Luis-Miguel Chevin, Ophélie Ronce, Hendrik Davi, Thomas Caignard, Bertrand Teuf, Bérangère Leys, Julie Gauzere, Isabelle Chuine, Sylvain Delzon, Centre d’Ecologie Fonctionnelle et Evolutive (CEFE), Université Paul-Valéry - Montpellier 3 (UPVM)-École Pratique des Hautes Études (EPHE), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro - Montpellier SupAgro, Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro), Institut des Sciences de l'Evolution de Montpellier (UMR ISEM), Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-École Pratique des Hautes Études (EPHE), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Montpellier (UM)-Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR226-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institute of Evolutionary Biology [Edinburgh], School of Biological Sciences [Edinburgh], University of Edinburgh-University of Edinburgh, Ecologie des Forêts Méditerranéennes (URFM), Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), Biodiversité, Gènes & Communautés (BioGeCo), Université de Bordeaux (UB)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), University of British Columbia (UBC), ANR-13-ADAP-0006,MeCC,Mécanismes de l'adaptation au Changement Climatique: comment plasticité phénotypique, micro-évolution et migration affecteront-elles la phénologie des arbres forestiers ?(2013), Université Paul-Valéry - Montpellier 3 (UPVM)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-École pratique des hautes études (EPHE), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD [France-Sud])-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), École pratique des hautes études (EPHE), and Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Montpellier (UM)-Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement (Cirad)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR226
Many theoretical models predict when genetic evolution and phenotypic plasticity allow adaptation to changing environmental conditions. These models generally assume stabilizing selection around some optimal phenotype. We however often ignore how optimal phenotypes change with the environment, which limit our understanding of the adaptive value of phenotypic plasticity. Here, we propose an approach based on our knowledge of the causal relationships between climate, adaptive traits, and fitness to further these questions. This approach relies on a sensitivity analysis of the process-based model Phenofit, which mathematically formalizes these causal relationships, to predict fitness landscapes and optimal budburst dates along elevation gradients in three major European tree species. Variation in the overall shape of the fitness landscape and resulting directional selection gradients were found to be mainly driven by temperature variation. The optimal budburst date was delayed with elevation, while the range of dates allowing high fitness narrowed and the maximal fitness at the optimum decreased. We also found that the plasticity of the budburst date should allow tracking the spatial variation in the optimal date, but with variable mismatch depending on the species, ranging from negligible mismatch in fir, moderate in beech, to large in oak. Phenotypic plasticity would therefore be more adaptive in fir and beech than in oak. In all species, we predicted stronger directional selection for earlier budburst date at higher elevation. The weak selection on budburst date in fir should result in the evolution of negligible genetic divergence, while beech and oak would evolve counter-gradient variation, where genetic and environmental effects are in opposite directions. Our study suggests that theoretical models should consider how whole fitness landscapes change with the environment. The approach introduced here has the potential to be developed for other traits and species to explore how populations will adapt to climate change.