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Rasmann, Sergio
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Rasmann, Sergio
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Professeur Assistant
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sergio.rasmann@unine.ch
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Voici les éléments 1 - 7 sur 7
- PublicationRestriction temporaireInfluence of biotic and abiotic factors on microbe-induced chemical defences in the "Solanum" cladePlant-associated soil-dwelling microbes, including bacterial and fungi, can greatly facilitate plant mineral nutrition, increase plant tolerance to abiotic stresses such as drought and salinity, as well as induce resistance to biotic stresses like plant pathogens and herbivorous insects. Therefore, using Microbe in agro-ecosystems appears more and more as a promising opportunity to reduce the use of pesticides while improving crop resilience. However, this needs to be further studied. Specifically, the use of microbes to facilitate systemic acquired resistance in plants has been impaired by the observations of strong context dependency. In other word, the effect of microbe-induced resistance (MiR) against pest and pathogens is dependent of plant and microbe genetic make-up, as well as several abiotic components of the environment. Therefore, to better implement microbes in agriculture, we need to better understand induced-defences mechanisms and its dependencies. The PhD project was part of the European research project “Microbe-induced Resistance to Agricultural pests” (MiRA), which aimed to increase knowledge with a view to better use MiR for crop protection. The MiRA project studied MiR mechanisms and impacts on plant performance and biocontrol organisms to improve our ability to predict the effectiveness of MiR according to the growing conditions. In this context, my PhD project aimed at evaluating the environmental dependency of microbe-induced plant resistance. To address this aim, I investigated the effects of abiotic factors as well as the tomato and microbe genotypes on resistance against insect pests and fungal disease. The study focused on the Solanum section Lycopersicon clade, mainly the species Solanum lycopersicum (tomato), and some of its wild ancestors belonging to different biogeographic origins. Concerning resistance-inducing microbes, some strains including arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and plant-growth promoting rhizobacteria (PGPR) were tested. The final aim of the whole project was to improve knowledge for a better efficiency and stability of plant-associated soil microbial products in order to promote a more ecologically-sound crop protection. In the first chapter, I performed a greenhouse experiment for measuring the effect of different AMF inocula (Funneliformis mosseae, Rhizophagus irregularis, or both) on tomato plants (Solanum lycopersicum cv. ‘Moneymaker’) growth and defences against an insect herbivore under two conditions: a normal watering regime or drought conditions. I measured the functional, physiological and chemical traits of the plants. I found that AMF presence generally decreased plant growth, but increased chemical defences and resistance against generalist caterpillars. Such growth‐defence trade‐off was nonetheless dependent on the identity of the mycorrhizal inoculum and on soil water content. Under drought, inoculated tomato plants lowered their investment to defence and uninoculated plants lowered their growth. In the second chapter, I tested the effect of different microbial inocula (AMF and PGPR) on the growth and defence of a domesticated tomato species, the standard commercial cultivar Solanum lycopersicum cv. ‘Moneymaker’, and three wild relative tomato species. I measured functional growth traits and insect herbivory as well as targeted and untargeted chemical traits of the plants. My results showed that domesticated and wild tomato are both affected by the microbial inoculation. I found that PGPR tend to increase, while AMF tend to decrease plant growth, similarly across species. Moreover, using targeted and untargeted metabolomics, I found that soil microbes deeply change the chemistry of the plants, both above- and belowground, in a species-specific manner. In this study, the response of the herbivore insect was more altered by the presence of AMF than the species of tomato. In the third chapter, I experienced the effect of the PGPR Pseudomonas protegens on the growth, chemical defences, and pathogen resistance of a domesticated tomato species, the standard commercial cultivar Solanum lycopersicum cv. ‘Heinz’, hybrids of S. lycopersicum hybrid, and eight wild relatives tomato species. I measured functional growth traits and fungal symptoms as well as targeted and untargeted chemical traits of the plants. My results showed that both the domesticated and wild tomato species can change their phenotype when inoculated with P. protegens. We found that the PGPR tended to enhance fungal resistance, more so for the domesticated species. Moreover, we found clear effects of the PGPR applied on the root on leaf chemistry, but variable across tomato lines. In the fourth chapter, I gathered a review article and a set of original research works done in collaboration with colleagues along the Microbe-induced Resistance to Agricultural pest (MiRA) European project. In the published review article, we proposed an approach that explicitly incorporates context-dependent factors into Induced-systemic resistance research in order to improve the predictability of ISR induction. We also discussed the need to raise awareness for mobilizing interdisciplinary efforts among researchers and stakeholders involved in the development of microbial inoculum. Then, I briefly presented collaborative studies that help to progress in elucidating the role of diverse biotic and abiotic factors in microbe-induced defences. More than to inventory whether beneficial microbes help tomato plants to resist against pests, the project aimed to study how the surrounding environment and the identity of the biotic partners can influence the relationship between the plant and its belowground beneficial organisms, and how this affects its interactions with aboveground threat. My findings show which AMF strains may best perform under stressing drought conditions and that the use of a species-combined inoculum may improve efficiency in variable climatic conditions. All analyses demonstrate that both glycoalkaloid content and broader metabolome of the plant is modified by the either AMF or PGPR inoculum. Another upshot of the thesis is that certain PGPR may have a faster effect on plant growth than AMF and be less costly to plant development but also less efficient on insect pest control. One more outcome of the thesis is to show that domestication of tomato modified plant reaction to beneficial microbes but did not prevent modern cultivars to get profit from the symbiosis relationship. The results of this thesis bring new functional and metabolomic knowledge that can be used to fine-tune the use of beneficial microbes in agriculture and to serve as basis for further research.
- PublicationAccès libreThe relative contribution of the five pedogenesis factors to soil formation and soil organic matter incorporation across environmental gradients(Neuchâtel : Université de Neuchâtel, 2024)
; ; Le changement climatique devrait remettre en question la persistance future du carbone organique du sol (SOC) dans les écosystèmes terrestres. Compte tenu de la complexité de l'évolution du carbone organique du sol, les interactions plante-sol, les conditions climatiques et les facteurs biotiques sont essentiels pour comprendre le fonctionnement des écosystèmes et la formation des sols. Au cours des dernières décennies, le changement climatique induit par l'homme, la destruction des habitats et les perturbations écologiques ont entraîné des changements significatifs dans la dynamique socio-environnementales, ce qui s'est traduit par une modification des propriétés des sols et de la dynamique des écosytèmes. Ces changements devraient avoir un impact majeur sur les services que les sols rendent à l'homme, menaçant la persistance de nombreuses espèces et, par conséquent, la santé globale des écosystèmes. L'étude des changements du SOC dans un monde en mutation est cruciale pour la compréhension des systèmes environnementaux contemporains. Dans cette thèse, j'ai d'abord cherché à comprendre comment les changements d'environnement entraînent des changements de SOC dans les sols au fil des décennies, en examinant les sols du point de vue d'un gradient environnemental, des rives des lacs aux prairies alpines. Deuxièmement, j'ai étudié comment les conditions environnementales changeantes - en utilisant les gradients d'altitude - conduisent la dynamique de décomposition de la matière organique dans le contexte du changement climatique. La dynamique de décomposition n'est pas seulement influencée par le réchauffement climatique; on s'attend égalmeent à ce qu'elle change en fonction de l'altitude, à mesure que le couvert végétal se modifie et migre vers le haut pour suivre les températures optimales sous l'effet du réchauffement. J'utilise donc l'altitude avec des pentes orientées vers le nord et le sud dans les Alpes suisses pour simuler des scénarios climatiques futurs. L'étude des sols à travers le temps et le gradient environnemental pour prédire le changement de SOC est présentée dans les thèmes 1 et 2. L'étude de la dynamique de décomposition en utilisant les gradients d'altitude pour les variations climatiques ainsi que les pentes orientées nord-sud et les sachets de thé est présentée dans les thèmes 3 et 4. En outre, pour approfondir l'étude de l'effet de la pytochimie des organes végétaux sur la dynamique de décomposition, j'ai utilisé des sacs de litière faits à la main et remplis de matériel végétal local pour montrer comment la phytochimie des feuilles et des racines influence la décomposition de la litère dans le cadre d'une expérience de transplantation de litière (thème 3). Enfin, pour examiner le dernier facteur de formation du sol, mais non le moindre, j'ai également étudié la diversité des microarthropodes le long des gradients d'altitude afin de mieux expliquer les indicateurs écologiques locaux de la biodiversité du sol (thème 4). - PublicationAccès libreInvestigating black rhinoceros ("Diceros bicornis") ecology towards improved conservation and management practices(2023)
; Les écosystèmes de savane font face à des pressions croissantes exercées par le changement climatique, la dégradation des écosystèmes et le déclin continu de la biodiversité. En particulier, le déclin des mégafaunes charismatiques en danger telles que les grands herbivores a plusieurs conséquences pour de tels écosystèmes. Celles-ci incluent des impacts tels qu'une stabilité communautaire affaiblie, la modification de la dynamique des chaînes alimentaires et l'altération des cycles des nutriments. Souvent considérés comme des espèces clés, les grands herbivores exercent une influence considérable sur l'ensemble des communautés par le biais de la modification de l'habitat, du partage des ressources et de la compétition. Malgré leur importance écologique et leur statut menacé, les grands herbivores ont été relativement peu étudiés en raison des défis inhérents liés à leur étude, et se trouvent aujourd’hui uniquement dans des zones protégées. Le rhinocéros noir (Diceros bicornis L.) est l'une des espèces de grands herbivores les plus en dangers et a reçu une attention scientifique limitée. La stratégie de rétablissement du rhinocéros noir implique de réintroduire des individus des zones protégées en surplus dans leurs aires historiques, à mesure que les populations atteignent leur capacité de charge. Cela implique de favoriser la croissance des populations dans les aires actuelles et de sélectionner des habitats appropriés pour les translocations. Les défis résident non seulement dans l'identification des facteurs liés à la convenance de l'habitat et au taux de croissance maximisé, mais aussi dans l'intégration des conditions changeantes, telles que les changements dans la composition de la végétation dus au changement climatique et l'influence des herbivores sympatriques. La croissance des populations est étroitement liée non seulement aux conditions abiotiques et biotiques de l'environnement, mais aussi aux actions de gestion. Par conséquent, la recherche sur l'espèce est essentielle pour approfondir nos connaissances écologiques et déterminer si les actions de gestion ont l'effet souhaité en termes d'atteinte des objectifs de conservation. Cette thèse vise à accroître les connaissances univoques de l'écologie du rhinocéros noir, utiles à sa gestion et à celle de son environnement, grâce à une approche contemporaine intégrant des techniques de surveillance et des méthodologies modernes, et trois domaines importants : l'utilisation de l'espace, l'alimentation et les interactions. Ce travail est basé sur plusieurs populations de rhinocéros noirs situées dans des réserves à travers le KwaZulu-Natal, en Afrique du Sud, en particulier celle de Ithala Game Reserve. Dans le Chapitre I, j'étudie l’alimentation et la sélection de l'habitat du rhinocéros noir à travers plusieurs échelles spatiales. En sachant que la sélection de la nourriture est un élément important lié à la distribution spatiale des herbivores, je décris la sélection de la nourriture au moyen de transects d'observation directe sur les sentiers d'alimentation, puis la sélection de l'habitat en fonction des données de monitoring et de la productivité des écosystèmes (NDVI). Je compare la composition nutritionnelle et chimique des espèces végétales préférées et évitées par le biais de la métabolomique (LC-MS) et de l'analyse élémentaire (CHN). Je montre que la distribution spatiale des rhinocéros noirs était négativement associée à la productivité des écosystèmes, mais positivement associée à des types de végétation spécifiques contenant des espèces végétales hautement préférées et chimiquement distinctes. Les rhinocéros noirs occupent donc leur habitat à travers l'espace et le temps en se nourrissant sélectivement de plantes préférées. Dans le Chapitre II, parce que la compréhension des dynamiques interspécifiques des herbivores au sein des zones protégées est cruciale pour leur gestion efficace, le DNA-metabarcoding a été employé pour étudier le partage des ressources entre le rhinocéros noir et trois herbivores sympatriques abondants, l'éléphant, le koudou et l'impala. Bien que des catégories larges de stratégies d'alimentation puissent être utilisées pour expliquer la coexistence, des informations détaillées sur l'alimentation saisonnière sont nécessaires pour évaluer précisément le partage des ressources. Je décris la composition de l'alimentation saisonnière et le chevauchement, et je compare les stratégies d'alimentation entre les quatre herbivores. Je quantifie l'empiétement potentiel sur la niche alimentaire du rhinocéros noir dans Ithala Game Reserve. Je démontre que la composition de l'alimentation et le chevauchement variaient au fil des saisons, la rareté des ressources pendant la saison sèche générant une composition plus uniforme et une réduction du chevauchement des régimes alimentaires. Les mésoherbivores empiétaient davantage sur les rhinocéros noirs que ne le faisaient les éléphants. Dans un environnement plus propice aux brouteurs, les animaux à alimentation mixte, l'éléphant et l'impala, se sont maintenus principalement au broutage tout au long de l'année. Ce chapitre montre que les catégories larges de stratégies d'alimentation et de taille corporelle sont limitées dans leur utilisation dans les zones protégées et que les stratégies saisonnières sont essentielles pour gérer des populations de plus en plus menacées. Dans le Chapitre III, j'étudie les variables potentielles qui influencent la sélection de la nourriture chez le rhinocéros noir. Le comportement alimentaire est régi par des décisions à différentes échelles et façonné par la perception des propriétés morphologiques et physiologiques des plantes. Les signaux pré-ingestifs permettent de différencier et de choisir entre les éléments nutritifs. Ainsi, je compare les caractéristiques et les composés organiques volatils (VOCs, par GC-MS) des espèces végétales préférées et évitées déterminées par des transects de suivi d'alimentation, et j'examine leur importance relative dans la détermination de la préférence ou de l'évitement. Ce chapitre suggère que les signaux à la fois morphologiques et olfactifs sont importants pour la sélection de la nourriture par le rhinocéros noir. Des VOCs discriminants tels que le caryophyllène et l'acétate d'hexénol se sont révélés importants tout au long des saisons, mais les VOCs seuls ne sont pas aussi robustes pour expliquer le choix de la nourriture, notamment pendant la saison de croissance. Ce chapitre marque les premiers pas dans le déchiffrement des facteurs qui influent sur le choix du rhinocéros noir et dans les applications potentielles à la gestion de la conservation. Tenir compte de la capacité à utiliser l'odeur des plantes et des indices morphologiques bénéficieront les modèles liés au comportement alimentaire du rhinocéros noir ainsi qu'aux conséquences pour l'écosystème découlant de ses activités alimentaires. Dans le Chapitre IV, je mesure l'impact du décornage sur les aires de répartition du rhinocéros noir et l'efficacité du décornage en tant que dissuasion contre le braconnage. Etant donné que le braconnage pour les cornes est la plus grande menace pour le rhinocéros noir, en décornant de manière proactive l'ensemble des populations de rhinocéros, les praticiens visent à dissuader le braconnage et à prévenir la perte d'espèces. Cependant, de telles interventions de conservation peuvent avoir des effets cachés et sous-estimés sur le comportement et l'écologie des animaux. Ici, j'utilise des données de surveillance à long terme pour estimer les aires de répartition avant et après le décornage, ainsi que les tendances en matière de décornage et de mortalité. J'estime l'effet d'un tel outil sur les interactions sociales en fonction du chevauchement des aires de répartition. Bien que le décornage préventif dans ces réserves ait coïncidé avec une diminution nationale de la mortalité du rhinocéros noir due au braconnage et n'ait pas entraîné une augmentation de la mortalité naturelle, les rhinocéros noirs décornés ont réduit leur aire de répartition et étaient moins enclins à participer à des interactions sociales. Le décornage des rhinocéros noirs en tant que mesure anti-braconnage modifie leur écologie comportementale, bien que les effets potentiels au niveau de la population de ces changements restent à déterminer. En conclusion, cette thèse suggère que le rhinocéros noir est une espèce complexe qui fait preuve de plasticité comportementale en réponse aux conditions changeantes de l'écosystème et aux interventions de gestion. L'évaluation continue et l'adaptation des stratégies de gestion ainsi qu'une surveillance cohérente sont cruciales pour assurer des efforts de conservation efficaces. L'écologie comportementale, telle que l'utilisation de l'espace et des ressources, peut servir d'indicateurs précoces de conséquences cachées et faciliter la gestion adaptative des grands herbivores. Cette thèse approfondit notre compréhension d'un grand herbivore en danger critique d'extinction et souligne la nécessité de poursuivre la recherche. ABSTRACT Savanna systems are facing growing pressures exerted by climate change, ecosystem degradation and the ongoing decline in biodiversity. Particularly, the decline of endangered charismatic megafauna such as large herbivores, has several consequences for such ecosystems. These include impacts such as weakened community stability, modification of food-web dynamics and alteration of nutrient cycles. Often considered as keystone species, large herbivores, exercise considerable influence on whole communities through habitat modification, resource partitioning, and competition. Despite their significant ecological importance and their threatened status, large herbivores have been relatively under-researched due to the inherent challenges associated with studying them, and are now mostly restricted to protected areas. Black rhinoceros (Diceros bicornis L.) are among the most endangered large herbivore species on Earth and have received limited scientific attention. The strategy for the recovery of black rhino involves restocking historical ranges with surplus animals from protected areas, as populations reach carrying capacity. This implies promoting population growth in current ranges, and selecting suitable habitats for translocations. Challenges lie not only in identifying factors linked to habitat suitability and maximised growth rate but also in integrating changing conditions, such as shifts in vegetation composition due to climate change and the influence of sympatric herbivores. Population growth is intricately connected not only to environmental abiotic and biotic conditions but also to management actions. Hence research on the species is critical in furthering our ecological knowledge and to ascertain whether management actions are having their desired effect in terms of reaching conservation targets. This thesis aims at increasing unambiguous knowledge of black rhino ecology, practical to its management and that of its environment, through a contemporary approach with the integration of monitoring techniques and modern methodologies, and three important scopes: space use, foraging and interactions. This work is based on several black rhino populations situated in reserves across KwaZulu-Natal, South Africa, in particular that of Ithala Game Reserve. In Chapter I, I investigate black rhino forage and habitat selection across multiple spatial scales. Knowing that forage selection is an important component linked to herbivore spatial distribution, I describe forage selection by the means of direct-observation transects on feeding paths and subsequent habitat selection based on monitoring data and ecosystem productivity (NDVI). I compare the nutritional and chemical composition of preferred and avoided plant species through metabolomics (LC-MS) and elemental analysis (CHN). I show that black rhinos’ spatial distribution was negatively associated with ecosystem productivity, but positively associated with specific vegetation types that contain highly preferred, chemically distinct, plant species. Black rhinos thus occupy their habitat across space and time through selective foraging on preferred plants. In Chapter II, because understanding interspecific herbivore dynamics within protected areas is crucial for their effective management, using DNA metabarcoding, I investigate resource partitioning between black rhino and three abundant sympatric herbivores, elephant, kudu and impala. While broad categories of foraging strategies can be used to explain coexistence, fine-grained information on seasonal foraging is needed to precisely assess resource partitioning. I describe seasonal diet composition and overlap; and compare foraging strategies between the four herbivores. I quantify the potential encroachment on black rhino dietary niche in Ithala Game Reserve. I found that diet composition and overlap shifted seasonally, where resource scarcity during the dry season generated a more even composition and reduced overlap of diets. Mesoherbivores encroached more on black rhinos than elephants did. In an environment more suited to browsers, the mixed feeders, elephant and impala, maintained nearly solely browsing through the year. This chapter shows that long-standing broad categories of foraging strategies and body size are limited in their use in protected areas and that seasonal strategies are central to managing increasingly threatened populations. In Chapter III, I investigate potential variables driving black rhino forage selection. Foraging behaviour is governed by decisions at various scales and shaped by the perception of morphological and physiological properties of plants. Pre-ingestive cues allow differentiating and choosing between food items. I thus compare the traits and volatile organic compounds (VOCs, through GC-MS) of preferred and avoided plant species determined by feeding-path transects, and examine their relative importance in determining preference or avoidance. This chapter suggests that both morphological and olfactory cues are important for black rhino forage selection. Discriminant volatiles such as Caryophyllene and Hexenol acetate were found to be important across seasons but volatiles alone were not as robust in explaining choice of forage, particularly in the growing season. This chapter provides the first steps to disentangling factors driving black rhino choice and potential applications to conservation management. Considering the ability to utilise plant odour and morphological cues will aid models pertaining to both the foraging behaviour of black rhino and the ecosystem consequences resulting from their foraging activities. In Chapter IV, I measure the impact of dehorning on black rhino home ranges and the efficacy of dehorning as a poaching deterrent. Because poaching for horns is the biggest threat to black rhino, by proactively dehorning entire rhinoceros populations, conservationists aim to deter poaching and prevent species loss. However, such conservation interventions may have hidden and underestimated effects on animals’ behaviour and ecology. Here, I use long-term monitoring data to estimate home ranges before and after dehorning, and trends in dehorning and mortalities. I estimate the effect of such a tool on social interactions based on home-range overlap. While preventative dehorning at these reserves coincided with a nationwide decrease in black rhino mortality from poaching and did not infer increased natural mortality, dehorned black rhinos decreased their home range area and were less likely to engage in social encounters. Dehorning black rhinos as an anti-poaching measure alters their behavioural ecology, although the potential population-level effects of these changes remain to be determined. In conclusion, this thesis suggests that the black rhino is an intricate species that demonstrates behavioural plasticity to changing ecosystem conditions and management interventions. The ongoing evaluation and adaption of management strategies and consistent monitoring are crucial for ensuring effective conservation efforts. Behavioural ecology, such as space and resource utilisation, can serve as early indicators of concealed consequences and facilitate adaptive management for large herbivores. This thesis furthers our understanding of a critically endangered large herbivore and highlights the need for continued research. - PublicationAccès libreFrom fundamental questions to practical conservation actions: a study of the ecological niche (soil and vegetation), the pollination system, population genetics, population demography and mycorrhizal associations of "Cypripedium calceolus" (Orchidaceae)The current epoch, the Anthropocene, is witnessing a generalized and rapid extinction of species worldwide. As the causes of such extinctions, often related to global change drivers (e.g., habitat destruction, pollution, climate change), might not be hampered immediately, conservation actions should focus on preserving, restoring and regenerating the disappearing species through concrete action plans. Rare and endangered plant species, for instance, can be preserved by reintroducing seedlings in the same habitat, or introducing them into yet unoccupied habitats to generate novel populations. While this approach holds several good promises, it often generates mixed results, likely due to the fact that the current or novel habitat do not actually offer the optimal conditions for the target species to grow and thrive. With this thesis, we have tackled the problem of how to better characterize the ecological requirements of an endangered plant species in order to increase the success rate of future (re)introduction actions and to develop more efficient and targeted conservation measures. By focusing on the iconic and endangered orchid species Cypripedium calceolus (Lady’s Slipper) as a model species, we have taken a broad-range perspective, including both geomatics and field work to study the links between multiple ecological factors (soil properties, climate, association with local vegetation and health of 34 C. calceolus populations across Switzerland). In the first chapter, we propose a two-step approach to identify (re)introductions sites for endangered plant species using C. calceolus as a model species. The first step involves modelling its niche and its distribution with bioclimatic and topographical predictors. The second step consists in refining these bioclimatic predictions by analysing stationary ecological factors, such as edaphic conditions, and relating them to populations-level fitness values. The first results show that climatic predictions alone were not precise enough, but nevertheless could highlight a likely decline of the species range during the next 50 years due to predicted climate warming. Moreover, when incorporating topographical layers for the modelling approach at the regional scale, we show that the species is more likely to occur near forest edges. Finally, by analysing in situ soil factors, we show that soil organic matter, cation-exchange capacity and pH correlated most strongly with C. calceolus population fitness variables as described by multivariate function trait space. We thus advocate for the combination of modelling tools with fine scale on-site ecological surveys to identify suitable reintroduction sites for this, and potentially other, endangered plant species. In the second chapter, we aimed to determine the relationships between the performance of C. calceolus populations and soil and vegetation factors, to improve this species conservation and but also to advance the theoretical underpinning of which facets of an ecosystem most influence this species fitness. By studying C. calceolus functional traits of 34 sites across Switzerland, we found that large (>20 individuals) populations of C. calceolus displayed a specific assemblage of measurable characteristics that discriminate them from small (<10 individuals) populations, indicating that it is possible to assess the health of a population of a rare plant species by measuring a specific set of traits. While we could not direct predict population health status from vegetation (phytosociological alliances) and soil types, we show that a unique combination of companion plants and several edaphic variables, such as soil organic matter (SOM), CaCO3, pH, and P could be used to potentially assess the optimal sites to implement (re)-introduction actions for this emblematic and patrimonial orchid species. In the third chapter, we addressed the pollination ecology of C. calceolus by studying the links between plant vegetative and floral traits and local pollinator biodiversity. Moreover, we studied potential variation at the population level of how plants attract their pollinators and subsequently how this variation relates to the overall reproductive effort of C. calceolus individuals. We found that small C. calceolus populations occur in less diverse sites, both in terms of surrounding plants and insects. However, while plants from larger populations were physically larger and produced more flowers per capita, they produce the same number of seeds per capita (i.e., seed set) as small populations. This occurred despite the lower pollinator diversity present at the small population sites, meaning that plants from small populations must compensate by providing a stronger attraction to pollinators. Indeed, we discovered that floral volatile organic compounds are produced in higher quantity from the flowers of plants from small populations, suggesting that small populations compensate for low pollinator diversity by producing a stronger floral scent. Two additional perspective chapters deal with the genetic structure of the Swiss C. calceolus populations and their association with mycorrhizal fungi. While these data opens new interesting venues, these topics merits further investigations in the future. In summary, our results do not only increase the fundamental knowledge about C. calceolus biology and ecology but also allow to establish concrete conservation measures and to select more appropriate translocation sites. Moreover, this thesis emphasizes the complexity of orchid ecology and supports the use of integrated research and practical protection measures for this family of plants, and likely others. In a context of global climatic changes and due to the fragility of orchid ecological needs, this kind of approach is more relevant than ever. From a broader perspective, the method we developed is transposable to other plant taxa. Therefore, we advocate for the use of comprehensive methodologies based on multiple aspects of plant biology and ecology, as presented here, to study and protect a broad range rare and endangered plants.
- PublicationAccès librePlant-mediated above- & belowground interactions through induced systemic defense in "Cardamine" species (Brassicaceae)Pour parer aux attaques des herbivores qui endommagent les tissus végétaux situés au-dessus et au-dessous du sol (AG-BG), les plantes ont développé un large éventail de caractéristiques de défense, notamment des défenses mécaniques et chimiques. L'induction de défenses chimiques en réponse à l'attaque des herbivores au niveau des tissus locaux est un phénomène connu. Cependant, nous avons récemment commencé à reconnaître le concept de défense systémique induite qui traverse la division entre racines et pousses. La mesure dans laquelle les défenses systémiques induites sont régulées est affectée à la fois par la composante biotique et par la composante abiotique de l’environnement. La recherche présentée dans cette thèse est une tentative de compréhension des interactions AG-BG à médiation végétale au travers de l'inductibilité systémique des défenses chimiques avec les insectes herbivores dans des environnements changeants. J'ai abordé les principaux objectifs de cette thèse en quatre chapitres. Dans un premier temps, j'ai étudié l'effet de l'induction des racines sur l'expression ultérieure de métabolites secondaires défensifs (glucosinolates, GSL) dans les feuilles et induit une résistance systémique contre les herbivores AG de différentes niches alimentaires chez Cardamine hirsuta. En outre, j’ai vérifié si l’induction de défenses systémiques de la racine aux pousses et la résistance subséquente aux herbivores avaient une base génétique (chapitre I). J'ai constaté que l'induction des défenses BG augmentait la résistance AG au généraliste mais non au spécialiste, et j'ai trouvé une variation importante au niveau de la famille de plantes pour l'inductibilité des GSL dans les feuilles et pour la résistance aux herbivores généralistes. J'ai montré que l'induction systémique de plusieurs GSL atténuait les effets négatifs de l'herbivorie sur la production totale de graines. Spécifiquement, les familles de plantes possédant la capacité d’augmenter la production de certains GSL à l’état induit pourraient entraver l’effet négatif de l’herbivorie AG. Deuxièmement, j'ai étudié l'effet du climat sur l'expression du phénotype de croissance et de défense au travers du gradient d'altitude au niveau intraspécifique de Cardamine pratensis. Ensuite, j'ai examiné la pertinence écologique de la résistance systémique induite en testant l'effet de l'induction des racines sur l'expression consécutive de glucosinolates (GSL) et la résistance systémique subséquente à l'herbivorie naturelle au sein de populations naturelles sur le terrain. De plus, j'ai recherché l'existence d'une variation génotypique dans l'inductibilité systémique des GSL et la résistance en effectuant une expérience de greffe réciproque (chapitre II). J'ai trouvé des conditions climatiques régulant l'expression des traits de croissance chez C. pratensis, alors que la production de traits de défense était plutôt fixée génétiquement. J'ai démontré que les écotypes de plantes provenant de différentes altitudes différaient par leur composition phytochimique et que l'on observait une suppression significative de l'herbivorie de l'AG en réponse à l'induction des défenses dans les racines. Ces découvertes ont été ensuite confirmées dans une expérience de jardin commun. De plus, j'ai trouvé une variation génotypique de l'inductibilité systémique des GSL dans l'induction depuis la racine à la tige pour des écotypes de haute altitude et, au contraire, une convergence génétique en réponse à l'induction chez différentes familles pour des écotypes à basse altitude, suggérant que différentes pressions de sélection agissent sur les plantes à différentes altitudes. Troisièmement, pour comprendre le rôle de l’histoire évolutive partagée et / ou des niches écologiques communes dans la détermination de la variation de la diversité constitutive des GSL ainsi que dans leur inductibilité, et ce au niveau interspécifique, j’ai combiné des analyses métabolomiques ciblées des composés GSL avec des essais biologiques d’herbivores chez 14 espèces différentes de cardamines. Plus, encore, j'ai enquêté sur les conséquences des défenses constitutives et défenses systémiques induites sur des herbivores ayant différentes niches alimentaires et venant de différentes guildes nourricières, à travers différentes espèces (Chapitre III). Mes résultats ont démontré que les stratégies de défense des plantes basées sur les GSL, au niveau constitutif, convergent vers des formes similaires à chaque altitude, soulignant que, lors de la radiation d’un groupe, le filtrage ’habitat et l’interaction plante-herbivore ont façonné la nature de la variation phytochimique des espèces de cardamines dans Alpes. De plus, le schéma d'inductibilité des GSL de BG à AG chez Cardamine sp. suit celui de l'herbivorie au niveau de la racine, qui a montré une décroissance le long des gradients d'altitude. Enfin, en étendant mon enquête au troisième niveau trophique (chapitre IV), j'ai mis en évidence une variation significative dans la production de COV défensifs indirects en réponse à l'herbivorie BG et dans le recrutement de prédateurs BG au niveau des racines de plusieurs espèces de cardamines. J'ai également testé dans quelle mesure le recrutement de prédateurs BG était modifié par la présence d'herbivorie de l'AG et ai recherché s’il existe une stratégie de défense des racines spécifique parmi les espèces. Bien que je n’aie pas été en mesure de détecter un schéma spécifique de recrutement de prédateurs BG parmi des espèces de niches écologiques différentes, mes résultats démontrent clairement que la variation dans l’induction des défenses indirectes dans les racines est influencée par les herbivores AG.
Les résultats de cette thèse améliorent notre compréhension de la façon dont l’interaction AG-BG à médiation végétale avec les insectes herbivores est régulée au moyen de l’expression systémique induite de métabolites secondaires, dans des conditions environnementales variables. La nouveauté de la combinaison de facteurs climatiques et biotiques influençant la défense systémique induite peut inspirer des recherches plus approfondies sur les mécanismes régissant l'écologie et l'évolution des interactions plante-insecte et éclairer la manière dont les plantes s'adaptent localement aux conditions biotiques et abiotiques à travers différents écosystèmes.
Abstract
To ward off herbivore attack, that damages plant tissues in both above- and belowground (AG-BG) compartment, plants have evolved a diverse array of defense traits, including mechanical and chemical defenses. Induction of chemical defenses in response to herbivore attack at local tissues is a known phenomenon; however, we recently began to recognize the concept of systemic induced defense that crosses the root-shoot divide. The extent to which the induced systemic defenses are regulated is affected by the both biotic, as well as the abiotic component of the environment.
The research presented within this dissertation is an attempt for better understanding plant-mediated AG-BG interactions through systemic inducibility of chemical defenses with insect herbivores, and across changing environments. I addressed the major objectives of this thesis within four chapters. First, I investigated the effect of root induction on subsequent expression of defensive secondary metabolites (glucosinolates - GSLs) in the leaves and induced systemic resistance against AG herbivores of different diet breadth, in Cardamine hirsuta (Brassicaceae). In addition, I tested whether induction of systemic defenses from root to shoots and consequent resistance against herbivores has genetic basis (Chapter I & II). I found that BG induction increased AG resistance against the generalist but not the specialist herbivore and found substantial plant family-level variation for inducibility of GSLs in the leaves and resistance against the generalist herbivore. I showed that the systemic induction of several GSLs tempered the negative effects of herbivory on total seed set production. Specifically, plant families possessing the ability for increased production of certain GSL compounds in the induced state could hinder the negative fitness effect of AG herbivory. Second, I investigated the effect of climate in shaping the expression of growth and defense phenotype across elevation gradient at the intraspecific level in C. pratensis. Next, I examined the ecological relevance of induced systemic resistance by testing the effect of root induction on consequent expression of GSLs and subsequent systemic resistance against natural herbivory within natural populations in the field. Furthermore, I looked for the existence of genotypic variation in systemic inducibility of GSLs and resistance, by conducting a reciprocal transplant experiment (Chapter III & IV). I found that climatic conditions regulate expression of growth traits in C. pratensis, while production of defensive traits were rather genetically fixed. I demonstrated that ecotypes of plants originating from different altitudes differed in their phytochemical make-up and observed significant suppression of AG herbivory in response to root induction. These findings were confirmed in the following common garden experiment, and in addition, I found genotypic variation in systemic inducibility of GSLs from root-to-shoot for high elevation ecotypes, and in contrast, I observed genetic convergence in response of different families to induction for low elevation ecotypes suggesting different selection pressures are acting on plants at different elevations. Third, to understand the role of shared evolutionary history and/or shared ecological niches on driving the variation in constitutive diversity of GSLs as well as their inducibility, at interspecific level, I combined targeted metabolomics analyses of GSL compounds, with insect herbivore bioassays, across 14 different Cardamine species. More so, I investigated the consequence of constitutive and systemic induced defenses on herbivores of different diet breadth and feeding guilds, across different species (Chapter V & VI). My findings demonstrated that GSL-based plant defense strategies, at constitutive level, converge into similar forms within each elevation, highlighting that during the radiation of a group, habitat filtering and plant–herbivore interaction shaped the nature of phytochemical variation of Cardamine species in the Alps. Moreover, the pattern of inducibility of GSLs from BG to AG in Cardamine species follows that of the root herbivory, which was shown to be declining along elevation gradients. Finally, by extending my investigation to the third trophic level (Chapter VII), I demonstrated significant variation in production of indirect defensive VOCs in response to BG herbivory and the consequent BG predator recruitment to the roots across several Cardamine species. I further tested the extent to which BG predator recruitment was modified by presence of AG herbivory and sought for specify of root defense strategy among species. While, I was unable to detect a specific pattern of BG predator recruitment across species of different ecological niches, my findings clearly demonstrated the variation in root induced indirect defense influenced by AG herbivory.
The findings of this dissertation enhance our understanding on how plant-mediated AG-BG interactions with insect herbivores are regulated by means of induced systemic expression of secondary metabolites under variable environmental conditions. The novelty of combining both climatic and biotic factor influencing induced systemic defense shed further light on how the deployment of plant defenses locally adapt to biotic and abiotic conditions across different ecosystems and should inspire further and deeper investigations on elucidating the mechanisms governing the ecology and evolution of plant-insect interactions. - PublicationAccès libreThe effect of climate and soil microorganisms on plants growth-defence strategies(2020)
; Contrairement à la plupart des autres organismes, les plantes sont immobiles. Elles ne peuvent donc échapper aux facteurs de stress et sont soumises à d’énormes pressions de l’environnement. L'une des stratégies utilisées par les plantes pour faire face à ces stress environnementaux, tant biotiques qu'abiotiques, consiste à allouer des ressources entre différentes fonctions spécifiques, les principales étant la croissance et la défense. Malgré l’intérêt croissant porté par la recherche dans ce domaine, la compréhension des processus éco-évolutifs responsables de l’allocation des ressources entre croissance et défense reste fragmentaire. Les microbes présents dans le sol, comprenant les bactéries et champignons, sont des candidats idéaux pour atténuer le stress environnemental. L'omniprésence des microbes et leur longue histoire de coévolution avec les plantes les rendent souvent indispensable pour ces dernières. En raison de leur double capacité à agir sur la productivité ainsi que sur les défenses contre les herbivores, des associations spécifiques sont mise en place par les plantes pour obtenir des avantages distincts. La thèse présentée ici tente d'éclaircir la compréhension des interactions entre plantes et microorganismes en fonction des variations des conditions environnementales. Elle comporte trois objectifs principaux. Tout d'abord, j'ai étudié comment les relations entre microorganismes associées aux racines (RAMs) et climat affectent le phénotype de croissance et de défense de Plantago major le long d’un gradient d'altitude (Chapitres I et II). J'ai mis en évidence le fait que les conditions climatiques régulaient les traits de croissance de P. major, alors que les traits de défense étaient plutôt génétiquement fixés (Chapitre I). Par la suite, j’ai constaté que les RAMs provenant de la même altitude que les plantes, favorisaient la croissance des populations de Plantago major, alors que les défenses chimiques étaient globalement plus élevées lorsque des microbes de faible altitude étaient présents (chapitre II). Pour finir, au Chapitre III, je me suis intéressé aux tendances macro-évolutives des taux de colonisation des plantes par les champignons mycorhiziens arbusculaires (AMF) et à la réactivité de la croissance et de la défense des plantes qui en résulte. Pour ce faire, j'ai comparé 24 espèces de Plantago L. dans un environnement commun avec et sans AMF. J'ai constaté que la variation interspécifique de la colonisation des plantes par les AMF, ainsi que la réactivité de la croissance et de défense des plantes aux AMF étaient contrôlés par l'histoire évolutive des plantes et par la convergence des niches climatiques à des degrés divers (Chapitre III). Ma thèse tend à améliorer notre compréhension de la réponse stratégique des plantes à la variation des conditions environnementales en affectant des ressources vers la croissance ou la défense en fonction de la présence de microorganismes bénéfiques du sol. La nouveauté de ces travaux réside principalement dans l’étude combinée des facteurs climatiques et biotiques influençant à la fois la croissance et la défense des plantes. Les conclusions qui en découlent pourraient inspirer des recherches plus approfondies sur la manière dont les plantes s'adaptent localement aux conditions biotiques et abiotiques dans les écosystèmes. ABSTRACT Unlike most other living organisms on this planet, plants are immobile. Given their sessile nature, plants are unable to escape from stressors, thus plants face enormous environmental pressures. One way, plants cope with environmental stress, both at the biotic and abiotic level, is by finely allocating resources into different functions, among which the majors are growth and defence. Despite the rising research focus on this matter, a global understanding of the eco-evolutionary processes responsible for plant resources allocation into growth and defence is still vague. Soil-borne microbes, which include bacteria and fungi, are promising candidates to alleviate such environmental stress acting on plants. The omnipresence of microbes and their long co-evolutionary history with plants qualify them as extremely valuable for plant life. Due to the microbes’ dual function in enhancing plant productivity and defence against herbivores, across ecological gradients, plants may associate with specific microbes to obtain distinct benefits. The thesis presented here is an attempt to shed light on how plants interact with microorganisms across changing environments. The thesis is composed of three major goals. First, I investigated and dissected the interaction of root-associate microbes (RAMs) and climate in shaping Plantago major growth and defence phenotype across an elevation gradient at the intraspecific level (Chapters I and II). I found that climatic conditions regulate P. major growth traits, while defensive traits where rather genetically fixed (Chapter I). Subsequently, I found that local elevation RAMs promoted the growth of Plantago major populations, while chemical defences were overall higher when low elevation microbes were present (Chapter II). Finally, in Chapter III, I unravelled macro-evolutionary trends in plant colonization levels of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and the resulting plant growth and defence responsiveness. To do this, I compared 24 species of Plantago L. in a common environment with and without AMF. I found that plant interspecific variation in AMF colonization, and growth and defence plant responsiveness to AMF were driven by both plant's evolutionary history and climatic niche convergence at different levels (Chapter III). My thesis enhanced our understanding of how plants strategically respond to variation in environmental conditions by diverting resources into growth or defence in the presence of soil-borne beneficial microorganisms. The novelty of combining both climatic and biotic factor influencing both plants growth and defence at different scales of life organization may inspire further and deeper investigation on how plant locally adapt to biotic and abiotic conditions across ecosystems. - PublicationAccès librePhylogenetics as a tool for evolutionary studies: evolution of leafcutter bees and chemical ecology of bee-flower relationships(2017)
Dans le premier chapitre de cette thèse, nous avons produit une phylogénie sur la base de cinq gènes nucléaires pour la tribu des Megachilini qui se situe parmi les groupes d’abeilles les plus divers et les plus largement distribués. Cette tribu inclut le grand genre cosmopolite Megachile, appelé aussi abeilles coupeuses de feuilles, ainsi que deux lignées cleptoparasites (abeilles-coucous) qui ne construisent pas leurs propres nids, mais pondent leurs œufs dans des cellules faites par d’autres abeilles. Nous utilisons notre trame phylogénétique pour examiner l’histoire évolutive de ces abeilles, reconstruire leur biogéographie et proposer une nouvelle classification. De plus, nous testons une nouvelle approche méthodologique pour la reconstruction d’arbres phylogénétiques presque entièrement résolus en utilisant les barcodes ADN, constitués de séquences d’environ 600 pb du gène mitochondrial cytochrome oxidase. Nos résultats suggèrent que les deux lignées cleptoparasites forment un groupe monophylétique niché au sein de lignées construisant des nids, ce qui suppose une origine unique du cleptoparasitisme dans cette tribu. Les analyses de reconstruction biogéographique suggèrent un centre d’origine dans l’aire paléotropicale il y a de cela 30 millions d’années et de nombreux événements de colonisation des autres aires biogéographiques. Contrairement à nos attentes, très peu de dispersions longue-distance ont eu lieu, si bien que la distribution actuelle de cette grande tribu d’abeilles peut amplement être expliquée par de la géodispersion entre continents adjacents. Lorsqu’ils ont été utilisés seuls, les barcodes ADN ont peu de signal phylogénétique : seuls les nœuds de moins de 5 millions d’années ont pu être retrouvés dans de telles analyses ; cependant, l’addition d’un seul gène nucléaire était suffisant pour retrouver la majorité des nœuds d’un âge allant jusqu’à 20 millions d’années. Dernièrement, nous proposons une classification révisée aux niveaux générique et sous-générique pour cet important groupe d’abeilles.
Dans la seconde partie de cette thèse (chapitres 2 et 3), nous nous concentrons sur les clades de plantes pollinisées par les abeilles pour examiner un trait floral peu étudié : la présence de composés chimiques secondaires dans le pollen. Alors que de nombreuses études ont examiné l’importance écologique des composés secondaires du nectar, les composés secondaires du pollen représentent un domaine presque inexploré. Puisque les relations plante-abeille sont probablement centrées sur le pollen et non le nectar, elles pourraient être fortement influencées par la chimie du pollen. Dans le chapitre 2, nous nous concentrons sur les plantes de la famille des Boraginaceae et sur ses membres ouest-paléarctiques. Cette famille de plantes représente une importante ressource pour les abeilles solitaires et les bourdons autant que pour les abeilles mellifères. Nous examinons les alcaloïdes du pollen de 23 espèces et utilisons une analyse phylogénétique comparative pour tester des hypothèses sur leur origine évolutive. Deuxièmement, nous examinons l’impact possible de ces alcaloïdes sur les abeilles solitaires dans des bioessais où des provisions de pollen et nectar de trois de ces espèces (une spécialiste, deux généralistes) ont été supplémentées à des concentrations naturelles d’alcaloïdes du pollen. Des œufs de ces trois espèces d’abeilles ont été transplantées sur ces provisions et leur développement a été examiné. Ces bioessais ont montré que deux de ces trois espèces, une généraliste et une spécialiste, n’ont pas pu se développer sur les provisions supplémentées. Ce résultat démontre pour la première fois que la chimie secondaire du pollen peut avoir un impact sur le développement des abeilles solitaires et par conséquent sur les relations plante-abeille. Sur la base de notre analyse phylogénétique comparative, nous postulons que la présence d’alcaloïdes dans le pollen de certaines espèces de Boraginaceae n’est pas directement liée aux abeilles, mais plutôt que les alcaloïdes font partie de la défense chimique des tissus reproductifs de la fleur. Cependant, six lignées indépendantes disposant de fleurs morphologiquement sophistiquées et adaptées aux abeilles ont des taux d’alcaloïdes du pollen significativement moins élevés que les autres espèces de Boraginaceae. Nous postulons que pour ces espèces, le pollen peut être considéré comme une récompense aux abeilles pollinisatrices, alors que pour d’autres espèces pollinisées par des visiteurs cherchant du nectar, le pollen ne peut pas être considéré comme une récompense. Cette différence importante nous permet de réexaminer la nature complexe des relations plante-abeille dans cette famille de plantes.
Le focus du chapitre trois est un autre clade de plantes où les abeilles sont d’importants pollinisateurs : le genre néotropical Sinningia (Gesneriaceae). Ce genre est un groupe modèle remarquable car il possède des syndromes de pollinisation fortement marqués (principalement colibri et abeille), et car il y a eu de nombreuses transitions indépendantes entre ces syndromes. Comme pour le chapitre deux, nous explorons les métabolites secondaires du pollen pour examiner si la chimie secondaire diffère entre les deux principaux syndromes. Sur la base de nos résultats du chapitre deux, notre hypothèse générale est que les espèces pollinisées par les abeilles montrent des taux de molécules défensives moins élevées que les autres espèces. Les seuls composés chimiques secondaires identifiés dans le pollen étaient des saponines. En accord avec notre hypothèse, les concentrations de saponines étaient inférieures dans le pollen des espèces pollinisées par les abeilles que dans celui des espèces pollinisées par les colibris. Nous discutons plusieurs hypothèses pour expliquer cet résultat : les saponines peuvent repousser les insectes collecteurs de pollen chez les plantes pollinisées par des visiteurs à nectar, étant donné que les saponines ont un effet repoussant, anti-appétant et insecticides reconnus ; alternativement, les saponines pourraient jouer une autre fonction jusqu’à présent non-reconnue, en lien par exemple à l’adhérence du pollen sur les oiseaux pollinisateurs ou pour la croissance du tube pollinique. Des travaux supplémentaires seront nécessaires pour examiner ces hypothèses., Bees are present in almost all terrestrial ecosystems and are of vital importance for the pollination of wild flowers and cultivated crops. Despite being well investigated compared to many other insects, numerous open questions remain on their taxonomy, phylogeny and ecology. The present thesis aims at filling some of the gaps in knowledge concerning the evolutionary and natural history of bees. In addition, it aims at obtaining a better understanding of their complex relationships with flowers. Throughout the thesis, phylogenetics is used as a tool for examining an observed pattern in an evolutionary context. In the first chapter, the evolutionary history and the biogeography of the second largest bee genus worldwide is examined; in the second and third, pollen chemical ecology is investigated in two plant lineages each exhibiting multiple transitions in their pollination biology.
In the first chapter of this thesis, we inferred a phylogeny based on five nuclear genes for the bee tribe Megachilini, one of the most diverse and widely distributed tribe of bees. This tribe includes the large and cosmopolitan genus Megachile, or the leafcutting bees, as well as two cleptoparasitic lineages - "cuckoo" bees that do not build their own nests but hide their eggs into the nest cells of other bees. We use our phylogenetic framework to examine the evolutionary history of these bees, reconstruct their biogeography and propose a new classification. In addition, we test a new methodological approach for the reconstruction of nearly fully-resolved phylogenetic trees using DNA barcodes, approximately 600 bp long sequences of the mitochondrial gene cytochrome oxidase. Our results indicate that the two cleptoparasitic lineages form a monophyletic group nested within the nest-building genus Megachile, thus suggesting a single origin of cleptoparasitism in this bee clade. Biogeography reconstruction analyses suggest a center of origin in the Paleotropical area some 30 million years ago and numerous colonization events of the other geographic regions. Contrary to expectations, there were very few long-distance dispersal events and the current distribution of this large bee tribe can largely be explained by geodispersal between adjacent continents. When used alone, DNA barcodes had little phylogenetic signal: only nodes < 5 million years old could be recovered in such analyses; however, the addition of a single nuclear gene was enough to recover a majority of nodes up to 20 million years old. Lastly, we propose a revised classification at the generic and subgeneric levels for this important group of bees.
In the second part of this thesis (chapters 2 and 3), we focus on bee-pollinated plant clades and examine a little studied floral trait: the presence of secondary defense compounds in the pollen. While numerous studies have examined the ecological significance of nectar secondary compounds, pollen secondary compounds represent a nearly unexplored field of research. Because bee-flower relationships are likely centered on pollen, not nectar, they may strongly be impacted by pollen chemistry. In chapter two, we focus on the plant family Boraginaceae and on its western Palearctic members. This plant family represents an important resource for solitary bees, bumblebees as well as honeybees. We survey the alkaloids in the pollen of 23 species and use comparative phylogenetic analyses to test hypotheses on their evolutionary origin. Second, we examine the possible impact of these alkaloids on solitary bees in bioassays where natural pollen and nectar provisions of three solitary bees (one specialist, two generalists) were supplemented with realistic levels of pollen alkaloids. Eggs of these three species of bees were transplanted onto these provisions and their development was examined. These bioassays indicated that two of the three species, one generalist and one specialist, failed to develop on provisions supplemented with realistic levels of alkaloids. This result demonstrates for the first time that pollen secondary compounds can impact bee development and thus ultimately bee-flower relationships. Based on our comparative phylogenetic analyses, we postulate that the presence of alkaloids in the pollen of some species of Boraginaceae is not directly linked to bees, but rather that alkaloids are part of the chemical defense of the reproductive tissues of the flower. However, six independent lineages exhibiting a sophisticated, bee-adapted morphology had significantly lower levels of alkaloids in the pollen than other species of Boraginaceae. We postulate that in these species, pollen may be considered a reward to pollinating bees, while in other species pollinated by nectar-seeking visitors, pollen does not act as a reward. This important difference allows us to re-examine the complex nature of bee-flower relationships in this plant family.
The focus of chapter three is another plant clade where bees are important pollinators, the Neotropical plant genus Sinningia in Gessneriaceae. This genus is a remarkable model group as it exhibits strongly defined pollination syndromes (mostly hummingbirds and bees), and as there has been numerous, independent switches between these syndromes. As in chapter two, we survey all the secondary metabolites of the pollen and ask the question whether pollen secondary chemistry differs among the different syndromes. Based on our results of chapter two, our general hypothesis is that bee-pollinated species exhibit lower levels of defense chemicals than other species. The only secondary compounds identified in the pollen were saponins. In agreement with our hypothesis, saponin concentrations were lower in bee-pollinated species than in bird-pollinated species. We discuss several hypotheses explaining this pattern: the saponins may deter pollen-collecting insects in plants pollinated by nectar-feeding visitors, given that saponins have known deterrent, antifeedant and insecticidal properties; alternatively, the saponins may play another, hitherto unrecognized function, related for example to pollen adherence to bird pollinators or for the growth of the pollen tube. Future work is needed to examine these hypotheses.