Neuchatel, Switzerland
March 15, 2012
Most invasive plants colonize regions with climates similar to the one from their native areas. This is the main conclusion of a study carried out within the framework of the National Centre of Competence in Research (NCCR) Plant Survival by a research group at the University of Lausanne (UNIL) in collaboration with researchers at the ETH Zurich and the University of Hawaii (USA). This work has been published today in the prestigious American journal Science. With the analysis of fifty invasive plant species introduced worldwide, this study confirms that it is possible, for the most part, to predict the regions of potential invasibility based on the principle of climatic niche conservation.
With the rise of European explorers and their discoveries of new geographic territories, five centuries ago, plant and animal species were moved by humans, accidentally or voluntarily, to places where they never existed before. Some species proliferated at the expense of local ones, menacing not only the equilibrium of the invaded ecosystems, but also causing serious socio-economic problems such as loss of crop productivity or an increase in allergies among the human population. However, these species provide the unique opportunity to understand ecological and evolutionary mechanisms that enable them to develop efficiently and rapidly in new regions.
For several years, Antoine Guisan, a professor in the department of ecology and evolution at UNIL, and his group have been studying the link between climate and plants’ invasive potential within the framework of a project supported by the NCCR Plant Survival, a Swiss research network based at the University of Neuchâtel. “This study offers the strongest empirical evidence to date that climate is a determining factor in the geographic distribution of invasive plants”, states Antoine Guisan.
Blaise Petitpierre, Olivier Broennimann and Christophe Randin, all members of his research group at UNIL, focus their interest on the climatic niche, which defines all the environmental conditions suitable to a species. They want to know whether or not plants conserve their original climatic niche when they colonise new territories. As for the ecologists, they are trying to highlight the morphological, physiological or ecological differences between invasive and local species. This is the area of expertise of Christoph Kueffer at the ETH Zurich and Curtis Daehler at the University of Hawaii in Monoa.
“We show that invasive plants succeed in climates analogous to those in their native ranges”, add the authors of the article that appeared in the journal Science. Only seven of the fifty species that were studied do not follow this rule. The European native spotted knapweed (Centaurea stoebe), a model plant used for research at the NCCR Plant Survival, is part of those exceptions and shows a strong expansion of its niche in its introduced range in North America, especially in the Pacific North West. The reason for this expansion apart from native conditions is currently being studied by researchers at the University of Fribourg.
The authors of the article appearing in the journal Science have also shown that “invasive species, especially on the North American continent, have propagated themselves relatively quickly. One to two centuries was enough for them to occupy most of the climates that are suitable to them.”
These results also provide valuable indications on the consequences of climate changes for the preservation of plant biodiversity. In fact, if invasive plants, which are generally considered to be particularly efficient colonisers, prove to be unable to proliferate in different climate conditions than the ones in their native place, then it is likely that plant species faced with strong climate variations in their native area would be faced with extinction if they do not manage to adapt to less favourable climatic conditions or migrate to follow their suitable ones.
Plantes envahissantes: le climat, un facteur déterminant
La plupart des plantes envahissantes prolifèrent dans des régions dont le climat correspond à celui de leur aire d’origine. Telle est la principale conclusion d’une étude réalisée dans le cadre du Pôle de recherche national (NCCR) Survie des plantes par un groupe de l’Université de Lausanne (UNIL) en collaboration avec des chercheurs de l’ETH Zurich et de l’Université d’Hawaï (USA). Ce travail est publié aujourd’hui dans la prestigieuse revue américaine Science. Portant sur une cinquantaine d’espèces végétales introduites dans le monde entier, l’étude confirme qu’il est possible, pour la majorité d’entre elles, de prédire les régions potentielles d’invasion sur la base du principe de conservation de la niche climatique.
Dans le sillage des grands navigateurs européens partis il y a cinq siècles à la découverte nouveaux territoires, des espèces animales et végétales se sont trouvées déplacées, volontairement ou non, vers des contrées où elles n’existaient pas auparavant. Certaines ont alors proliféré au détriment des espèces locales, menaçant non seulement l’équilibre des écosystèmes envahis, mais aussi posant de graves problèmes socio-économiques tels que perte de productivité dans les cultures ou augmentation d’allergies dans les populations humaines. Toutefois, ces espèces représentent une occasion unique de comprendre les mécanismes écologiques et évolutifs qui leur permettent de se développer aussi efficacement et rapidement dans ces nouvelles contrées.
Depuis plusieurs années, le groupe d’Antoine Guisan, professeur au département d’écologie et d’évolution à l’UNIL, étudie le lien entre le climat et le potentiel d’invasion des plantes dans le cadre d’un projet soutenu par le NCCR Survie des plantes, un réseau de recherche suisse piloté depuis l’Université de Neuchâtel. « Cette étude constitue la preuve empirique la plus solide à ce jour démontrant que le climat est un facteur déterminant dans la distribution géographique des plantes envahissantes », souligne Antoine Guisan.
Au sein de son équipe à l’UNIL, Blaise Petitpierre, Olivier Broennimann et Christophe Randin s’intéressent à la notion de niche climatique, autrement dit à l’ensemble des conditions environnementales qui assurent le développement d’une espèce donnée. Il s’agit notamment de déterminer si les plantes conservent ou non leur niche climatique d’origine quand elles colonisent de nouveaux territoires. Les spécialistes en écologie cherchent de leur côté à mettre en évidence des différences morphologiques, physiologiques ou écologiques entre espèces envahissantes et la flore locale. C’est le domaine de compétences de Christoph Kueffer à l’ETH Zurich et de Curtis Daehler à l’Université de Hawaï à Manoa.
« Nous montrons que les plantes envahissantes conservent dans la plupart des cas cette niche climatique », poursuivent les auteurs de l’article paru dans Science. Seules sept espèces sur la cinquantaine passée en revue ne suivent pas cette règle. La centaurée maculée (Centaurea stoebe), une espèce modèle étudiée au sein du NCCR Survie des plantes, fait partie de ces exceptions et montre une forte expansion de sa niche dans l’aire envahie en Amérique du Nord, en particulier dans la région du Pacifique Nord-Ouest. La raison de cette expansion est actuellement étudiée par des chercheurs à l’Université de Fribourg.
Les auteurs de l’étude parue dans Science ont par ailleurs mis en évidence que « les plantes envahissantes, surtout sur le continent nord-américain, se sont propagées relativement rapidement. Un à deux siècles leur ont suffi pour occuper la plupart des climats qui leur conviennent. »
Ces résultats donnent aussi des indications précieuses sur les conséquences des changements climatiques pour la préservation de la biodiversité végétale. En effet, si les plantes envahissantes, généralement considérées comme des colonisateurs particulièrement efficaces, s’avèrent incapables de proliférer dans des conditions climatiques différentes de celles de leur région d’origine, il est probable que les espèces végétales qui subissent de fortes variations du climat dans leur aire native soient sérieusement menacées de disparition si elles n’arrivent pas à s’adapter à des conditions climatiques moins favorables ou à migrer pour retrouver un climat favorable.
Invasive Pflanzen: Das Klima ist ein entscheidender Faktor
Die meisten invasiven Pflanzen verbreiten sich in Regionen, deren Klima demjenigen ihres Herkunftsgebiets entspricht. Dies ist die wichtigste Schlussfolgerung einer Studie, die im Rahmen des nationalen Forschungsschwerpunkts (NCCR) Plant Survival in Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe der Universität Lausanne (UNIL) sowie Forschern der ETH Zürich und der Universität von Hawaii (USA) durchgeführt wurde. Diese Arbeit wird heute im renommierten amerikanischen Wissenschaftsmagazin Science publiziert. Die Studie berücksichtigt fünfzig auf der ganzen Welt eingeführte Pflanzenarten und bestätigt, dass es für die Mehrheit von ihnen möglich ist, die potenziellen Invasionsgebiete aufgrund der klimatischen Bedingungen im einheimischen Verteilungsgebiet vorauszusagen.
Im Kielwasser der europäischen Seefahrer, die vor rund fünfhundert Jahren aufbrachen, um neue Gebiete zu entdecken, wurden Pflanzen und Tiere gezielt oder auch unwissentlich in Gegenden verbracht, in denen sie zuvor nicht heimisch gewesen waren. Einige dieser gebietsfremden Arten haben sich in der Folge zum Nachteil der lokalen ansässigen Arten rasch vermehren können; sie bedrohen nicht nur das Gleichgewicht der neu in Besitz genommenen Ökosysteme, sondern verursachen auch grosse sozio-ökonomische Probleme wie beispielsweise den Rückgang der Produktivität von Kulturland oder die Zunahme von Allergien in der Bevölkerung. Gleichwohl bieten diese invasiven Arten eine einmalige Gelegenheit, um ein besseres Verständnis der ökologischen und evolutionären Mechanismen zu erlangen, die es ihnen ermöglichen, sich so effizient und schnell in neuen Gebieten auszubreiten.
Seit mehreren Jahren untersucht das Team von Antoine Guisan, Professor im Departement Ökologie und Evolution an der Universität Lausanne, den Zusammenhang zwischen Klima und dem Invasionspotential von Pflanzen im Rahmen eines Projekts, das vom NCCR Plant Survival unterstützt wird, ein von der Universität Neuenburg geleitetes schweizerisches Forschungsnetzwerk. «Diese Studie stellt den bis heute solidesten empirischen Beweis auf, dass das Klima ein entscheidender Faktor für die geographische Verbreitung von invasiven Pflanzen ist», betont Antoine Guisan.
Innerhalb dieser Forschergruppe der Universität Lausanne beschäftigen sich Blaise Petitpierre, Olivier Broennimann und Christophe Randin mit dem Konzept der klimatischen Nische, das heisst den Umweltbedingungen, bei welchen eine bestimmte Art vorkommen kann. Von Interesse ist insbesondere, ob Pflanzen, wenn sie neue Gebiete besiedeln, die klimatische Nische ihres Herkunftsorts beibehalten oder nicht. Die Spezialisten für Ökologie versuchen ihrerseits, die morphologischen, physiologischen und ökologischen Unterschiede zwischen invasiven Pflanzen und der lokalen Flora zu verstehen. Dies ist der Kompetenzbereich von Christoph Kueffer an der ETH Zürich und von Curtis Daehler an der Universität von Hawaii in Manoa.
«Wir konnten aufzeigen, dass invasive Pflanzen ihre klimatische Nische in den meisten Fällen beibehalten», fahren die Autoren des im Wissenschaftsmagazin Science erschienen Artikels fort. Nur sieben von fünfzig untersuchten Arten folgen dieser Regel nicht. Die Rispen-Flockenblume (Centaurea stoebe), eine innerhalb des NCCR Plant Survival untersuchte Modellpflanze, zählt zu diesen Ausnahmen. Sie wurde im Invasionsgebiet in Nordamerika in Klimazonen vorgefunden, in welchen sie in Europa nicht wächst. Der Grund für diese Änderung der klimatischen Nische wird zurzeit von Wissenschaftlern an der Universität Freiburg untersucht.
Die Autoren der in Science erschienen Studie haben ausserdem nachgewiesen, dass «invasive Pflanzen sich relativ schnell ausgebreitet haben, vor allem auf dem nordamerikanischen Kontinent. In nur ein- bis zweihundert Jahren konnten sie die meisten Klimabereiche besiedeln, die ihnen zusagen.»
Diese Resulate liefern auch wertvolle Hinweise bezüglich der Auswirkungen von Klimaveränderungen auf die Erhaltung der pflanzlichen Artenvielfalt. Wenn nämlich invasive Pflanzen, welche, was die Besiedelung von neuen Gebieten betrifft, im Allgemeinen als besonders effizient gelten, sich nicht in anderen Klimabedingungen als denjenigen ihres Herkunftsortes verbreiten können, ist es wahrscheinlich, dass auch weniger kompetitive Pflanzenarten sich nicht schnell an neue Klimabedingungen anpassen können. Diese Arten sind aufgrund des zu erwartenden Klimawandels
ernsthaft vom Aussterben bedroht sind, wenn es ihnen nicht gelingt, in für sie günstige Klimabereiche zu migrieren.
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