Due to climate change, the ranges of many North American tree species are expected to shift northward. Sugar maple (Acer saccharum Marshall) reaches its northern continuous distributional limit in northeastern North America at the transition between boreal mixed-wood and temperate deciduous forests. We hypothesized that marginal fragmented northern populations from the boreal mixed wood would have a distinct pattern of genetic structure and diversity. We analyzed variation at 18 microsatellite loci from 23 populations distributed along three latitudinal transects (west, central, and east) that encompass the continuous–discontinuous species range. Each transect was divided into two zones, continuous (temperate deciduous) and discontinuous (boreal mixed wood), based on sugar maple stand abundance. Respective positive and negative relationships were found between the distance of each population to the northern limit (D_north), and allelic richness (AR) and population differentiation (FST). These relations were tested for each transect separately; the pattern (discontinuous–continuous) remained significant only for the western transect. structure analysis revealed the presence of four clusters. The most northern populations of each transect were assigned to a distinct group. Asymmetrical gene flow occurred from the southern into the four northernmost populations. Southern populations in Québec may have originated from two different postglacial migration routes. No evidence was found to validate the hypothesis that northern populations were remnants of a larger population that had migrated further north of the species range after the retreat of the ice sheet. The northernmost sugar maple populations possibly originated from long-distance dispersal.

Selection cutting is a treatment that emulates tree-by-tree replacement for forests with uneven-age structures. It creates small openings in large areas and often generates a more homogenous forest structure (fewer large leaving trees and defective trees) that differs from old-growth forest. In this study, we evaluated whether this type of harvesting has an impact on genetic diversity of sugar maple (Acer saccharum Marshall). Genetic diversity among seedlings, saplings, and mature trees was compared between selection cut and old-growth forest stands in Québec, Canada. We found higher observed heterozygosity and a lower inbreeding coefficient in mature trees than in younger regeneration cohorts of both forest types. We detected a recent bottleneck in all stands undergoing selection cutting. Other genetic indices of diversity (allelic richness, observed and expected heterozygosity, and rare alleles) were similar between forest types. We concluded that the effect of selection cutting on the genetic diversity of sugar maple was recent and no evidence of genetic erosion was detectable in Québec stands after one harvest. However, the cumulative effect of recurring applications of selection cutting in bottlenecked stands could lead to fixation of deleterious alleles, and this highlights the need for adopting better forest management practices.

Cette thèse visait à mieux comprendre la dynamique de répartition de l'érable à sucre (Acer saccharum Marshall) à sa limite nordique au Québec en évaluant la capacité reproductrice et la structure génétique des populations. L'érable à sucre atteint sa limite de répartition continue nordique dans le nord-est du Canada à la transition entre la forêt feuillue tempérée et la forêt boréale mixte. Nous avons étudié : (1) le potentiel de régénération et la diversité génétique des populations naturelles fragmentées situées à la limite nordique discontinue de répartition de l'érable à sucre et (2) la structure génétique des peuplements affectés par une perturbation de type anthropique, la coupe de jardinage.

Le territoire d'étude était localisé entre 45 ° 51 '–48° 59' N et 70 ° 21'–79 ° 27 'O et a été divisé en deux zones, continue et discontinue, sur la base de l'abondance des peuplements d'érable à sucre dans chacune des zones. La zone continue se situait dans le domaine bioclimatique de l'érablière à bouleau jaune et la zone discontinue se trouve dans les domaines bioclimatiques de la sapinière à bouleau jaune et de la sapinière à bouleau blanc. Vingt-quatre sites répartis le long de trois transects latitudinaux (situés dans l'ouest, le centre et l'est du Québec) ont été utilisés. Nous avons examiné la capacité reproductrice, et la diversité et structure génétique de ces populations. En ce qui a trait à la capacité reproductrice, nous avons analysé la structure d'âge des peuplements, la production et la germination des graines d'érable à sucre, de même que la densité et la structure d'âge des plantules. Les analyses génétiques ont été réalisées avec des marqueurs microsatellites développés spécifiquement pour cette espèce. Elles ont été réalisées sur 2 cohortes : jeunes arbres et arbres matures. L'impact de la coupe de jardinage sur la structure génétique des peuplements d'érable à sucre a été analysé dans trois paires de peuplements situés dans la zone de répartition continue du transect central. Chaque paire était composée d'une forêt ancienne et d'un peuplement coupé en 1990–1991. Nous avons comparé la diversité génétique de ces peuplements pour trois cohortes : plantules, jeunes arbres et arbres matures.

Les résultats ont montré que (1) la régénération de l'érable à sucre est bonne dans tous les sites étudiés et (2) que cette espèce possède une grande diversité génétique et une faible différenciation entre les populations, sur l'ensemble du Québec. Les peuplements d'érable à sucre avaient une structure d'âge inéquienne dans les zones continue et discontinue. Toutefois, nous avons observé moins de samares pleines et de plantules dans la zone discontinue par rapport à la zone continue sur le transect ouest. La limite nordique de l'érable à sucre est influencée en partie par le climat (années semencières et densité de plantules). La différence entre les zones se retrouvait aussi au niveau génétique. Ainsi, la diversité génétique était inférieure et la différenciation entre les populations était plus importante dans la zone discontinue par rapport à la zone continue sur l'ensemble du Québec et, plus particulièrement, sur le transect ouest (en Abitibi-Témiscamingue). Nous n'avons pas détecté de différences significatives d'un point de vue génétique entre les deux cohortes. Nous avons observé un motif de structure génétique particulier chez l'érable à sucre au Québec : les populations les plus nordiques formaient un groupe distinct et l'on a observé un flux génique plus important des populations du sud vers celles de nord. Les données génétiques et palynologiques indiquent que l'érable à sucre serait arrivé au Québec par deux voies migratoires, l'une en provenance de l'est et plus tardivement une seconde provenant du sud-ouest de la province. L'étude de la coupe de jardinage nous a révélé une différence significative entre les cohortes d'érable à sucre pour tous les types de peuplements : les arbres matures possédaient un taux d'hétérozygotie observée plus élevé comparativement aux jeunes arbres et aux plantules. Ceci pourrait indiquer une sélection naturelle en faveur des hétérozygotes dans le temps. La coupe de jardinage n'a pas eu d'effet important sur la structure génétique des peuplements. Toutefois on a détecté la présence d'un goulot d'étranglement dans tous les peuplements jardinés. Ceci pourrait refléter la perte de certains allèles à la suite du prélèvement d'une partie des arbres matures.

Dans un contexte de réchauffement climatique, il ressort clairement de cette étude que les populations nordiques d'érable à sucre au Québec ont le potentiel d'être à l'origine de l'expansion de cette espèce au nord de sa limite de répartition discontinue. Toutefois, avec leur patron distinct (capacité reproductrice et diversité génétique plus faibles), les populations au nord-ouest du Québec mériteraient une attention particulière. La détection d'un goulot d'étranglement dans les peuplements jardinés demanderait un suivi à plus long terme afin d'éviter une certaine érosion génétique suite à des coupes successives.

Aim

Several models have predicted that, with climate change, Northern Hemisphere species will migrate northwards from their present distribution ranges. Sugar maple (Acer saccharum Marshall) reaches its northern continuous distributional limit in north-eastern North America at the transition between boreal mixed-wood and temperate deciduous forest. Our objective was to determine whether lower sugar maple recruitment potential accounts for this gradual transition between the continuous and discontinuous zones of the distribution.

Location

The northern limit of sugar maple in eastern Canada.

Methods

We analysed the reproductive capacity of sugar maple populations along three latitudinal transects (located in the west, centre and east of Québec) in 24 sites located between 45°51′–48°59′ N and 70°21′–79°27′ W. The study area was divided into two zones, continuous and discontinuous, based on sugar maple stand abundance. We examined stand structure, sugar maple seed abundance and germination, and sugar maple seedling density and age structure.

Results

Sugar maple regeneration was uneven-aged and similar between continuous (south) and discontinuous (north) zones. For the western transect, more filled seeds and more seedlings were recorded in the continuous zone than in the discontinuous zone. Sugar maple seedling density was positively influenced by (1) basal area of mature sugar maple and saplings of all species, and (2) July mean temperature and precipitation. Four mast seed years were identified that were well synchronized across all sites; mast seeding covaried significantly with July mean temperature and July mean precipitation of the previous year.

Main conclusions

Our study clearly demonstrated an effect of climatic variables and stand characteristics on sugar maple regeneration. However, these factors did not explain the transition from a continuous to a discontinuous distribution for this species. Most of our northern sites exhibited constant sugar maple recruitment over time. These results highlight the importance of including non-climatic factors in models predicting species change in abundance.

Aim

Several models have predicted that, with climate change, Northern Hemisphere species will migrate northwards from their present distribution ranges. Sugar maple (Acer saccharum Marshall) reaches its northern continuous distributional limit in north-eastern North America at the transition between boreal mixed-wood and temperate deciduous forest. Our objective was to determine whether lower sugar maple recruitment potential accounts for this gradual transition between the continuous and discontinuous zones of the distribution.

Location

The northern limit of sugar maple in eastern Canada.

Methods

We analysed the reproductive capacity of sugar maple populations along three latitudinal transects (located in the west, centre and east of Québec) in 24 sites located between 45°51–48°59 N and 70°21–79°27 W. The study area was divided into two zones, continuous and discontinuous, based on sugar maple stand abundance. We examined stand structure, sugar maple seed abundance and germination, and sugar maple seedling density and age structure.

Results

Sugar maple regeneration was uneven-aged and similar between continuous (south) and discontinuous (north) zones. For the western transect, more filled seeds and more seedlings were recorded in the continuous zone than in the discontinuous zone. Sugar maple seedling density was positively influenced by (1) basal area of mature sugar maple and saplings of all species, and (2) July mean temperature and precipitation. Four mast seed years were identified that were well synchronized across all sites; mast seeding covaried significantly with July mean temperature and July mean precipitation of the previous year.

Main conclusions

Our study clearly demonstrated an effect of climatic variables and stand characteristics on sugar maple regeneration. However, these factors did not explain the transition from a continuous to a discontinuous distribution for this species. Most of our northern sites exhibited constant sugar maple recruitment over time. These results highlight the importance of including non-climatic factors in models predicting species change in abundance.