Adaptation, persistence and management of Atlantic salmon in a metapopulation context | Adaptation, persistance et gestion du saumon atlantique dans un contexte métapopulationnel

إنجليزي. In a context of rapid environmental changes and anthropogenic pressures, there is an urgent need to better understand the responses of species and to provide recommendations on how we can manage and conciliate human activities with the functioning of ecosystems. However, there is often a mismatch between the scale of species functioning, threats, and management actions. In particular, even if dispersal is a ubiquitous trait in organisms, implications of connectivity and spatial structure for adaptation, persistence, and management of populations are still poorly appreciated for numerous species. This is the case of Atlantic salmon (Salmo salar), for which eco-evolutionary dynamics, exploitation and management of populations are rarely considered within a metapopulation perspective. Yet, growing evidence shows individuals and gene flow among populations of salmon. Motivated by this context, this thesis aims to use an innovative multi-scale approach, from genes to metapopulation, to 1) better understand the capacities of adaptation and persistence of exploited populations of Atlantic salmon and 2) explore management practices that would meet both objectives of conservation and exploitation. Using a spatially explicit demo-genetic agent-based model, I simulated a network of interconnected populations of Atlantic salmon based on the metapopulation of Brittany. Through several scenarios, I explored the influence of a gradient of dispersal rates, various spatial genetic structures, the spatial configuration of populations, and spatial management strategies on the demographic (e.g., stability, persistence) and eco-evolutionary (e.g., life history traits, genetic diversity) dynamics of interconnected and exploited local populations. This thesis highlighted a non-linear relationship between dispersal rates and the stability of the metapopulation, resulting in an optimal portfolio effect for dispersal rates around 20% in a homogeneous network. At local population scale, I demonstrated phenotypic changes induced by density-dependent effects modulated by dispersal, as well as an increase in genetic diversity within populations. Simulations also showed adaptation of local populations was fostered by dispersal between initially diverse populations, providing general support for the adaptation network theory. However, the spatial configuration of populations also played an important role in their evolutionary trajectories by modulating dispersal patterns. Ultimately, this thesis showcased a slight benefit from a spatialized management strategy protecting source populations from exploitation, especially for high dispersal rates. Contrasted and complex evolutionary consequences emerged from the different management strategies in interaction with dispersal. I conclude that it is critical to account for complex interactions between dispersal, eco-evolutionary processes, and spatial structure of populations to better understand and manage Atlantic salmon response to environmental change and anthropogenic pressures. This thesis also encourages empirical knowledge about dispersal rates and metapopulation structure of this species, and advocates for conservation actions according to the portfolio and adaptation network approach, protecting connectivity and biocomplexity in the face of uncertainty. My thesis opens up further perspective of work and illustrates the potential of our modelling approach as a prospecting tool for theoretical and applied research on metapopulations.

فرنسي. Dans un contexte de changements environnementaux rapides et de pressions anthropiques, il est urgent de mieux comprendre les réponses des espèces et d'apporter des recommandations sur la manière de gérer et de concilier les activités humaines avec le fonctionnement des écosystèmes. Cependant, il existe bien souvent un décalage entre l'échelle du fonctionnement des espèces, celle de leurs menaces, et celle des actions de gestion. En particulier, bien que la dispersion soit un trait ubiquite parmi les organismes, les implications de la connectivité et de la structure spatiale pour l'adaptation, la persistance, et la gestion des populations sont encore peu considérées pour de nombreuses espèces. Cela est le cas du saumon Atlantique (Salmo salar), une espèce pour laquelle les dynamiques éco-évolutives, l'exploitation et la gestion des populations sont rarement appréhendées dans une perspective métapopulationnelle. Pourtant, des évidences croissantes montrent des flux d'individus et de gènes entre populations de saumon. Motivée par ce contexte, cette thèse a pour objectif d'utiliser une approche innovante et multi-échelle, du gène à la métapopulation, afin de 1) mieux comprendre les capacités d'adaptation et de persistance de populations exploitées de saumon Atlantique et 2) d'explorer des pratiques de gestion qui respecteraient des objectifs de conservation mais aussi d'exploitation. À l'aide d'un modèle démo-génétique à base d'agent et spatiallement explicite, j'ai simulé un réseau de populations interconnectées de saumon Atlantique basé sur la métapopulation de Bretagne. À travers plusieurs scénarios, j'ai exploré l'influence d'un gradient de taux de dispersion, de diverses structures génétiques spatiales, de la configuration spatiale des populations, et de strategies de gestion spatialisées sur les dynamiques démographiques (e.g., stabilité, persistance) et éco-évolutives (e.g., traits d'histoire de vie, diversité génétique) de populations locales interconnectées et exploitées. Cette thèse a mis en évidence une relation non-linéaire entre les taux de dispersion et la stabilité de la métapopulation, avec un effect portfolio optimal pour des taux de dispersion autour de 20% pour un réseau homogène. À l'échelle des populations locales, j'ai démontré des changements phénotypiques induits par des effets densité-dépendants modulés par la dispersion, ainsi qu'une augmentation de la diversité génétique au sein des populations. Les simulations ont également montré que l'adaptation des populations locales était favorisée par la dispersion entre des populations initialement diversifiées, confortant ainsi la théorie des réseaux d'adaptation. Cependant, la configuration spatiale des populations a également joué un rôle important sur leurs trajectoires évolutives en modulant les patrons de dispersion. Enfin, cette thèse a illustré un léger avantage pour une stratégie de gestion protégeant les populations sources de l'exploitation, en particulier pour des taux de dispersion élevés. Des conséquences évolutives contrastées et complexes ont également emergé des différentes stratégies de gestion en interaction avec la dispersion. Je conclus de cette thèse qu'il est essentiel de tenir compte des interactions complexes entre la dispersion, les processus éco-évolutifs et la structure spatiale des populations pour mieux comprendre et gérer la réponse du saumon Atlantique aux changements environnementaux et aux pressions anthropiques. Cette thèse encourage également les connaissances empiriques sur les taux de dispersion et la structure des métapopulations de cette espèce, et plaide pour des actions de conservation selon l'approche portfolio et de réseau d'adaptation, en protégeant la connectivité et la biocomplexité. Ma thèse ouvre de nouvelle perspectives de travail et illustre le potentiel de notre approche de modélisation comme outil de prospective pour la recherche théorique et appliquée sur les métapopulations.