Ajustements phénotypiques en réponse aux contraintes associées à l'hiver, la migration et la reproduction chez le plectrophane des neiges

Le Pogam, Audrey (2021). Ajustements phénotypiques en réponse aux contraintes associées à l'hiver, la migration et la reproduction chez le plectrophane des neiges. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de biologie, chimie et géographie, 207 p.

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Résumé

RÉSUMÉ : Les organismes sont confrontés à de multiples contraintes environnementales auxquelles ils peuvent répondre par des ajustements phénotypiques menant potentiellement à des compromis physiologiques. Contrairement aux espèces vivant uniquement en milieux tempérés, les mécanismes sous-jacents aux ajustements phénotypiques des espèces confrontées au froid la majeure partie de l'année sont encore mal compris. Ma thèse porte sur les ajustements phénotypiques du plectrophane des neiges (Plectrophenax nivalis), un passereau migrateur qui hiverne en zone tempérée (entre 40° et 60°N) et migre au printemps vers les régions arctiques pour se reproduire. Plus particulièrement, je me suis intéressée aux variations de composition corporelle (masse corporelle, lipidique et maigre, épaisseur des muscles pectoraux), de capacité de transport de l'oxygène (hématocrite) et de performance métabolique (coûts de maintenance physiologiques - BMR et de capacité thermogénique - Msum) au cours de l'hiver, de la migration et de la reproduction. Pour cela, j'ai effectué de 2013 à 2019, des mesures (1) sur des individus maintenus captifs en volière extérieure à Rimouski (QC, 48°N), (2) sur des individus capturés sur leur aire d'hivernage à Rimouski et (3) à l'extrême nord de leur aire de reproduction, à Alert au Nunavut (82°N). Dans le chapitre 1, j'ai étudié les ajustements phénotypiques hivernaux des plectrophanes maintenus captifs en zone tempérée. L'objectif était de déterminer si le patron d'ajustements de cette espèce associée au froid la majeure partie de sa vie se conformait à celui des espèces résidentes aux mêmes latitudes. Les augmentations de masse corporelle et lipidique, d'épaisseur des muscles pectoraux, d'hématocrite et de Msum observées entre l'été et l'hiver suggèrent que la flexibilité phénotypique des traits associés à l'acclimatation thermique chez les espèces nordiques est comparable à celle des passereaux résidents des zones tempérées et donc que ces ajustements ne sont pas contraints par la vie dans un environnement froid. Toutefois, le déclin de masse maigre et la stabilité du BMR observés au cours de l'hiver suggèrent que les plectrophanes peuvent aussi minimiser les coûts énergétiques de la vie en milieux froids. Au chapitre 2, j'ai analysé les patrons d'ajustements phénotypiques de plectrophanes maintenus captifs au cours des périodes correspondant à la migration et la reproduction et je les ai comparées au phénotype hivernal. L'objectif était de voir si et par quel mécanisme, les traits associés à l'acclimatation au froid hivernal pouvaient être transférés aux stades ultérieurs du cycle annuel. Les résultats montrent que, bien que la masse corporelle, la masse lipidique et le BMR augmentent pour la migration, les traits liés à l'endurance au froid ne changent pas en parallèle puisqu'ils sont déjà élevés à la sortie de l'hiver. Il s'agit de la première démonstration directe que des traits phénotypiques associés à l'acclimatation hivernale peuvent se transférer au phénotype migratoire et même se maintenir en période de reproduction. Au travers du chapitre 3, j'ai comparé le phénotype de plectrophanes capturés en milieu naturel en hiver à Rimouski et en pré-reproduction à Alert. L'objectif était de déterminer si l'endurance au froid et les traits associés pouvaient se maintenir à un niveau hivernal durant la migration et la pré-reproduction. Les résultats indiquent que malgré un déclin d'épaisseur des muscles et d'hématocrite, l'endurance au froid et les réserves énergétiques étaient maintenues. Ces résultats confirment l'hypothèse selon laquelle les espèces migratrices spécialistes du froid pourraient maintenir leur endurance au froid à un niveau hivernal jusqu'à la pré-reproduction. Enfin dans le Chapitre 4, j'ai examiné l'évolution du phénotype entre la période de pré-reproduction et d'approvisionnement des oisillons à Alert afin de déterminer comment la transition entre les stades de vie sur les aires de reproduction, en interaction avec les conditions thermiques printanières, pouvait influencer l'endurance au froid. Les résultats montrent que les plectrophanes maintiennent une capacité thermogénique élevée tant que les températures demeurent inférieures à 0-2°C, qu'ils se reproduisent activement ou non. Ces observations suggèrent donc que les plectrophanes subissent probablement un double coût physiologique à la fin du printemps, lorsque les activités de reproduction (c.-à-d., production et incubation des œufs) commencent alors que les températures sont encore inférieures à 0-2°C. De manière générale, cette étude démontre que les mécanismes d'acclimatation thermique établis jusqu'à maintenant ne sont pas tous généralisables aux espèces arctiques. Elle constitue donc un point de référence pour de futures recherches comparatives. -- Mot(s) clé(s) en français : Flexibilité phénotypique, Acclimatation au froid, Migration, Taux métabolique de base, Capacité thermogénique maximale, Composition corporelle, Effets reportés, Oiseaux arctiques. --
ABSTRACT : Organisms are confronted with multiple environmental constraints to which they can respond through phenotypic adjustments that can potentially lead to physiological trade-offs. Contrary to species living only in temperate environments, the mechanisms underlying the phenotypic adjustments of species confronted with cold temperatures during most of the year are still poorly understood. My thesis focuses on the phenotypic adjustments of snow bunting's (Plectrophenax nivalis), a migratory passerine that winters in temperate zones (between 40° and 60°N) and migrates in spring to Arctic regions to breed. More specifically, I was interested in the variations of body composition (body mass, lipid and lean mass, pectoral muscle thickness), oxygen transport capacity (hematocrit) and metabolic performance (physiological maintenance costs - BMR and thermogenic capacity - Msum) among the winter, migratory and reproductive stages. For this, I conducted measurements from 2013 to 2019 on individuals either (1) held captive in an outdoor aviary in Rimouski (QC, 48°N), (2) on wild individuals captured on their wintering grounds in Rimouski and (3) wild birds captured at the northernmost point of their breeding range in Alert, Nunavut (82°N). In Chapter 1, I studied the winter phenotypic adjustments of buntings held captive in the temperate zone. The objective was to determine if the pattern of adjustments for this cold-associated species conformed to that of resident species at the same latitudes. Increases in body and lipid mass, pectoral muscle thickness, hematocrit, and Msum observed between summer and winter suggest that the phenotypic flexibility of traits associated with thermal acclimation in northern species is comparable to that of temperate resident passerines and thus that these adjustments are not constrained by life in a cold environment. However, lean mass declined and BMR remained stable over the winter, suggesting that buntings may also minimize the energetic costs of living in cold environments. In Chapter 2, I analyzed the phenotypic adjustment patterns of captive buntings during periods corresponding to migration and reproduction and compared them to the winter phenotype. The objective was to see if, and by what mechanism, traits associated with winter cold acclimation could be transferred to later stages of the annual cycle. The results show that although body mass, lipid mass and BMR increase for migration, traits related to cold endurance do not change in parallel since they are already elevated at the end of winter. This is the first direct demonstration that phenotypic traits associated with winter acclimation can transfer to the migratory phenotype and even be maintained during the breeding season. Through Chapter 3, I compared the phenotype of free-living buntings caught during winter at Rimouski and during pre-breeding at Alert. The objective was to determine whether cold endurance and associated traits could be maintained at a winter level during migration and pre-breeding. Results indicate that despite a decline in muscle thickness and hematocrit between winter and pre-breeding, cold endurance and energy reserves were maintained. These results support the hypothesis that migratory cold specialist species could maintain their cold endurance at a winter level until pre-breeding. Finally, in Chapter 4, I examined the change in phenotype between the pre-breeding and chick provisioning periods at Alert to determine how the transition between life stages on the breeding grounds, in interaction with spring thermal conditions, could influence cold endurance. Results show that buntings maintain a high thermogenic capacity as long as temperatures remain below 0-2°C, whether or not they actively reproduce. These observations therefore suggest that buntings likely experience a double physiological cost in late spring, when reproductive activities (i.e., egg production and incubation) begin and air temperatures are still below 0-2°C. Overall, this study demonstrates that not all thermal acclimation mechanisms e tablished to date are generalizable to Arctic species. It therefore provides a reference point for future comparative research. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Phenotypic flexibility, Cold acclimatization, Migration, Basal metabolic rate, Maximal thermogenic capacity, Metabolic performance, Pectoral muscles, Hematocrit, Arctic bird.

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Vézina, François
Information complémentaire :	Thèse présentée dans le cadre du programme du doctorat en biologie extensionné de l'Université du Québec à Montréal en vue de l'obtention du grade Philosophiae Doctor (Ph. D.)
Mots-clés :	Bruant des neiges; Plectrophane des neiges; Plectrophenax nivalis; Migration; Reproduction; Métabolisme; Adaptation au froid; Phénotypes.
Départements et unités départementales :	Département de biologie, chimie et géographie > Biologie
Déposé par :	DIUQAR UQAR
Date de dépôt :	19 mai 2022 18:56
Dernière modification :	19 mai 2022 19:44
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/2009

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