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Multiscale variability of Sterechinus neumayeri along the Western Antarctic Peninsula: from feeding ecology to genetic connectivity

par Bayat, Manon
Président du jury Van De Putte, Anton
Promoteur Danis, Bruno
Co-Promoteur George, Isabelle
Publication Non publié, 2026-09-09

Thèse de doctorat

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Résumé :

The Western Antarctic Peninsula (WAP) is among the regions most strongly affected by ongoing climate change, with rapid modifications of the cryosphere, including changes in sea-ice dynamics, glacier retreat and increasing meltwater inputs. These changes are reshaping local environmental conditions and are expected to strongly affect coastal ecosystems, particularly benthic communities that are tightly linked to sea-ice dynamics, seasonal productivity, and local habitat conditions. In this context, improving our understanding of Antarctic endemic species is essential, as characterizing their present-day ecological variability represents a necessary step toward evaluating their resilience, acclimation potential and possible adaptive responses in a rapidly changing Southern Ocean. This thesis focused on Sterechinus neumayeri, an abundant and endemic Antarctic sea urchin that plays a central role in benthic food webs. The main objective was to investigate the feeding ecology and population connectivity of this species along the WAP as two key ecological dimensions of its biology. These processes were examined through a hierarchical multi-spatial scale approach, based on individuals collected across 13 sites distributed among six locations and two broader regions. Feeding ecology was investigated in Chapters 2 and 3 through the combined analysis of dietary patterns and digestive microbial communities. The results revealed inconsistent dietary patterns across temporal scales, as well as marked variability in dietary composition and trophic specialization across spatial scales, with strong variability among individuals. Food pellet microbiota were highly diverse, with most variability also occurring among individuals. Their composition was primarily influenced by diet and largely derived from sediment-associated bacterial communities. In contrast, gut tissue harbored a distinct and much less diverse microbiota, largely dominated by Candidatus Hepatoplasma. Together, these findings suggest that variability in both resource use and food pellet-associated microbial composition may contribute to the feeding flexibility of S. neumayeri along the WAP, while the stability of gut tissue microbiota may reflect a more conserved host-associated microbial community. Chapter 4 examined genetic diversity, population structure and connectivity across the WAP. The findings supported broad-scale genetic connectivity, with no significant spatial genetic structuring, but revealed subtle yet significant genetic differentiation at finer spatial scales. This indicates that broad-scale connectivity can coexist with subtle fine-scale genetic differentiation in broadcast spawners, likely reflecting the interplay of multiple ecological and oceanographic processes across spatial scales. Overall, this thesis shows that S. neumayeri exhibits high ecological flexibility and broad genetic connectivity along the WAP, while also displaying pronounced variability at finer spatial and organizational scales. Across chapters, local and individual-level variability emerged as essential for interpreting ecological patterns that would have been partly masked by broad-scale analyses alone. Both the trophic flexibility and high genetic connectivity identified here may have implications for the species' capacity to cope with local environmental heterogeneity, offering a first basis for future assessments of its acclimation and adaptation potential in a changing WAP. More broadly, these findings emphasize the importance of multi-scale approaches, from locations to sites and individuals, to better understand the ecology of Antarctic benthic species and to assess their potential responses to environmental change.

La Péninsule Antarctique Occidentale (PAO) est l’une des régions les plus affectées par le changement climatique, avec des modifications rapides de la cryosphère, notamment de l’étendue et de la dynamique de la banquise, ainsi que le recul des glaciers. Ces changements modifient profondément les conditions environnementales locales et sont susceptibles d’avoir des répercussions majeures sur la structure et le fonctionnement des communautés benthiques. Caractériser la variabilité écologique actuelle des espèces endémiques antarctiques constitue donc une première étape clé, nécessaire pour évaluer plus finement leur résilience et leurs réponses potentielles face aux changements climatiques. Cette thèse s’est concentrée sur Sterechinus neumayeri, un oursin antarctique abondant et endémique jouant un rôle central dans les réseaux trophiques antarctiques. L’objectif était d’étudier son écologie alimentaire et sa connectivité génétique le long de la PAO, grâce à une approche spatiale multi-échelles fondée sur 13 sites répartis entre six localités et deux régions. L’étude de l’écologie alimentaire (Chapitres 2 et 3) a mis en évidence une variabilité temporelle de la spécialisation trophique, ainsi qu’une variabilité spatiale et individuelle de l’utilisation des ressources et du microbiote associé aux pelotes alimentaires. Ce dernier était très diversifié, principalement structuré à l’échelle individuelle, influencé par le régime alimentaire et les sources bactériennes sédimentaires. À l’inverse, le microbiote intestinal était distinct et largement dominé par Candidatus Hepatoplasma. Ces résultats suggèrent que la variabilité conjointe du régime alimentaire et du microbiote des pelotes alimentaires pourrait contribuer à la flexibilité alimentaire de S. neumayeri. L’étude génétique (Chapitre 4) a mis en évidence une connectivité à large échelle le long de la PAO, sans structure spatiale significative. Une différenciation génétique faible mais significative a toutefois été détectée à des échelles spatiales plus fines. Ces résultats montrent qu’une connectivité à large échelle peut coexister avec une structure génétique subtile, soulignant l’importance d’intégrer de fines échelles spatiales chez les espèces benthiques à fécondation externe. Dans l’ensemble, cette thèse met en évidence une flexibilité écologique et une connectivité génétique chez S. neumayeri le long de la PAO, tout en soulignant le rôle majeur des échelles locales et individuelles dans l’expression de la variabilité écologique. Ces résultats soulignent l’importance des approches multi-échelles pour mieux comprendre les réponses des espèces benthiques antarctiques aux changements environnementaux.