DISS. ETH NO. 23765 Evolutionary ecology of the alpine mayfly Baetis alpinus (Ephemeroptera): new perspectives from cryptic lineages A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH Zurich (Dr. sc. ETH Zurich) presented by Marie Leys M.Sc. in Ecologie, Gestion et Evolution de la Biodiversité, Université de Lille Born on 23.02.1988 Citizen of France accepted on the recommendation of PD Dr. Christopher T. Robinson Prof. Dr. Jukka Jokela PD Dr. Steffen Pauls 2016 Abstract Many species consist of evolutionarily distinct lineages that show substantial genetic differentiation, yet are difficult to distinguish by morphology alone. Known as cryptic species, such entities have been identified repeatedly in diverse taxonomic groups and ecosystems. As cryptic species may have evolved differences in various aspects of their biology despite apparent morphological similarity, lack of acknowledging such differences may lead to erroneous inferences in many fields of biological research and to inadequate conservation measures. The aim of this study was to test for cryptic genetic diversity and investigate putative ecological and evolutionary differences between cryptic lineages of a common and widespread alpine mayfly Baetis alpinus (Pictet). Using population genetic approaches, life history analyses and replicated field surveys at multiple spatial and temporal scales, three lines of evidence indicate ecological and genetic divergence among cryptic lineages. First, Bayesian clustering and multivariate analyses of nuclear microsatellite loci and phylogenetic analyses of mitochondrial DNA across several major European drainages in the central Alps confirmed the presence of two genetically highly differentiated lineages (named A and B henceforth). Both lineages were found across the whole study area, but differed in their relative frequency (lineage B being less abundant and mainly restricted to high elevations) and, importantly, frequently occurred in sympatry. These lineages also harboured different amounts of neutral genetic diversity and differed subtly in morphological characteristics that were previously noted as intraspecific variation. Second, a study on the lineage distribution and larval cohort structure in two glacierized basins indicated strong life history divergence (i.e., variation in voltinism) and partial temporal segregation between lineages. Specifically, lineage A is a widely distributed 'generalist' with bivoltine to multivoltine life cycles, whereas lineage B is a univoltine 'specialist' with narrower geographic distribution, summer cohorts and embryonic overwintering. Finally, comparisons of oviposition patterns between the two lineages corroborated distinct reproductive periods, and further indicated different preferences for egg-laying sites but no differences in fecundity (number of eggs per clutch). Together, these between-lineage biological differences highlight the importance of considering cryptic species for assessments of biodiversity and the risk of species loss in the face of global change. Specifically, taxa that appear widespread at the morphospecies level may in fact comprise 'specialists', such as lineage B of B. alpinus, with an increased extinction risk in the face of high altitude habitat alteration and global warming. 4 Résumé De nombreuses espèces comprennent des lignées évolutives distinctes montrant une différenciation génétique considérable, malgré des traits morphologiques très similaires. Désignées sous le nom d'espèces cryptiques, ces entités ont été identifiées à plusieurs reprises dans divers groupes taxonomiques et écosystèmes. Etant donné que les espèces cryptiques peuvent avoir acquis des différences dans divers aspects de leur biologie malgré une morphologie semblable, occulter ces différences peuvent conduire à des conclusions erronées dans de nombreux domaines de la recherche en biologie ainsi que à des mesures de conservation inappropriées. L'objet de ce travail était de tester la présence de divergence génétique cryptique et d'évaluer les différences écologiques et évolutives potentielles entre les lignées cryptiques d'une espèce d'éphémère alpine, abondante et très répandue, Baetis alpinus (Pictet). En mêlant des approches de génétique des populations, des analyses de traits d'histoire de vie ainsi que des études de terrain à de multiples échelles spatiales et temporelles, trois éléments corroborent une divergence écologique et génétique entre lignées. Tout d'abord, des analyses de regroupement Bayésien et analyses multivariées fondées sur la variabilité génétique à des marqueurs microsatellites nucléaires, ainsi que des analyses phylogénétiques de l'ADN mitochondrial mettent en évidence la présence de deux lignées génétiquement très distinctes dans plusieurs bassins versants Européens des Alpes centrales (appelées dorénavant A et B). Ces deux lignées, souvent en sympatrie, sont réparties sur l'ensemble de la zone d'étude mais leurs fréquences relatives diffèrent (la lignée B étant moins abondante et principalement cantonnée à des zones de hautes altitudes). Ces lignées montrent également des niveaux de diversité génétique neutre différents et leurs traits morphologiques varient subtilement – des différences précédemment considérées comme de la variation intra-spécifique. Deuxièmement, la distribution des lignées et la structure des cohortes larvaires au sein de deux bassins glaciaires indiquent une forte divergence de leurs traits d’histoires de vie (i.e., voltinisme) ainsi qu’une ségrégation temporelle partielle des lignées. Plus particulièrement, la lignée A s'apparente à une espèce 'généraliste' largement distribuée et caractérisée par un cycle de vie bivoltin à multivoltin tandis que la lignée B s'apparente, elle, à une espèce 'spécialiste' univoltine caractérisée par une distribution spatiale restreinte, des cohortes d'été et une hivernation sous forme embryonnaire. Enfin, les patrons de distribution de pontes des deux lignées ont confirmé des périodes de reproduction distinctes, et par ailleurs, ont indiqué des préférences de site, mais pas de variation de la fécondité entre lignées (nombre d'œufs par ponte). Dans l'ensemble, les différences biologiques de ces lignées évolutives mettent en évidence l'importance de la reconnaissance des espèces cryptiques dans l'évaluation de la biodiversité et le risque de perte d'espèces face aux changements globaux. En particulier, les morpho-espèces largement répandues peuvent en réalité comprendre des 'espèces' 'spécialistes', telles que la lignée B de B. alpinus encourant un 5 risque d'extinction accru, face, à la fois, à une altération croissante de l'habitat et au réchauffement climatique qui touchent les zones de hautes altitudes. 6