FA 3.2 - Systématique, écologie et évolution de familles végétales et taxons modèles

Justificatif /Enjeux:

Les forêts tropicales humides (FTH) d’Afrique centrale font parties du centre d’endémisme Guinéocongolais (White 1983). Ce centre compte plus de 8000 espèces végétales, dont 80% sont endémiques avec une grande partie concentrées au Cameroun et au Gabon (Linder 2001). La diversité floristique des FTH est le résultat d’une évolution biologique qui reste encore mal comprise. Or ces forêts représentent un enjeu crucial pour l’avenir des pays du Sud et du Nord, notamment face aux changements climatiques et aux fortes perturbations anthropiques.

Afin de mieux comprendre l’origine de la diversité actuelle des FTH de l’Afrique centrale et les mécanismes évolutifs qui l’ont façonné, nous utiliserons en priorité quatre grandes familles modèles, caractéristiques des FTH : les Annonaceae, les Arecaceae (palmiers), les Orchidaceae et les Rubiaceae (dont les caféiers). Nous pourrons également étudier des grandes familles structurantes des FTH comme les Burseraceae, Meliaceae ou les Sapotaceae. Ces familles présentent des spécificités contrastées au sein des FTH d’Afrique, tant au niveau de leurs traits morphologiques et fonctionnelles liés à une diversité de métabolisme et de mode de vie (épiphyte, arbuste et arbre), que de leurs interactions biologiques. De plus, elles appartiennent aux trois grands clades d’angiospermes (les Magnoliales, les monocotylédones et les eudicotylédones) ce qui facilitera l’extrapolation des résultats aux autres familles des FTH africaines. Des approches intégratives, multidisciplinaires et innovantes seront utilisées afin de comprendre comment la diversité actuelle est distribuée spatialement (cf. fiche « Inventaire, suivi et modélisation de la biodiversité végétale des forêts tropicales humides ») et d’étudier les forces évolutives à différentes échelles de temps et d’espace. Au final, une synthèse permettra de présenter des modèles généraux de distribution de la diversité et de l’évolution spatiotemporelles des FTH en Afrique centrale.

En Afrique centrale, les degrés de numérisation des collections floristiques par les Herbiers sont encore très disparates ou disponibles dans des formats variés, elles sont donc difficilement exploitables. Afin d’éviter des erreurs qui pourraient biaiser les analyses, les informations qui sont enregistrées dans ces plateformes numériques doivent être standardisées, validées et actualisées. Il est également indispensable de s’assurer de l’interopérabilité de ces bases de données afin qu’elles puissent avoir une portée beaucoup plus large.

Objectifs:

  1. Systématique et conservation : Révisions taxonomiques et études phylogénétiques de genres dans les familles-cibles. Etude de la distribution géographique d’espèces rares ou menacées et recherche de méthodes pour la conservation à long terme des graines d’Orchidaceae(cryoconservation).
  1. Biogéographie : Etude des patrons d’endémisme des groupes cibles. Utilisation des outils moléculaires (phylogéographie) et leur calibration dans le temps pour comprendre l’évolution de la flore, notamment en réponse aux changements climatiques et géologiques passés.
  1. Ecophysiologie : Etude des adaptations physiologiques de certains groupes en relation avec leurs habitats : types physiologiques CAM et C3 chez les Orchidaceae épiphytes, phénomène d’accumulation de l’aluminium chez certaines Rubiaceae, tolérance des graines aux contraintes hydriques imposées par le milieu.
  1. Interactions biologiques : Etude de systèmes à plusieurs partenaires (plante-insecte, plantechampignon) : pollinisations chez les Orchidaceae et les Annonaceae ; étude du statut mycorhizien chez les Orchidaceae, i.e. origine taxonomique et écologie propre des champignons, fonctionnement et degré de spécificité de l’association, ainsi que son évolution (en lien avec la phylogénie).

Démarches/méthodes:

  1. Systématique et conservation : Collectes d’informations supplémentaires (spécimens d’herbier, photographies haute résolution, fragments de feuilles pour analyse d’ADN) pendant des missions de terrain et des visites dans les herbiers internationaux afin de permettre un échantillonnage complet indispensable pour mener les révisions taxonomiques. Ces révisions combineront des méthodes de taxonomie classique et de biologie moléculaire pour produire des phylogénies robustes. Evaluation des statuts de conservation suivant les catégories et les critères de l’IUCN (IUCN 2001, 2008). Recherche de méthodes de cryoconservation de graines d’Orchidaceae.
  2. Biogéographie : Cartographie des aires de distribution des espèces endémiques d’Afrique centrale. Pour les Orchidaceae et les Rubiaceae, on dispose actuellement d’une base de données de plus de 5000 échantillons d’herbier d’Afrique centrale géoréférencés et correctement identifiés. Etude de la diversification au cours du temps par datation moléculaire et reconstruction des aires ancestrales. Caractérisation et utilisation de marqueurs moléculaires type séquences d’ADN hypervariables ou de génotypage (microsatellites/AFLP/Eléments transposables) pour la  phylogéographie. Datation moléculaire des événements de migrations/colonisations et d’extinction, flux de gènes entre populations, estimation de l’évolution démographique, évolution cytogénétique. Modélisation et reconstruction de la distribution passée des populations.
  3. Ecophysiologie : Les analyses isotopiques (δ13C et δ15N) d’échantillons de feuilles collectés sur le terrain et dans les ombrières permettront d’étudier la proportion des types C3 et CAM chez les Orchidaceae africaines. Dosage de l’aluminium dans les parties aériennes et souterraines des espèces du genre Craterispermum (Rubiaceae) pour identification d’adaptations particulières. Mesure de la tolérance à la dessiccation des graines et caractérisation éco-climatique de l’habitat(panel d’espèces à choisir au sein d’une des quatre familles modèles de manière à couvrir des habitats très variés en termes de contraintes hydriques).
  4. Interactions biologiques : Mise en place de systèmes de suivi de la floraison/pollinisation chez les Annonaceae et Orchidaceae. Utilisation du réseau d’ombrières à Orchidaceae (voir partie dispositif) et des stations de recherche au Cameroun et au Gabon. Analyse des variations morphologiques du pollen (microscopie électronique). Identification de partenaires fongiques mycorhiziens chez les Orchidaceae en utilisant des méthodes moléculaires, sur des fragments de racines collectés sur le terrain ou dans les ombrières. Recherche d’espèces recevant du carbone de leur champignon par des méthodes isotopiques (hétérotrophie partielle détectable dans la teneur spontanée en δ13C).

Résultats attendus:

  1. Systématique et conservation: Révisions taxonomiques incluant la description de nouvelles espèces et les statuts de conservation des espèces endémiques ou menacées. Production de Flores pour différents pays d’Afrique centrale (e.g. les Annonaceae ou les Burseraceae du Cameroun, Orchidaceae pour la FAC). Identification des espèces des quatre familles modèles les plusmenacées. Constitution d’une cryobanque de graines d’Orchidaceae.
  1. Biogéographie : Production d’une carte d’endémisme de l’Afrique centrale atlantique basée sur la distribution des quatre familles. Identification des facteurs climatiques et/ou géologiques impliqués dans la diversification des espèces des FTH en Afrique. Modèles généraux dedispersion et d’évolution des espèces au sein du continent et comparaison avec d’autres études dans les forêts tropicales d’Amérique du Sud et Asie du Sud Est. Phylogéographie comparative d’espèces-modèles et étude de leur évolution durant les derniers millions d’années dans les forêts d’Afrique centrale. Identification des zones de refuges potentiels durant les paléo-épisodes secs et froids.
  1. Ecophysiologie : Première évaluation de l’importance respective des types physiologiques CAM et C3 chez les Orchidaceae africaines, en relation avec les habitats extrêmement divers colonisés par cette famille végétale (du sol au sommet de la canopée). Etude la distribution de Rubiaceae accumulatrices d’aluminium en relation avec les différents types de sol d’Afrique centrale, identification de génotypes résistants à l’hyper-accumulation d’aluminium. Développement des connaissances sur le rôle adaptatif du niveau de tolérance à la dessiccation des graines dans les forets tropicales et sur l’écologie de la germination.
  1. Interactions biologiques : Description de différents modes de pollinisation observés et compréhension de leurs rôles dans l’évolution des Annonaceae et Orchidaceae africaines. Identification des partenaires fongiques mycorhiziens associés aux Orchidaceae africaines, du degré de spécificité et de l’évolution du type de partenaire (notamment selon l’écologie), compréhension de la nature de leur échange avec les orchidées.

 

Références:

IUCN (2001) 2001 IUCN Red List Categories and Criteria : Version 3.1. In. IUCN, Gland, Switzerland and Cambridge,UK, p. 32.

IUCN (2008) Guidelines for Using the IUCN Red List Categories and Criteria. Version 7.0. In. IUCN, Gland, Switzerland and Cambridge, UK, p. 60.

Linder H. P. (2001). Plant diversity and endemism in sub-Saharan tropical Africa. Journal of Biogeography 28: 169-182. White F. (1983) The vegetation of Africa. A descriptive memoir to accompany the Unesco/AETFAT/UNSO vegetation map of Africa. Paris, Copedith.