Role of environmental variability on the response of Mediterranean corals to global change
Rôle de la variabilité environnementale sur la réponse des espèces méditerranéennes aux changements globaux
Résumé
The increase of atmospheric CO2 is driving changes in the ocean’s physical and chemical properties. The projections by the IPCC under the high CO2 emission scenario RCP 8.5 suggest global sea surface temperature warming of 3.2°C and a decrease in pH of 0.3 units by the end of the century. Such changes have important consequences for ecosystems and the services they provide to humans. The Mediterranean Sea is a hot-spot of global change with warming sea surface temperature projected to be 20% higher than global projections and an increase in extreme events such as marine heatwaves. The main goal of this thesis is to determine the effects of present and future coastal environmental conditions on Mediterranean corals. Natural populations of corals from two volcanic CO2 vents in Ischia (Italy) are used. Local acidification of seawater occurs around the vents with pH values close to those expected by the end of the century. This research is focused on two Mediterranean long-lived corals that have key relevance for conservation as habitat-forming species: the zooxanthellate Cladocora caespitosa and the azooxanthellate Astroides calycularis. The main research questions are: (1) how present-day and future warming and/or acidification affect the physiology of Cladocora caespitosa and Astroides calycularis at every life stage (adult, gametogenesis, larvae, and recruits) and (2) does previous exposure to low pH at CO2 vents enhance their tolerance to future ocean acidification. To answer these questions, we combined environmental data, ecological field surveys at CO2 vent sites and reference sites with ambient pH, and laboratory experiments with controlled temperature and pH. This thesis provides new insights into the responses of adult colonies to warming on. I assess the physiological impact and potential recovery to different warming scenarios and heatwaves events, based on nine years of temperature data collected at the study site. I then study whether past exposure to low pH conditions confers tolerance to ocean acidification on the two species, with colonies sampled at the CO2 vent and ambient pH sites and maintained in the laboratory under present day and low pH conditions. I also focus on sexual reproduction and early life stages of the two Mediterranean corals to better understand how they respond to ocean warming and acidification. First, I characterize the development and post-settlement growth of larvae of A. calycularis under high and ambient temperatures and ambient and low pH. I then take a closer look at tolerance to acidification by exposing larvae from the CO2 vents and ambient pH site to different pH conditions. I also explore whether differences in gene expression between the populations and pH treatments exist. Finally, I compare gametogenesis of C. caespitosa’s colonies from the CO2 vent and ambient sites through histological analysis to test the impact of low pH on gametogenesis and spawning. The results suggest that the impacts of warming and acidification on adult colonies of C. caespitosa and A. calycularis are moderate, with a tolerance to acidification and a recovery after summer heat. However, the impact of global change on the early life stages of A. calycularis and on the reproduction of C. caespitosa is worrying and could compromise the sustainability of the populations. My results suggest that C. caespitosa and A. calycularis living at the CO2 vents sites of Ischia are not acclimatized to ocean acidification. Furthermore, exposure to low pH at the vent sites impairs individuals’ physiology (reproduction, early life stages development, morphology of the colony) and population growth. Given the susceptibility of both species to global change, the results highlight the risk of changes in the composition of Mediterranean communities in the near future and the urge to establish general conservation measures and long-term monitoring.
L’augmentation du CO2 atmosphérique conduit à des changements physiques et chimiques de l’océan. Les projections du GIEC selon le scénario à fortes émissions RCP8.5, suggèrent un réchauffement de la surface des océans de 3.2°C et une diminution de 0.3 unités de pH à la fin du siècle. Ces changements environnementaux s’accompagnent d’importantes conséquences sur les écosystèmes et les services rendus aux humains. La mer Méditerranée est un « hotspot » du changement global avec une prévision d’augmentation de la température de surface de la mer de +20% comparé aux projections globales, accompagné d’une augmentation d'événements extrêmes comme les vagues de chaleur marines. L’objectif principal de cette thèse est de déterminer les effets de la variabilité environnementale présente et future sur des coraux Méditerranéens. Des populations naturelles de coraux vivant au niveau d’évents de CO2 à Ischia (Italie) sont utilisées. Une acidification locale de l’eau de mer survient autour de ces évents, avec des valeurs de pH proches de celles qui sont attendues pour la fin du siècle. Les deux espèces étudiées : Cladocora caespitosa (zooxanthellé) et Astroides calycularis (azooxanthellé), ont une grande importance pour la conservation de part leur statut d’espèces fondatrices. Les principales questions de l’étude sont: (1) comment les conditions présentes et futures de températures et/ou de pH affectent la physiologie des deux espèces à différents stades de vie (adultes, gamétogenèse, larves et recrues) et (2) est-ce que l’exposition à un pH bas peut augmenter la tolérance des coraux face à une future acidification. Afin de répondre à ces questions, nous avons combiné l’analyse de données environnementales, l’étude sur le terrain et des expériences de laboratoire avec contrôle de température et de pH. Ma thèse se focalise en premier lieu sur la réponse des colonies adultes face au réchauffement de l’océan, avec l’acquisition des réponses physiologiques et le rétablissement des deux coraux à un réchauffement et à des vagues de chaleur marines simulées en laboratoire à partir de données réelles. Nous avons ensuite étudié, si l’exposition au pH bas des évents de CO2 procurait une tolérance à l’acidification chez les deux espèces. Cette thèse s’applique également à identifier l’impact du changement global sur la reproduction sexuelle et les premiers stades de vie des deux espèces de coraux. Dans un premier temps, j’ai étudié le développement et la croissance post fixation de larves d’A. calycularis face au réchauffement et à l’acidification. Puis, j’ai testé l’hypothèse selon laquelle des larves provenant des évents de CO2 présentaient une tolérance à l’acidification. L’expression des gènes entre les populations et les traitements de pH en laboratoire a également été étudiée. Enfin, une comparaison des gamètes de C. caespitosa provenant des évents de CO2 et d’un site ambient a été effectuée par analyse histologique afin de savoir si le pH a un impact sur la gamétogenèse et le ponte. Nos résultats suggèrent que les impacts du réchauffement et de l’acidification sur les colonies adultes de C. caespitosa et A. calycularis sont modérées, avec une tolérance à l’acidification et un rétablissement après les températures estivales. Par contre, l’impact sur les premiers stades de vie d’A. calycularis et la reproduction de C. caespitosa est inquiétant et pourrait compromettre le maintien des populations. Mes résultats suggèrent que C. caespitosa and A. calycularis vivants au niveau des évents de CO2 de Ischia, ne sont pas acclimatés à l’acidification de l’eau de mer. De plus, cette exposition à des pH bas affecterait la physiologie des individus et la croissance de la population. Étant donné la sensibilité des deux espèces de coraux au changement global, ma thèse souligne un risque de changement de composition des communautés méditerranéennes dans un futur proche et une urgence à établir des mesures de conservation et un suivi à long terme.
Origine : Version validée par le jury (STAR)