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Are two stressors worse than one?

Heatwaves and droughts are becoming more intense and frequent with climate change. These extreme weather events often occur simultaneously and may alter organismal physiology, yet their combined impacts remain largely unknown. Here, we experimentally investigated physiological responses of a temperate ectotherm, the asp viper (Vipera aspis), to a simulated heatwave and drought. We applied a two-by-two factorial design by manipulating the daily temperature cycle (control vs. heatwave) and the water availability (water available vs. water-deprived) over a month followed by exposure to standard thermal conditions with ad libium access to water. Simulated heatwave and water deprivation additively increased mass loss, while water deprivation led to greater plasma osmolality (dehydration). Mass gain from drinking after the treatment period was higher in vipers from the heatwave and water-deprived group suggesting that thirst was synergistically influenced by thermal and water constraints. Heatwave conditions and water deprivation also additively increased baseline corticosterone levels but did not influence basal metabolic rates and plasma markers of oxidative stress. Our results demonstrate that a short-term exposure to combined heatwave and drought can exacerbate physiological stress through additive effects, and interactively impact behavioral responses to dehydration. Considering combined effects of temperature and water availability is thus crucial to assess organismal responses to climate change.

This work was performed by Mathias Dezetter during his PhD project cosupervised with Olivier Lourdais at CNRS, Chizé.

Citation: Mathias Dezetter, Jean-François Le Galliard, Mathieu Leroux-Coyau, François Brischoux, Fréderic Angelier, Olivier Lourdais; Two stressors are worse than one: combined heatwave and drought affect hydration state and glucocorticoid levels in a temperate ectotherm. J Exp Biol 2022; jeb.243777. doi: https://doi.org/10.1242/jeb.243777

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Underappreciated acclimation capacities in long-lived vipers

In a 7-year experimental study, we emphasize the co-occurrence of physiological syndromes and phenotypic plasticity in physiological traits related to energy and water budgets in a long-lived ectothermic organism. Using climatic chambers at the CNRS CEBC laboratory in Chizé, we exposed asp vipers (Vipera aspis) to one of three thermal cycles (“warm”,”medium”,”cold”) over 4 years of early life, and then maintained all individuals in a common garden (“medium” cycle) for 3 years of adult life. We repeatedly measured the standard metabolic rate (SMR) and total evaporative water loss (TEWL) of the same individuals over their life, using respirometry systems. We found that individuals experiencing the warm cycle reduced their SMR (negative compensation) but flexibly adjusted their SMR to common garden conditions at adulthood. Thermal conditions during development led to changes in TEWL that persisted until adulthood In addition, plastic responses were combined with a physiological syndrome integrating functional traits related to water and energy balance: SMR and TEWL strongly co-varied both within and among individuals over their lifespan.

Vipera aspis
A wild asp viper (Vipera aspis) photographed by Mathias Dezetter

Long-lived terrestrial ectotherms may cope with ongoing climate changes by combining different pattern of plastic, adaptive responses to temperature variation, and responses to selection on physiological syndromes.

Olivier Lourdais and Andréaz Dupoué from CEBC Chizé designed the study and collected the data. Mathias Dezetter led the data analyses together with Olivier, myself and Andréaz. Find out more in our Functional Ecology paper below

Dezetter, M., Dupoué, A., Le Galliard, J.F. and Lourdais, O. (2021), Additive effects of developmental acclimation and physiological syndromes on lifetime metabolic and water loss rates of a dry-skinned ectotherm. Functional Ecology. Accepted Author Manuscript. https://doi.org/10.1111/1365-2435.13951

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Paper by David Rozen-Rechels made the cover of Ecological Monographs!

With ongoing global change, landscape structure changes are expected to be a driver of extinction rates of temperate zone ectotherms. In a recent study led by David Rozen‐Rechels (doi: 10.1002/ecm.1440) we found that changes in water availability, coupled with rising temperatures, might have a drastic impact on the population dynamics of some ectotherm species. This paper made the cover of the journal issue, Ecological Monographs. The selected photograph is an aerial view of the habitat for the studied population of the common lizard Zootoca vivipara (referenced as TIO in the study) at Mont d’Aubrac Massif in the mountain ranges of Massif Central in south‐central France, where grass, heather, and rocks provide a diversity of thermal micro‐habitats. Image taken with a Phantom 4 Pro drone (DJI, Shenzen, China) in July 2017 by J.-F. Le Galliard

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Social costs and visual communication in lizards

According to animal signalling theory, social costs incurred by aggressive conspecifics are one mechanism maintaining signal honesty. Although our understanding of signal evolution has much improved for pigment-based colours, the mechanisms maintaining the honesty of structural colour signals, such as ultraviolet (UV), remain elusive. In a recent study led by master student Anna Kawamoto and post-doctoral collaborator Arnaud Badiane, we used the common lizard (Zootoca vivipara) to test whether the honesty of UV-reflecting signals displayed on male throats is under social control. To do so, we staged agonistic interactions between non-manipulated focal males and opponents of either larger or smaller body size. We manipulated the UV component of the male throat colour patch to create small cheaters with UV-enhanced throats, large cheaters with UV-reduced throats, and their respective controls. In support of a conventional signal hypothesis, focal males were aggressive towards large cheaters and became submissive when these large cheaters retaliated, and were less submissive against small cheaters. However, that focal males were not more aggressive towards small cheaters contradicts our initial predictions. We confirm that male UV reflectance and bite force were good predictors of contest outcomes in control conditions. Overall, we provide partial evidence suggesting that social costs enforce UV signal honesty in common lizards.

Anna Kawamoto, Jean-François Le Galliard, Arnaud Badiane, The role of social costs as a mechanism enforcing the honesty of ultraviolet-reflecting signals in a lizard, Biological Journal of the Linnean Society, 2021, https://doi.org/10.1093/biolinnean/blab008

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Projet de thèse dans notre laboratoire

Approches mécanistiques pour déchiffrer les modifications plastiques et génétiques adaptatives de la phénologie de la reproduction dans des climats changeants

Coordination par Sandrine Meylan (iEES Paris, Sorbonne Université) et Pierre de Villemereuil (ISYEB, Muséum National d’Histoire Naturelle) en collaboration avec notre équipe. Nous contacter avant candidature sur le portail du site de l’Ecole doctorale.

Lien vers le site de candidature (à partir du 15 avril) ici : http://formation.mnhn.fr/fr/enseignement-superieur/actualites/concours-ed227-propositions-these-2021

One of the field site at Puy Mary, Cantal

Les changements de phénologie, c’est à dire de la distribution dans le temps des événements cycliques de la vie, constituent une « réponse universelle » au réchauffement climatique chez des milliers d’espèces animales et végétales. L’avancée de la phénologie de la reproduction chez les organismes des régions tempérées est aussi impliquée dans le déclin ou l’augmentation des populations exposées au réchauffement climatique. Une question clé est alors de savoir si les espèces peuvent changer leur phénologie assez rapidement pour suivre le rythme du réchauffement climatique. Pour ce faire, il est nécessaire d’étudier les opportunités et les contraintes portant sur la micro-évolution rapide de la phénologie.

Ce projet de thèse vise à développer des méthodes innovantes pour qualifier et quantifier les changements adaptatifs plastiques de la phénologie de reproduction dans les populations naturelles exposées au changement climatique et utiliser ces méthodes pour l’analyse d’une base de données longitudinale d’une grande profondeur. Le projet pourra s’appuyer sur l’expertise de l’iEES Paris et l’ISYEB afin de développer une approche intégrée combinant micro-climatologie, écologie évolutive et écophysiologie pour quantifier et modéliser l’évolution des dates de pontes d’un petit vertébré terrestre ectotherme, le lézard commun (Zootoca vivipara). Cette espèce constitue un modèle intéressant, parce qu’elle dépend des conditions ambiantes pour maintenir une température corporelle optimale pendant la reproduction qui est déterminante pour la durée de gestation. De plus, nous disposons de données de long-terme, au niveau populationnel sur plusieurs sites du Massif Central et individuel, sur deux populations de référence.

Dans ce projet, (1) nous analyserons les données de long-terme pour quantifier la plasticité, la sélection naturelle et les compromis d’histoire de vie associés à la phénologie de reproduction dans différents contextes populationnels ; et (2) nous conduirons une approche expérimentale afin de déterminer le lien causal entre la plasticité de la phénologie de la reproduction, la fitness des individus et la dynamique des population. Ces deux approches complémentaires nous permettront de (3) paramétrer un modèle mécanistique de la plasticité de la phénologie de la reproduction et de son intégration dans l’histoire de vie afin de mieux prédire l’évolution de la dynamique des populations du lézard vivipare dans un climat plus chaud.

Field surveys in one field site
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Effects of air humidity and water availability on thermal preferences of a lizard

Thermoregulation is critical for ectotherms as it allows them to maintain their body temperature close to an optimum for ecological performance. Thermoregulation includes a range of behaviors that aim at regulating body temperature within a range centered around the thermal preference. Thermal preference is typically measured in a thermal gradient in fully-hydrated and post-absorptive animals. Short-term effects of the hydric environment on thermal preferences in such set-ups have been rarely quantified in dry-skinned ectotherms, despite accumulating evidence that dehydration might trade-off with behavioral thermoregulation. Using experiments performed under controlled conditions in climatic chambers, we demonstrate that thermal preferences of a ground-dwelling, actively foraging lizard (Zootoca vivipara) are weakly decreased by a daily restriction in free-standing water availability (less than 0.5°C contrast). The influence of air humidity during the day on thermal preferences depends on time of the day and sex of the lizard, and is generally weaker than those of of free-standing water (less than 1°C contrast). This shows that short-term dehydration can influence, albeit weakly, thermal preferences under some circumstances in this species. Environmental humidity conditions are important methodological factors to consider in the analysis of thermal preferences.

Female common lizard basking in the field (Audrey Ely, 2020)

From PLOS ONE: https://dx.plos.org/10.1371/journal.pone.0247514

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Ecotrons: powerful and versatile ecosystem analysers for ecology, agronomy and environmental science

Ecotron IleDeFrance
A sky view of the Ecotron IleDeFrance

This paper describes 13 advanced controlled environment facilities for experimental ecosystem studies, herein termed Ecotrons, open to the international community. Ecotrons enable simulation of a wide range of natural environmental conditions in replicated and independent experimental units while measuring various ecosystem processes.

Roy, J., Rineau, F., De Boeck, H.J., Nijs, I., Pütz, T., Abiven, S., Arnone, J.A., III, Barton, C.V.M., Beenaerts, N., Brüggemann, N., Dainese, M., Domisch, T., Eisenhauer, N., Garré, S., Gebler, A., Ghirardo, A., Jasoni, R.L., Kowalchuk, G., Landais, D., Larsen, S.H., Leemans, V., Le Galliard, J.‐F., Longdoz, B., Massol, F., Mikkelsen, T.N., Niedrist, G., Piel, C., Ravel, O., Sauze, J., Schmidt, A., Schnitzler, J.‐P., Teixeira, L.H., Tjoelker, M.G., Weisser, W.W., Winkler, B. and Milcu, A. (2021), Ecotrons: Powerful and versatile ecosystem analysers for ecology, agronomy and environmental science. Glob Change Biol. https://doi.org/10.1111/gcb.15471

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Stage de recherche été pour étudier la balance hydrique et nutritive et les stratégies de reproduction chez un lézard

Offre de stage iEES Paris été 2021Download

Niveau du stage : Stage libre de recherche, période estivale

Période du stage : Mai-Juin à Juillet-Août 2021

Notre équipe de recherche étudie les réponses physiologiques et comportementales de reptiles face au stress hydrique et thermique dans le cadre d’un projet effectué en collaboration avec le CNRS de Chizé et de Moulis. Ces travaux impliquent notamment des mesures écophysiologiques pour calibrer des modèles mécanistiques de la distribution géographique des espèces. De plus, dans le cadre de la thèse de Chloé Chabaud, nous étudions les relations trophiques du lézard vivipare en relation avec ses besoins hydriques et thermiques. Nous recherchons pendant l’été 2021 trois étudiant(e)s pour participer à plusieurs protocoles de ces projets de recherche effectués sur des populations semi-captives de lézards au Centre de Recherche en Ecologie Expérimentale et Prédictive.

Le lézard vivipare (Zootoca vivipara) est une espèce naturellement inféodée aux zones humides et froides de l’Eurasie dont les populations sont parfois très denses, en faisant un méso-prédateur important dans la chaîne trophique de ces habitats. Plusieurs études préalables ont montré la forte dépendance à la disponibilité en eau dans l’habitat de cette espèce. Le lézard est un prédateur généraliste insectivore et les comportements anti-prédateurs de cette espèce impliquent des réponses spécifiques aux prédateurs spécialisés.

Dans le cadre d’études spécifiques visant à préciser les mécanismes contrôlant la balance hydrique, la balance énergétique et les stratégies trophiques, les étudiants seront impliqués dans deux séries de projets conduits à la station biologique du CEREEP 

Une première série de projet visera à quantifier les effets interactifs des ressources hydriques et nutritives sur la reproduction vivipare via la qualification des réponses éco-physiologiques des femelles gestantes et la caractérisation de leurs jeunes en réponse à une manipulation effectuée en laboratoire pendant la gestation. Les animaux de cette expérience seront capturés au printemps 2021 puis maintenus en laboratoire pendant l’été jusqu’à la fin de la reproduction (fin juillet – début août). Les animaux seront ensuite suivis dans des conditions naturelles.

Une seconde série de projets s’intéressera aux relations entre déshydratation et comportements alimentaires via des travaux expérimentaux en laboratoire. Les animaux de cette expérience seront maintenus temporairement en captivité et étudiés par des protocoles d’éthologie (juillet).

Les objectifs spécifiques du stage de recherche sont de contribuer à caractériser les effets sur la reproduction de restrictions hydriques et nutritives ciblées sur la gestation ; suivre l’état physiologique (masse, hydratation, stress physiologique, etc) des lézards au cours de la captivité et des expériences ; caractériser les réponses comportementales des lézards par des protocoles dédiés ; relâcher les animaux dans des enclos semi-naturels pour les suivre pendant au moins une année supplémentaire et assurer le maintien de dispositifs d’écologie expérimentale en laboratoire et en extérieur.

L’étudiant(e) participera éventuellement en fin mai et début juin à la fin des captures dans des enclos semi-naturels (captures des lézards, mesures et caractérisation). Pendant toute la durée du stage, l’étudiant(e) participera plus généralement à l’entretien de l’élevage (nourrissage et surveillance des animaux), à l’assistance aux expérimentations en conditions contrôlées pendant la période d’élevage, aux mesures à effectuer lors des parturitions des femelles en élevage, aux études comportementales et éco-physiologiques, au relâcher des lézards et à l’entretien des enclos. Il(elle) contribuera ponctuellement à la réalisation de protocoles de recherche spécifiques sous la responsabilité d’un chercheur. Sérieux, motivé et appréciant le travail en laboratoire et sur le terrain en groupe, il(elle) contribuera par sa persévérance et son application au succès des démarches expérimentales. Ce stage peut donner lieu à un mémoire de recherche selon le cursus de l’étudiant(e). Il peut être validé pour l’obtention d’un diplôme d’expérimentation animale ou d’un certificat de capacité.

Conditions du stage: Début mai ou début juin à début août selon les disponibilités. L’étudiant(e) sera basé(e) au CEREEP-Ecotron IleDeFrance et ses frais de séjour seront pris en charge par le laboratoire. Merci de transmettre votre candidature à galliard@bio.ens.psl.eu et chloe.chabaud@sorbonne-universite.fr en joignant CV et lettre de motivation et en précisant si un rapport et/ou une soutenance sont à prévoir.

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Stage de master 1: biologie évolutive

Coévolution entre pertes hydriques et préférences thermiques chez les reptiles non aviens

Notre équipe de recherche étudie les réponses physiologiques et comportementales d’espèces de reptiles face au stress hydrique et thermique dans le cadre d’une collaboration nationale. Ces travaux impliquent notamment la caractérisation des différentes stratégies de thermorégulation et d’hydrorégulation des reptiles en fonction de leur écologie et de leur phylogénie. Nous recherchons pour le premier semestre 2021 un(e) étudiant(e) en master 1 ou équivalent pour compléter une base de données des préférences thermiques d’espèces de reptiles squamates dont les pertes hydriques ont été quantifiées dans un précédent projet. L’étudiant(e) fera une analyse de la corrélation entre préférences thermiques et pertes hydriques en fonction de l’écologie des espèces.

Les analyses phylogénétiques du comportement de thermorégulation des reptiles squamates se sont concentrées sur les tests de la théorie de la biologie thermique, en particulier sur la prédiction que les préférences thermiques élevées devraient évoluer dans des environnements plus chauds et que les préférences thermiques devraient coévoluer avec les optimums physiologiques pour les performances, par exemple locomotrices ou digestives (Blouin-Demers et al. 2005, Labra et al. 2009). Ces analyses tendent à démontrer que les squamates développent un comportement de thermorégulation plus précis dans des environnements thermiquement difficiles, mais que leurs préférences thermiques sont souvent assez conservées phylogénétiquement. Dans le même temps, les études sur l’hydro-régulation se sont concentrées sur le potentiel d’adaptation de la physiologie de l’équilibre hydrique (pertes hydriques standardisées) aux changements de l’aridité des habitats, qui est fort et rapide (Cox and Cox 2015). Notre compréhension de l’évolution corrélée entre la thermorégulation et les processus de régulation de l’eau reste cependant extrêmement limitée (Garcia-Porta et al. 2019). Nous spéculons que des compromis évolutifs entre les préférences thermiques et les pertes hydriques existent chez les squamates.

Les objectifs de ce stage sont tout d’abord de constituer une base de données standardisées des préférences thermiques d’espèces de reptiles squamates (lézards et serpents) pour lesquelles nous avons déjà collecté des données de pertes hydriques (soit environ 300 espèces). La base de données sera ensuite utilisée pour des analyses préliminaires de la co-évolution des pertes hydriques et des préférences thermiques en fonction de l’écologie des espèces, notamment de l’aridité de leur milieu de vie.

Le stage impliquera dans un premier temps une analyse rigoureuse et standardisée de la littérature pour extraire des données de préférence thermiques à partir de données publiées dans des tables, des figures ou du texte. Les données extraites seront rassemblées dans une base de données avec des « métadonnées » associées caractérisant les mesures. Un premier travail a déjà permis d’extraire des données pour 50 espèces de notre échantillon de 300 espèces et il sera étendu à d’autres études au cours du stage. Dans un deuxième temps, l’étudiant(e) effectuera en collaboration avec un chercheur des analyses préliminaires des corrélations entre pertes hydriques et températures préférées des espèces. En raison de la situation sanitaire, le travail s’effectuera à distance mais des réunions en présentiel et des visites du laboratoire seront possibles si la situation évolue favorablement.

Nous recherchons un(e) étudiant(e) sérieux et autonome, motivé(e) et appréciant le travail de synthèse et d’analyse. Le stage est idéal pour un(e) étudiant(e) en écologie comportementale ou éco-physiologie avec des bonnes compétences en lecture d’article et en statistique. Les candidats devront joindre un CV complet et une lettre de motivation avant janvier 2021.

En raison de la situation sanitaire actuelle, le travail s’effectuera à distance mais des réunions en présentiel et des visites du laboratoire seront possibles si la situation évolue favorablement.

Candidature en ligne par courriel.