e., settlement and attachment, provide managers the possibility of predicting major fluctuations in recruitment.The second series of studies in Chapter 2 highlight the advantages of using lipidomics to characterize the physiological condition of settling larvae (e.g., triacylglycerol [TAG] to phospholipid [PL] ratios) and the composition of dietary sources entering coastal food webs (e.g., Fatty Acid Trophic Markers). Cyprid larvae of closely related species from the genus Chthamalus (subtropical C. bisinuatus vs. temperate C. montagui) similarly stored lipid reserves (TAG ≥ 50 % of total lipid content) despite being exposed to considerably different levels of primary productivity as given by chlorophyll-a (Chl-a) estimates. This finding flagged the challenges of relating common estimates of primary productivity with food supply, particularly close to shore. Mechanisms related specifically to food quality (e.g., phytoplankton species, organic matter composition) cannot be directly associated to Chl-a patterns. For instance, saturated fatty acids (SFAs; trophic markers of detritus and bacteria) largely contributed to the composition of nearshore suspended matter sampled over multiple latitudes (ranging 55-60 % in low-latitudes and 40-45 % in high-latitudes), reflecting a tight land-ocean coupling that drives strong detrital-based food webs close to shore. A thorough profiling of the fatty acids of low-latitude Chthamalus spp. and high-latitude Semibalanus sp. cyprids also revealed that SFAs play an important role as energy fuel during settlement and metamorphosis that should not be overlooked. Further, both Chthamalus spp. and Semibalanus sp. cyprids contained higher essential fatty acid levels than the relative share in their environment, and the low levels of 18-carbon precursor fatty acids in food resources (≤ 5 % of total lipid content) suggested selective retention rather than biosynthesis. Such retention varied as a function of the trophic environment, and was particularly noticeable for the essential docosahexaenoic acid (DHA; 22:6ω3), signaling food deprivation for tropical Caribbean populations. Future research on “tipping points” is necessary to understand the threshold(s) up to which this acclimatory response, i.e., selective retention, increases performance and survival. Importantly, greater energy reserves might boost the growth of metamorphosed juveniles and ameliorate the effects of increasingly warmer environments, as evidenced for the subtropical chthamalid C. bisinuatus. This chapter finishes with a fundamental study on the metamorphic process of S. balanoides cyprids, i.e., once triggered, metamorphosis proceeds with or without attachment to a substrate. Pioneer ecologists called attention to this process three quarters of a century ago, and this study now opens the door for future research on the physiological mechanisms driving desperate metamorphosis in this important group of space-monopolizing species.These studies show the importance of reconciling the trophic ecology with the physiology of marine benthic invertebrates. The interaction of larvae with a range of ecological drivers affects their physiology, and determines where settlement occurs and at what intensity, ultimately setting the scene for the distribution, abundance, and dynamics of the adult populations that follow. The use of lipidomics brings immense opportunities to clarify the physiological processes mediating this pelago-benthic transition. It is my contention that uncovering the processes shaping the early life-history of marine benthic invertebrates not only advances community ecology, but also has serious implications in the management of natural resources. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Supply-side ecology, Complex life-cycles, Larval physiology, Lipidomics, Fatty acid trophic markers, Metamorphosis, Rocky intertidal, Marine benthic invertebrates.

Type de document : Thèse ou Mémoire (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse : Tremblay, Réjean
Information complémentaire : Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en océanographie en vue de l'obtention du grade de philosophiae doctor.
Mots-clés : Invertébrés Marins Populations Benthos Écophysiologie Recrutement Biologie des populations Zone Intertidale Milieu Rocheux
Départements et unités départementales : Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER) > Océanographie
Déposé par : DIUQAR UQAR
Date de dépôt : 09 déc. 2021 15:51
Dernière modification : 09 déc. 2021 16:03
URI : http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1921

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