Microstructure et dynamique de recrutement dans une baie fortement colonisée

MICROSTRUCTURE ET DYNAMIQUE DE RECRUTEMENT DANS UNE BAIE FORTEMENT COLONISEE

Le but de cette étude est d’analyser la structure génétique de différentes classes d’âge afin d’avoir indirectement accès à des processus temporels responsables du maintien des populations locales de C. fornicata. Ce travail a été réalisé dans une baie où la biomasse en crépidules est particulièrement importante : la baie du Mont-St-Michel (Figure II.1), et pour laquelle la dispersion à grande échelle avait été analysée (cf partie I.2).
Les problèmes sur lesquels je me suis penchée sont essentiellement de deux ordres :
– obtenir des éléments de réflexion sur la dynamique de la population au travers d’une analyse des structures démographique et sexuelle ;
– émettre des hypothèses quant à l’origine des recrues par une analyse de la variation temporelle des fréquences alléliques des populations.
Deux personnes ont contribué à ce travail : Tiphaine Cariou (stage libre de Licence, été 2002) et Damien Bernas (stage de DEA, option Océanologie biologique, février-juin 2003).

Site et populations étudiées

Deux populations de la Baie du Mont-St-Michel, déjà présentées dans le chapitre 1, les populations 13 et 16 (Figure I.16), ont été choisies pour cette étude car ces deux stations se sont avérées particulièrement denses en crépidules (respectivement 2077 ind.m-2 et 1832 ind.m-2). De tels effectifs permettent en effet de réaliser des analyses de structuredémographiques statistiquement fiables. La population 16, qui sera appelée « Baie » dans la suite de cette étude, est localisée dans la baie de Cancale, un site que C. fornicata arapidement envahi depuis son introduction (répertoriée dans les années 70), jusqu’à atteindre une biomasse de 20 Kg.m-2 (en poids frais total) en 1997 (Blanchard & Ehrold, 1999). Le fort recouvrement de la Baie de Cancale par la crépidule (illustré par les figures II.2 et II.3) est largement expliqué par la proximité des parcs ostréicoles (nombreux supports, phytoplancton dense), un substrat sablo-vaseux, un courant giratoire qui piège les larves en fond de Baie (cf partir II.2) et une faible profondeur (inférieure à 20 m ; Blanchard & Erhold, 1999). La population 13, appelée « Golfe » par la suite, est localisée au-dessus de la pointe du Grouin, un site récemment colonisé. En effet, en 1997, aucune crépidule n’est répertoriée sur ce site à fond rocheux et à fort hydrodynamisme (Figure II.3 ; Blanchard & Erhold, 1999).

Quelle est la structure démographique de C. fornicata dans les populations étudiées en Baie du Mont-St-Michel ?

Méthodes d’études

Analyse de la structure démographique des populations

Cette étude est basée sur l’analyse de la structure d’âge des populations, déterminée grâce à la décomposition modale des distributions des fréquences de taille (corrélée à l’âge, comme illustré par la figure II.4) selon la méthode présentée dans l’encadré II.1.

Biométrie

Comme chez la plupart des mollusques, la coquille de C. fornicata présente des stries de ralentissement de croissance hivernale ; le décompte de ces stries permet d’estimer l’âge des animaux (Le Gall, 1980). Cependant, les coquilles sont souvent endommagées par leur séjour dans l’eau de mer et de nombreuses stries accidentelles attribuées à des variations des conditions de milieu ou à un stress physiologique peuvent se mêler aux stries de croissance,rendant cette lecture de stries difficile. Des travaux antérieurs, dont celui de Le Gall (1980), ont mis en évidence une très forte corrélation entre l’âge des individus et la longueurcurviligne des coquilles (Lc), qui correspond à l’axe de plus forte croissance de la coquille.
Cette longueur est mesurée selon l’axe d’enroulement de la coquille, de l’umbo au bord del’ouverture (Figure II.5). Cette longueur a été préférée à la longueur droite (Ld) qui se mesure le long du plus grand axe de la coquille car l’animal étant enroulé sur deux plans (Coum, 1979) et sa longueur droite dépendant de la taille de son support, deux individus de même âgepeuvent avoir une longueur droite différente (Figure II.5).
La longueur curviligne des coquilles de l’ensemble des individus récoltés dans les deux stations (respectivement 844 et 1974 individus pour les stations Baie et Golfe) a été mesurée àl’aide d’un curvimètre (RunMate®). Afin de valider sur notre échantillon la corrélation entre la taille et l’âge chez C. fornicata, les stries de croissance ont aussi été comptées sur un souséchantillon. Une forte corrélation entre les nombres de stries et la longueur curviligne a été mise en évidence (R = 0,95, P < 0,001, N = 106 individus dans la population Baie et R = 0,96, P < 0,001, N = 122 pour la population Golfe).

Analyse de cohorte

Pour chaque population un histogramme de distribution des fréquences de classes de taille a été construit afin de servir de base à une analyse de structure d’âge dont le principe est détaillé dans l’encadré II.1. Le pas de classe, défini selon la méthode de Jollivet et al. (2000) a été fixé à 5mm. Ainsi, 20 et 21 classes de taille, ont été respectivement déterminées dans les populations Baie et Golfe ; des nombres de classes de taille 1.5 à 2 fois plus élevés que ceux déterminés par les méthodes de Yule et de Sturge (Encadré II.1). Les histogrammes ont été lissés selon la méthode de la moyenne mobile centrée d’ordre 3 (Frontier & Pichod-Viale, 1991). La distribution des fréquences de taille de chaque population a été, dans un premier temps, comparée à une distribution normale avec un test de Shapiro-Wilk à l’aide du logiciel JMP ® 5.0.1a.
La décomposition modale des distributions de fréquences de taille a ensuite été réalisée en utilisant le logiciel MIX 2.3 (MacDonald & Pitcher, 1979 ; MacDonald & Green, 1986 ).
Cette méthode itérative utilise un critère de maximum de vraisemblance pour donner le meilleur ajustement mathématique (testé à l’aide d’un Khi carré de conformité) entre une combinaison de distributions normales et la distribution observée. Pour la population Golfe, le nombre important d’individus immatures (Ni = 1295) ne permettait pas au programme de détecter d’autres modes dans la distribution de fréquences de taille, la décomposition modale a donc été réalisée après avoir enlevé les individus immatures de l’analyse. La comparaison de modes homologues (i.e. les modes qui semblent à la même position dans la distribution de fréquences de taille) entre populations a été réalisée avec un test t de Student à l’aide du logiciel JMP ® 5.0.1a.
Dans l’optique de procéder à des analyses de structure sexuelle et des analyses génétiques au sein des cohortes, un sous-échantillonnage des individus mesurés a été réalisé en choisissant aléatoirement 60 à 83 individus de taille proche (± 0,5 cm) des modes respectifs de chacune des cohortes. La fin d’une distribution de fréquences de taille regroupe généralement plusieurs groupes d’âge car vers la fin de la vie de l’individu, la croissance ralentit et atteint souvent un plateau chez les vieux individus (Figure II.4). Par conséquent, les individus des quatre dernières classes de taille de chaque distribution ont également été sélectionnés (respectivement 47 et 73 individus pour les populations Golfe et Baie) et analysés pour rendre compte des événements les plus anciens survenus dans la population.

Analyse de la structure sexuelle des populations

La sex-ratio peut être un indicateur de l’intensité du recrutement chez C. fornicata. En effet, une population de C. fornicata présentant un excès de mâles (généralement 60% de mâles et 40% de femelles, c’est-à-dire un ratio femelle : mâle de 0,67 : 1) est considérée dans la littérature comme une population ayant un bon recrutement annuel (Wilczynski, 1955).Réciproquement, un excès en femelles est le signe d’un vieillissement de la population.Afin d’analyser l’évolution au cours du temps de la structure sexuelle dans lespopulations, le stade de maturité sexuelle (Figure i.7) a été déterminé pour chacun desindividus à partir de la présence ou non de pénis, mais aussi de sa forme et de sa taille (Coe,1938). Les jeunes individus, de taille inférieure à 1 cm, chez lesquels le pénis est absent ou àpeine perceptible sont de jeunes mâles immatures. Les animaux avec un pénis bien visible etgénéralement de couleur noire sont des mâles. Les individus de taille normale présentant unpénis avorté sont des animaux en transition sexuelle. Lorsque le pénis a totalement disparu lesindividus sont femelles. La distribution des différents types sexuels est calculée pourchaquepopulation et chaque cohorte. Des déviations par rapport à des ratios femelles : mâles de 1 : 1 et de 0,67 : 1 ont été testées à l’aide d’un test binomial d’après Wilson & Hardy, p.54 (2002).

Résultats

La structure démographique des populations

La longueur curviligne des coquilles s’échelonne de 0,9 à 10,8 cm dans la population Baieet de 0,2 à 9,6 cm dans la population Golfe. Dans les deux populations, la distribution de fréquences de taille, présentée dans la figure II.6, est significativement différente d’unedistribution normale (P < 0,001). La décomposition modale des histogrammes de fréquences de taille (Figure II.7) montre 4 modes pour la population Baie (χ 2 = 5,15 ; ddl = 12 ; P = 0,96 ) et 3 modes, sans les immatures, dans la population Golfe (χ 2 = 4,97 ; ddl = 14 ; P = 0,99 ).
Lorsqu’on inclut les immatures, 4 cohortes sont également observées dans la population Golfe. Les caractéristiques de chaque composante de cette décomposition modale de la distribution de fréquences de taille sont détaillées dans le tableau II.1. Les distributions de fréquences de taille sont significativement différentes entre les populations Baie et Golfe (test de Mann-Whitney, W = 1666295, P < 0,001). Les différences entre les modes homologues des deux populations sont significatives pour toutes les cohortes (4 tests t de Student ; P < 0,001). La population Baie présente des tailles moyennes plus élevées que la population Golfe quelle que soit la cohorte considérée. Enfin, la cohorte la plus représentée est la quatrième (51%) dans la population Baie mais la première (immatures, 34%) dans la population Golfe (tableau II.1).

La structure sexuelle des populations

Conformément aux attendus chez une espèce hermaphrodite protandre, les femelles présentent des tailles supérieures aux mâles (Figure II.8). Elles sont ainsi majoritairement présentes dans les cohortes les plus vieilles (Tableau II.2). Quelque soit le morphe considéré, les tailles des individus sont en moyenne plus élevées dans la population Baie que dans la population Golfe (Figure II.8, 4 tests t de Student, P < 0,001). Les proportions relatives d’immatures, d’individus en transition, de mâles et de femelles sont significativement différentes entre les deux populations (χ 2 = 195, ddl = 3, P < 0,001, Figure II.9). Ces différences sont, en partie, dues à un nombre plus important d’immatures dans la population Golfe mais le test reste significatif lorsque les immatures sont enlevés de l’analyse (χ 2= 27, ddl = 2, P < 0,001). Ces différences s’expliquent également par un nombre plus important de femelles dans la population Baie.
Les deux populations montrent une déviation significative par rapport à un ratio femelle : mâle de 1 : 1 (P < 0,001) en faveur des mâles. Seule la population Golfe montre une déviation significative par rapport à une sex-ratio de 0,67 : 1 (N = 1253 ; Nfemelle = 350 ; P < 0,001) alors qu’aucune déviation n’est mise en évidence dans la population Baie (N = 753 ; Nfemelle = 295 ; P = 0,365). Les ratios femelle : mâle au sein des cohortes 2, 3 et 4 ainsi que chez les vieux individus ont été comparés entre les populations à l’aide d’un test d’homogénéité. Le ratio n’est pas différent entre les populations pour la cohorte 2 (χ 2 = 1,20 ; P>0,25). Par contre il y a significativement plus de mâles dans la cohorte 3 de la population Golfe que dans la cohorte 3 de la population Baie (χ 2 = 6,67; P < 0,010). A l’inverse il y a significativement moins de mâles dans la cohorte 4 et la classe de taille des vieux individus de la population Golfe que dans celles de la population Baie (respectivement χ 2 = 5,09; P < 0,025 et χ 2 = 4,51; P < 0,050)

Discussion

Quatre cohortes ont été mises en évidence dans les deux populations Baie et Golfe, un résultat en accord avec les travaux de Deslous-Paoli (1985) dans l’aire d’introduction (4cohortes, Baie de Marennes-Oléron, France) et ceux de Grady et al. (2001) dans l’aire native (5 cohortes, Pleasant Bay, USA ; Figure II.1).
D’importantes différences de structures démographique et sexuelle entre les deux populations ont néanmoins été mises en évidence. La grande proportion d’immatures dans la population Golfe (34% contre 11 % dans la population Baie) révèle notamment un recrutement particulièrement intense à ce site. Ce résultat est confirmé par une sex-ratio fortement biaisée en faveur des mâles dans cette population, indiquant que le fort recrutement répertorié en 2002 n’est pas un événement exceptionnel. L’arrivée massive de recrues à cet endroit de la baie pourrait expliquer la rapide expansion de cette population qui a atteint unedensité exceptionnellement élevée sachant que la population n’était pas signalée en 1997.
D’après les résultats de sex-ratio par cohorte, il apparaît que le changement de sexe est surtout initié entre la cohorte 2 et la cohorte 3 dans les 2 populations (les 1,7% de femelles dans la cohorte 2 de la population Baie correspondent à 3 cas marginaux sur 60 individus) et qu’un nombre important d’individus mâles sont encore présents parmi les individus âgés (respectivement 30% et 17% dans les populations Baie et Golfe). Les modalités du changement de sexe seront discutées plus en détail dans le chapitre III.
Un autre résultat important de cette étude est l’observation de différences significatives et systématiques entre les tailles moyennes par cohorte et par morphe sexuel dans les deux populations, sous l’hypothèse que les cohortes homologues des deux populations aient bien lemême âge (Figure II.10). Le fait que la population Baie présente toujours des valeurs supérieures de taille moyenne suggère un taux de croissance plus important dans cette population, ce qui pourrait être expliqué par des conditions environnementales favorables aux organismes filtreurs dans le fond de la baie de Cancale (Blanchard & Erhold, 1999).
L’hypothèse alternative, une asynchronie de recrutement, est peu probable car des femelles ovigères ont été observées dans les deux populations indiquant la même période de ponte. De plus, une étude de la distribution spatiale des larves de bivalves et de gastéropodes au sein de la baie du Mont St Michel a mis en évidence une présence de larves de crépidules en tous points de la baie (dont des points géographiquement proches des deux populations de cette étude) à une même date d’échantillonnage (du 14 au 17 juillet 2002 ; Muchembled, 2004).
Afin de confirmer l’hypothèse de taux de croissance différentiel, une étude de dynamique de populations permettant un suivi de croissance dans les deux populations serait à envisager.

Existe- t’ il une variation temporelle de fréquences alléliques dans les populations de C. fornicata ?

Analyse génétique des cohortes et des populations

Diversité génétique

Afin d’obtenir des données de fréquences alléliques sur des échantillons temporellement espacés, les sous-échantillons sélectionnés dans chaque cohorte ont été analysés à l’aide de cinq locus microsatellites : CfCA2, CfCA4, CfGT9, CfGT14 et CfH7 avec les protocoles et les méthodes explicités dans le chapitre I (les fréquences alléliques sont présentées dans l’annexe 6). Les statistiques descriptives sont présentées pour toutes les cohortes et toutes les populations dans le tableau II.3. Sur l’ensemble des deux populations la diversité génique moyenne est très élevée (He = 0,822). Quand on considère chaque cohorte et chaque population séparément, la diversité génique varie très peu (de 0,812 pour la cohorte 3 à 0,838 pour la cohorte 4 dans la population Baie ; de 0,804 pour la cohorte 5 à 0,833 pour la cohorte 1 dans la population Golfe). Au sein de chaque population les valeurs de diversité génique et de richesse allélique ne sont pas statistiquement différentes entre les cohortes (test-t appariés sur les locus, les valeurs de probabilités s’échelonnent respectivement de 0,078 à 0,987 et de 0,164 à 0,950).
L’hypothèse de « sweepstake » prédit qu’une cohorte récemment recrutée a une plus faible diversité génétique que le pool reproducteur potentiel (Hedgecock, 1994). Pour testercette hypothèse, la diversité génétique des immatures de chaque population a été comparée, dans un premier temps, à la diversité génétique du pool reproducteur local (tous les adultesmatures de la population) et, dans un deuxième temps, aux indices de diversité calculés sur l’ensemble des reproducteurs potentiels des populations Baie et Golfe. Deux indices ont été utilisés pour cette comparaison : la richesse allélique (Ar) et la diversité génique (He). Les résultats, présentés dans le tableau II.4, montrent qu’aucune diminution de diversité génétique n’a été mise en évidence entre les cohortes d’immatures et les adultes (8 tests t appariés ; les valeurs de probabilités sont comprises entre 0,140 et 0,879). Pour vérifier que la tailled’échantillonnage n’avait pas d’effet sur ce résultat, la diversité génique calculée sur un souséchantillon de 58 adultes par population (tirage aléatoire) a été comparée à celle desimmatures ; le résultat reste inchangé.

Déficit en hétérozygotes

Des déficits en hétérozygotes significatifs sont observés dans les populations ( dans la population Baie et dans la population Golfe) et les cohortes. Toutes les cohortes montrent un écart significatif à la structure de Hardy-Weinberg dû à un déficit en hétérozygote (Tableau II.3). Des écarts significatifs s’observent à trois locus (CfCA4, CfGT9 et CfGT14). 0,119 ˆ f =0,115 ˆf = Cinq explications sont possibles pour un tel résultat :
– Une dérive d’échantillonnage ; un tel effet peut avoir lieu lorsque le polymorphisme des locus est trop important par rapport au nombre d’individus échantillonnés. Dans cette étude lelocus CfGT9 présente 85 allèles alors que la plus grande taille d’échantillon est de 77 individus ; cette hypothèse ne peut donc pas être rejetée.
– La consanguinité ; les 5 locus analysés ne montrent pas le même déficit en hétérozygote,ce qui exclue cette hypothèse.
– La sélection favorisant les homozygotes ; les microsatellites étant des marqueurs neutres cette explication n’est pas plausible.
– Un effet Wahlund ; cet effet correspond soit à l’échantillonnage d’une population qui regroupe des périodes de recrutement au cours desquelles se sont fixées des groupesd’individus génétiquement différenciées (effet Wahlund temporel), soit à l’échantillonnage d’une population qui regroupe des sous-populations génétiquement différenciées (effet Wahlund spatial). Un effet Wahlund temporel se traduit par une diminution du déficit en hétérozygote dans les subdivisions temporelles de l’échantillon (ici « cohortes ») par rapport à l’échantillon pris dans sa globalité (ici « population »).Un tel effet n’a pas été détecté dans cette étude (Tableau II.3 et Figure II.11). L’hypothèse d’un effet Wahlund spatial est peu probable car la différenciation génétique entre les deux populations étudiées est très faible (voir ci-dessous) et le fait de regrouper les deux populations n’augmente que légèrement le Fis(Figure II.11).