Au cours de la dernière période glaciaire, qui a culminé vers 21, il y a 500 ans, les glaciers couvraient une grande partie de l'Amérique du Nord, compris toute la région des Grands Lacs. Une fois la glace retirée, la terre a été progressivement repeuplée par des arbres qui ont finalement formé des forêts denses.

Mais quelle était la source des arbres qui ont effectué cette vaste recolonisation postglaciaire ? L'identification de l'emplacement exact de ces soi-disant refuges glaciaires – les endroits où les ancêtres des espèces forestières d'aujourd'hui ont survécu à la dernière période glaciaire – s'est avérée difficile et fait l'objet d'un débat permanent parmi les biologistes.

Maintenant, Des chercheurs de l'Université du Michigan rapportent avoir utilisé une technique génétique récemment développée pour estimer la longitude et la latitude précises des refuges de l'ère glaciaire pour deux espèces de caryer largement réparties, le butternut et le shagbark.

Leurs résultats soutiennent l'idée controversée que certains arbres ont probablement survécu beaucoup plus au nord et plus près de la calotte glaciaire qu'on ne le croit généralement. La publication de l'étude est prévue la semaine du 8 avril dans Actes de l'Académie nationale des sciences .

Les chercheurs ont recherché les signatures des migrations géographiques passées dans l'ADN des arbres. Leurs résultats pour le caryer amer appuient l'idée de microrefuge nordique, endroits où les conditions climatiques locales peuvent avoir permis la persistance de populations d'arbres isolées dans une région au climat généralement inhospitalier.

"L'opinion traditionnelle est que ces espèces d'arbres n'ont survécu que dans des refuges plus grands situés plus au sud, où le climat régional était beaucoup plus chaud, " a déclaré Jordan Bemmels, premier auteur de la PNAS papier.

"Nos résultats pour le caryer amer fournissent certaines des preuves les plus solides à ce jour que les microrefuges nordiques existaient et étaient importants pour la survie de certaines espèces d'arbres tempérées tout au long de la période glaciaire, " dit Bemmels, qui a mené l'étude pour sa thèse de doctorat au département d'écologie et de biologie évolutive de l'UM.

L'emplacement présumé du microrefuge du nord est près du confluent des rivières Mississippi et Ohio, dans une région qui comprend aujourd'hui l'Illinois le plus au sud, le sud-est du Missouri, nord-est de l'Arkansas et l'extrême ouest du Kentucky.

Comme ça arrive, cet endroit n'est qu'à 160 miles d'un site dans le sud-ouest du Tennessee, près de Memphis, où de rares restes préservés de caryers de l'ère glaciaire ont été trouvés il y a des décennies.

Bemmels est maintenant associé de recherche postdoctoral à l'Université de Géorgie. Ses co-auteurs sur le PNAS sont Christopher Dick et Lacey Knowles du département d'écologie et de biologie évolutive de l'UM.

L'identification des emplacements des refuges glaciaires est importante pour les biologistes pour plusieurs raisons. En plus de les aider à comprendre l'histoire de base de la forêt, l'information leur permet d'établir une base de référence qui montre à quelle vitesse et à quelle distance les espèces d'arbres sont capables de migrer en réponse au changement climatique.

Aussi, localiser les refuges aide les biologistes à identifier les populations d'arbres qui peuvent être génétiquement uniques et importantes pour les efforts de conservation. Les populations d'arbres du nord qui ont été récemment recolonisées sont souvent considérées comme sans importance pour la conservation de la diversité génétique et la survie à long terme des espèces par rapport aux populations du sud qui sont considérées comme des réservoirs de diversité génétique unique.

Mais Bemmels et ses collègues concluent que "les preuves croissantes de l'expansion des microrefuges du nord suggèrent que la sagesse conventionnelle sur la gestion de la diversité génétique pourrait devoir être révisée".

De nombreuses régions refuges ont été proposées dans l'est de l'Amérique du Nord, y compris la côte du golfe, les plaines côtières de l'Atlantique, la vallée du bas Mississippi, les Appalaches du Sud, la péninsule de Floride et le centre du Texas.

Divers outils de recherche ont été appliqués au problème au fil des ans, mais tous ont des limites. Les modèles basés sur le climat n'identifient que de vastes zones d'habitat potentiel, et les études traditionnelles de la distribution géographique des lignées généalogiques offrent une mauvaise résolution spatiale. Les registres de pollen fossile fournissent quelques indices sur les emplacements des refuges, mais ces enregistrements sont incomplets pour la majeure partie de l'est de l'Amérique du Nord au moment de la dernière période glaciaire et ont été difficiles à interpréter.

Dans l'étude actuelle, Bemmels et ses collègues ont exploité les signaux d'expansion de l'aire de répartition à partir de grands ensembles de données génomiques, en utilisant un cadre basé sur la simulation pour déduire la latitude et la longitude précises des refuges glaciaires nord-américains pour deux espèces de caryer.

La technique qu'ils ont appliquée, un pipeline d'analyse de données appelé X-Origin, a été développé dans le laboratoire du co-auteur Lacey Knowles à l'Université du Michigan. Il a été utilisé à l'origine pour étudier l'expansion des populations de pika en Alaska, mais a de larges applications pour comprendre la géographie de l'expansion de l'aire de répartition des espèces terrestres.

Les chercheurs ont examiné plus de 1, 000 marqueurs génétiques répartis dans les génomes des caryers amer et shagbark, à partir des ensembles de données générés par Bemmels pour une autre section de sa thèse de doctorat. Le matériel génétique a été collecté sur environ 150 individus de chaque espèce, dans toute l'aire de répartition des deux espèces.

La direction et la distance à laquelle les arbres ont migré depuis leur population source initiale ont laissé des motifs distinctifs dans leur ADN, des empreintes qui pouvaient être retracées jusqu'à la source géographique.

Les chercheurs ont utilisé une technique de simulation informatique pour modéliser l'expansion de l'aire de répartition à partir de différents refuges et pour produire des attentes pour les modèles génétiques qui découleraient probablement de ces différentes "origines d'expansion".

Ensuite, ils ont comparé les modèles génétiques simulés aux modèles génétiques réels extraits de l'ADN de l'arbre à caryer pour identifier les scénarios les plus probables. En répétant le processus des millions de fois, ils ont pu estimer statistiquement la latitude et la longitude où les ancêtres des populations modernes ont survécu à la dernière période glaciaire, ce qui n'avait pas été fait auparavant pour les arbres tempérés.

L'emplacement inféré du refuge glaciaire pour les autres espèces étudiées, caryer shagbark, se trouve dans la plaine côtière orientale du golfe et comprend la majeure partie de l'Alabama, Mississippi et sud-est de la Louisiane. Cet emplacement correspond à des propositions plus traditionnelles d'un refuge méridional.

« La capacité d'extraire des détails des données génomiques des populations sur l'endroit où les espèces se sont réfugiées lorsque les conditions climatiques changeantes ont entraîné des changements dans leur distribution signifie que la boîte à outils du chercheur dispose désormais d'un moyen puissant d'identifier les coordonnées géographiques de ces refuges dans n'importe quelle espèce, " a déclaré Knowles.

Le co-auteur Dick a ajouté :« Bien que le refuge nordique présumé dans la vallée du Mississippi ait été généralement dur et inhospitalier pendant la période glaciaire, il y avait probablement des conditions plus douces près des lacs d'eau de fonte glaciaire - connus sous le nom de microclimats - dans lesquels certaines espèces d'arbres tempérés pouvaient persister. »

Les PNAS l'article est intitulé « Preuve génomique de la survie près des marges de la calotte glaciaire pour certains, mais pas tout, Arbres d'Amérique du Nord."