Reconstructing Terrestrial Paleoclimate and Paleoecology with Fossil Leaves Using Digital Leaf Physiognomy and Leaf Mass Per Area

Alexander J. Lowe; Andrew G. Flynn; Matthew J. Butrim; Aly Baumgartner; Dana L. Royer; Daniel  J. Peppe

doi:10.3791/66838

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Environment

Reconstruire le paléoclimat et la paléoécologie terrestres à l’aide de feuilles fossiles à l’aide de la physionomie numérique des feuilles et de la masse foliaire par surface

Published: October 25, 2024

doi:

10.3791/66838

Alexander J. Lowe¹, Andrew G. Flynn², Matthew J. Butrim³, Aly Baumgartner⁴, Dana L. Royer⁵, Daniel J. Peppe⁶

¹Department of Biology,University of Washington, ²Department of Paleobiology, National Museum of Natural History,Smithsonian Institution, ³Department of Geology and Geophysics, Program in Ecology,University of Wyoming, ⁴Department of Ecology and Evolutionary Biology,University of Michigan Herbarium, ⁵Department of Earth and Environmental Sciences,Wesleyan University, ⁶Department of Geosciences,Baylor University

Summary

Le protocole présenté montre la mesure numérique et l’analyse des traits physionomiques continus des feuilles fossiles pour reconstruire le paléoclimat et la paléoécologie à l’aide des méthodes de reconstruction numérique de la physionomie des feuilles et de la masse foliaire par surface.

Abstract

Le climat et l’environnement influencent fortement la taille, la forme et la denture (physionomie) des feuilles des plantes. Ces relations, en particulier chez les angiospermes ligneuses non monocotylédones, ont été utilisées pour développer des proxys à base de feuilles pour le paléoclimat et la paléoécologie qui ont été appliqués pour reconstruire d’anciens écosystèmes terrestres pour les ~120 derniers millions d’années de l’histoire de la Terre. De plus, étant donné que ces relations ont été documentées chez les plantes vivantes, elles sont importantes pour comprendre certains aspects de l’évolution des plantes et comment les plantes réagissent aux changements climatiques et environnementaux. Pour réaliser ce type d’analyses sur des plantes modernes et fossiles, la physionomie foliaire doit être mesurée avec précision à l’aide d’une méthodologie reproductible. Ce protocole décrit une méthode informatique pour mesurer et analyser une variété de variables physionomiques foliaires dans les feuilles modernes et fossiles. Cette méthode permet de mesurer les traits physionomiques des feuilles, en particulier les variables liées à la dentelure des feuilles, à la surface foliaire, à la dissection des feuilles et à la linéarité qui sont utilisées dans l’indicateur numérique de la physiognomonie des feuilles pour la reconstruction du paléoclimat, ainsi que la largeur du pétiole et la surface des feuilles, qui sont utilisées pour reconstruire la masse foliaire par surface, un indicateur paléoécologique. Parce que cette méthode de mesure numérique des traits foliaires peut être appliquée aux plantes fossiles et vivantes, elle n’est pas limitée aux applications liées à la reconstruction du paléoclimat et de la paléoécologie. Il peut également être utilisé pour explorer les traits foliaires qui peuvent être informatifs pour comprendre la fonction de la morphologie des feuilles, le développement des feuilles, les relations phylogénétiques des traits foliaires et l’évolution des plantes.

Introduction

Les feuilles sont des unités de production fondamentales qui facilitent l’échange d’énergie (par exemple, la lumière, la chaleur) et de matière (par exemple, le dioxyde de carbone, la vapeur d’eau) entre la plante et son environnement ^1,2. Pour remplir ces fonctions, les feuilles doivent supporter mécaniquement leur propre poids contre la gravité dans l’air calme et venteux ^3,4. En raison de ces liens intrinsèques, plusieurs aspects de la taille, de la forme et de la denture des feuilles (physiognomonie) reflètent les détails de leur fonction et de leur biomécanique et donnent un aperçu de leur environnement et de leur écologie. Des travaux antérieurs ont quantifié les relations entre la physionomie des feuilles, le climat et l’écologie à travers le monde moderne afin d’établir des approximations qui peuvent être appliquées aux assemblages de feuilles fossiles ^5,6. Ces approximations offrent d’importantes opportunités pour reconstruire le paléoclimat et la paléoécologie et contribuent à une meilleure compréhension de l’interaction complexe entre les différents systèmes de la planète tout au long de son histoire. Cet article détaille les méthodes nécessaires à l’utilisation de deux approximations : 1) la méthode de reconstruction de la masse foliaire par surface pour élucider la paléoécologie, et 2) la physionomie numérique des feuilles pour reconstruire le paléoclimat.

La masse sèche des feuilles par surface (M_A) est un caractère végétal fréquemment mesuré en néobotanique et en paléobotanique. La principale valeur de M_A, en particulier pour les reconstructions fossiles, est qu’il fait partie du spectre économique des feuilles, un axe coordonné de traits foliaires bien corrélés qui comprend le taux de photosynthèse des feuilles, la longévité des feuilles et la teneur en nutriments des feuilles en masse⁷. La capacité de reconstruire M_A à partir de fossiles offre une fenêtre sur ces processus métaboliques et chimiques autrement inaccessibles et, en fin de compte, peut révéler des informations utiles sur la stratégie écologique des plantes et le fonctionnement de l’écosystème.

Royer et ^al.5 ont mis au point une méthode pour estimer le M_A des feuilles fossiles d’angiospermes ligneuses non monocotylédones (dicotylédones) en fonction de l’aire du limbe et de la largeur du pétiole. Théoriquement, le pétiole de la feuille agit comme un porte-à-faux, maintenant le poids de la feuille dans la position optimale ^3,4. La section transversale du pétiole, qui constitue la composante la plus importante de la résistance du faisceau, doit donc être fortement corrélée avec la masse de la feuille. En simplifiant la forme du pétiole en un tube cylindrique, la section transversale du pétiole peut être représentée avec la largeur du pétiole au carré, ce qui permet d’estimer la masse foliaire à partir d’un fossile bidimensionnel (pour plus de détails, voir Royer et ^al.5). La surface foliaire peut être mesurée directement. Ensemble, la largeur du pétiole au carré divisée par la surface de la feuille (c’est-à-dire la métrique du pétiole ; Tableau 1) fournit un bon indicateur du M_A fossile et permet aux paléobotanistes d’entrer dans l’écologie moderne basée sur les traits. _{Les méthodes} de reconstruction ont également été étendues aux gymnospermes à feuilles larges et pétiolées ^5,8, aux angiospermes herbacées⁸ et aux fougères⁹, qui ont produit des relations différentes des relations observées pour les angiospermes dicotylédones ligneuses et les unes des autres. Un ensemble de données élargi sur les dicotylédones ligneux et de nouvelles équations de régression pour reconstruire la variance et la moyenne de M_A au niveau du site permettent de déduire la diversité des stratégies économiques foliaires et quelles stratégies sont les plus répandues, parmi les angiospermes dicotylédones ligneuses dans les flores fossiles¹⁰.

La relation entre les caractères physionomiques des feuilles et leur climat a été notée depuis plus d’un siècle^11,12. Plus précisément, la physionomie des feuilles ligneuses des angiospermes dicotylédones est fortement corrélée avec la température et l’humidité¹³. Cette relation a constitué la base de nombreux indicateurs physionomiques foliaires univariés¹⁴^, ¹⁵^, ¹⁶^, ¹⁷ et multivariés⁶^, ¹⁸^, ¹⁹^, ²⁰^, ²¹^, ²² pour le paléoclimat terrestre. Les méthodes paléoclimatiques physionomiques foliaires univariées et multivariées ont été largement appliquées aux flores fossiles dominées par les angiospermes sur tous les continents, couvrant les ~120 derniers millions d’années de l’histoire de la Terre (du Crétacé à l’époque moderne)²³.

Deux observations fondamentales utilisées dans les indicateurs paléoclimatiques de la physionomie des feuilles sont 1) la relation entre la taille des feuilles et les précipitations annuelles moyennes (MAP) et 2) la relation entre les dents des feuilles (c’est-à-dire les projections vers l’extérieur du bord des feuilles) et la température annuelle moyenne (MAT). Plus précisément, la taille moyenne des feuilles de toutes les espèces d’angiospermes dicotylédones ligneuses d’une localité est positivement corrélée avec la MAP, et la proportion d’espèces d’angiospermes dicotylédones ligneuses d’une localité avec des feuilles dentées, en plus de la taille et du nombre de dents, est négativement corrélée avec les MAT 6,12,13,14,15,16,24.

Un lien fonctionnel entre ces relations entre la physionomie foliaire-climat est fortement soutenu par la théorie et l’observation ^1,2,25. Par exemple, bien que les feuilles plus grandes offrent une plus grande surface photosynthétique, elles nécessitent un plus grand soutien, perdent plus d’eau par transpiration et conservent une chaleur plus sensible en raison d’une couche limite plus épaisse ^1,26,27. Ainsi, les feuilles plus grandes sont plus fréquentes dans les environnements plus humides et plus chauds, car la perte d’eau due à une transpiration accrue refroidit efficacement les feuilles et est moins problématique. En revanche, des feuilles plus petites dans les climats chauds plus secs réduisent les pertes d’eau et évitent plutôt la surchauffe en augmentant les pertes de chaleur sensibles^28,29. Les détails sur les facteurs, ou la combinaison de facteurs, qui contribuent le plus fortement à expliquer les liens fonctionnels restent énigmatiques pour d’autres caractères foliaires. Par exemple, plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer la relation entre les dents des feuilles et les MAT, notamment le refroidissement des feuilles, l’emballage efficace des bourgeons, l’amélioration du soutien et de l’approvisionnement en feuilles minces, la guttation par les hydathodes et l’amélioration de la productivité en début de saison 30,31,32,33.

La plupart des indicateurs paléoclimatiques de la physionomie foliaire reposent sur la division catégorielle des caractères foliaires plutôt que sur des mesures quantitatives de variables continues, ce qui entraîne plusieurs lacunes potentielles. L’approche catégorique exclut l’incorporation d’informations plus détaillées capturées par des mesures continues qui sont fortement corrélées avec le climat (par exemple, le nombre de dents, la linéarité des feuilles), ce qui peut réduire la précision des estimations paléoclimatiques ^6,20,34. De plus, dans certaines méthodes de notation des caractères foliaires, les caractères notés catégoriquement peuvent être ambigus, ce qui entraîne des problèmes de reproductibilité, et certains traits ont des preuves empiriques limitées pour soutenir leur lien fonctionnel avec le climat 6,15,16,35,36.

Pour remédier à ces lacunes, Huff et ^al.20 ont proposé de mesurer numériquement les caractères continus des feuilles dans une méthode connue sous le nom de physionomie numérique des feuilles (DiLP). L’un des principaux avantages de DiLP par rapport aux méthodes précédentes est qu’il s’appuie sur des caractéristiques qui 1) peuvent être mesurées de manière fiable chez tous les utilisateurs, 2) sont de nature continue, 3) sont fonctionnellement liées au climat et 4) présentent une plasticité phénotypique entre les saisons de croissance ^6,37. Cela a conduit à des estimations plus précises de la MAT et de la MAP que les méthodes paléoclimatiques physionomiques foliaires précédentes⁶. De plus, la méthode s’adapte à la nature imparfaite des archives fossiles en fournissant des étapes pour expliquer les feuilles endommagées et incomplètes. La méthode DiLP a été appliquée avec succès à une gamme de flores fossiles de plusieurs continents couvrant une large gamme de temps géologiques 6,38,39,40,41,42.

Le protocole suivant est une extension de celui décrit dans les travaux précédents 5,6,20,34. Il expliquera les procédures nécessaires pour reconstruire le paléoclimat et la paléoécologie à partir des feuilles fossiles d’angiospermes ligneux dicotylédones à l’aide des méthodes de reconstruction DiLP et M_A (voir le tableau 1 pour une explication des variables mesurées et calculées à l’aide de ce protocole). De plus, ce protocole fournit des étapes pour enregistrer et calculer les caractères foliaires non inclus dans l’analyse DiLP ou M_Amais qui sont faciles à mettre en œuvre et fournissent des caractérisations utiles de la physionomie foliaire (tableau 1). Le protocole suit le format suivant : 1) Imagerie des feuilles fossiles ; 2) la préparation numérique des feuilles, organisée en cinq scénarios de préparation possibles ; 3) la mesure numérique des vantails, organisée selon les cinq mêmes scénarios de préparation possibles ; et 4) analyses DiLP et M_A, à l’aide du package R dilp¹⁰.

Le protocole pour les reconstructions M_A est intégré dans le protocole DiLP car les deux sont pratiques à préparer et à mesurer l’un à côté de l’autre. Si un utilisateur s’intéresse uniquement aux analyses M_A , il doit suivre les étapes de préparation décrites dans le scénario de préparation DiLP 2, que le bord de la feuille soit denté ou non, et les étapes de mesure décrivant la largeur du pétiole, la surface du pétiole et les mesures de la surface des feuilles uniquement. Un utilisateur peut ensuite exécuter les fonctions appropriées dans le package dilp R qui effectue les reconstructions M_A .

Protocol

1. Imagerie des feuilles fossiles Placez le fossile de feuille sous la caméra et assurez-vous qu’il est aussi plat que possible en utilisant, par exemple, un bac à sable ou du mastic à caler sous le fossile.REMARQUE : Lorsque vous photographiez plusieurs spécimens sur un seul bloc, il est préférable de les photographier en gros plan séparément pour vous assurer que les détails du fossile sont clairs et nets. Il est également utile de placer le fossile sur un fond mat foncé uni, comme du feutre noir ou du velours. Placez une barre d’échelle horizontalement et dans le même plan vertical que la feuille, en la plaçant près du fossile mais sans en couvrir aucune partie. S’il y a peu ou pas de matrice autour du fossile, l’échelle doit être placée dans le cadre photo et être nette. À l’aide d’un trépied d’appareil photo ou d’un support de copie, placez l’appareil photo directement au-dessus de la feuille fossile avec l’objectif parallèle à la surface de la roche. Pour vous assurer que les détails de la feuille sont capturés avec précision, placez l’appareil photo aussi près que possible du fossile tout en restant à la distance focale de l’objectif/appareil photo et en vous assurant que le fossile entier se trouve dans le cadre de la photographie.REMARQUE : Si possible, il est préférable d’utiliser un appareil photo numérique haute résolution et un objectif macro avec mise au point manuelle et une profondeur de champ suffisante pour faire la mise au point nette sur la feuille qui sera traitée. À l’aide de la lumière indirecte, éclairez le fossile au besoin pour voir clairement tout le contour du spécimen. Il est souvent nécessaire de réajuster l’éclairage pour chaque fossile. Photographiez la feuille fossile et étiquetez le fichier image de manière appropriée. 2. Préparation numérique REMARQUE : La figure 1 illustre la terminologie architecturale des feuilles utilisée dans l’ensemble de ces protocoles. À l’aide de l’arbre de décision (figure 2) et des exemples fournis (figure 3), déterminez quel scénario de préparation s’applique à la feuille fossile à mesurer et passez à la section appropriée. Reportez-vous au tableau 2 pour des considérations supplémentaires dans les étapes de préparation. Si la feuille relève du scénario 1 ou 5, elle ne peut pas être préparée pour les mesures quantitatives de la physionomie foliaire. Scénario 2 : Feuille entière bordée dont l’aire, ou la moitié de la surface, est préservée ou peut être reconstruite.Ouvrez le fichier dans le logiciel de traitement d’image (par exemple, Adobe Photoshop ou GIMP). Recadrez l’image, si nécessaire, ce qui permet de réduire la taille finale du fichier, mais garantit que la barre d’échelle est toujours incluse. Doublez la largeur de la zone de travail en cliquant sur Image > Canvas (Photoshop) ; Taille de l’image > de la toile (GIMP). Il est suggéré d’ajouter un nouveau canevas à droite ou à gauche du canevas actuel. Si le bord de la feuille a besoin d’être reconstruit, décidez si la surface et la forme de la feuille peuvent être mesurées de manière plus fiable à partir d’une demi-feuille ou d’une feuille entière (figure 3). Copiez la feuille de la matrice rocheuse. Tracez la feuille entière ou la demi-feuille, y compris le pétiole s’il y en a, à l’aide d’un lasso (voir tableau 2). Copiez et collez la sélection et placez-la dans une zone ouverte du canevas. Envisagez de coller deux copies de cette sélection, l’une étant une copie non modifiée à laquelle vous pouvez revenir si nécessaire pour redémarrer le processus de préparation. Réparez toutes les parties endommagées de la marge à l’aide d’une ligne de couleur appropriée (généralement noire si sur un fond blanc). Tracez une ligne qui s’étend sur la marge endommagée afin que celle-ci soit reconstruite de manière fiable, à l’aide, par exemple, du pinceau ou de l’outil de ligne. Assurez-vous que la ligne est suffisamment épaisse pour être vue (poids ~1-2 pt) et qu’elle relie la marge à travers la zone endommagée. Retirez le pétiole de la feuille, le cas échéant, à l’aide de l’outil lasso.Visuellement, suivez le bord de la feuille le long de la base jusqu’au point où il entre en contact avec le pétiole, qui est souvent de couleur plus foncée et ne contient pas de nervures distinctives. Placez-y un point lasso. Faites de même sur l’autre moitié de la feuille et placez-y le deuxième point.REMARQUE : Si la base de la feuille est symétrique, la ligne sera ~perpendiculaire au pétiole ; S’il est asymétrique, la ligne sera inclinée. Encerclez tout le pétiole pour terminer la sélection. Coupez et collez, ou utilisez l’outil de déplacement, pour placer le pétiole à côté du limbe de la feuille, mais sans le toucher.REMARQUE : Pour une base de feuille cordée ou lobée, c’est-à-dire que la base s’étend sous l’endroit où le pétiole se fixe au limbe de la feuille, le pétiole a le potentiel de reposer sur la base de la feuille en dessous de l’endroit où le pétiole s’attache au limbe de la feuille. Prenez soin de couper le pétiole là où il s’attache réellement, de tracer de près le bord du pétiole et de réparer la marge endommagée qui en résulte. Il est reconnu que cela peut être difficile à voir dans la plupart des fossiles. Recadrez la dernière zone de l’image si nécessaire pour réduire la taille du fichier. Voir la figure 3 pour un exemple de la façon dont l’image préparée terminée doit apparaître. Scénario 3 : une feuille dentée dont l’aire, ou la moitié de la surface, ne peut pas être reconstruite mais qui a ≥ deux dents consécutives et ≥25 % de la feuille préservéeREMARQUE : Les mesures des dents sont les seuls traits qui peuvent être mesurés sur les feuilles de cette catégorie, donc les feuilles ne sont préparées que pour ces mesures.Ouvrez le fichier dans un logiciel de traitement d’images (par exemple, Adobe Photoshop ou GIMP). Recadrez l’image, si nécessaire, ce qui permet de réduire la taille finale du fichier, mais assurez-vous que la barre d’échelle est toujours incluse. Tripe pour quadrupler la largeur de la zone de travail en cliquant sur Image > Canvas (Photoshop) ; Taille de l’image > de la toile (GIMP). Il est suggéré d’ajouter un nouveau canevas à droite ou à gauche du canevas actuel. Copiez la feuille de la matrice rocheuse. Tracez l’étendue de la feuille préservée, y compris le pétiole s’il y en a, à l’aide d’un outil lasso. Ne vous inquiétez pas de tracer les parties endommagées de la marge précisément car elles seront enlevées. Copiez et collez la sélection et placez-la dans une zone ouverte du canevas. Envisagez de coller deux copies de cette sélection, l’une étant une version non modifiée à laquelle vous pouvez revenir si nécessaire pour redémarrer le processus de préparation. Le cas échéant, retirez le pétiole de la feuille à l’aide de l’outil lasso.Visuellement, suivez le bord de la feuille le long de la base jusqu’au point où il entre en contact avec le pétiole, qui est souvent de couleur plus foncée et ne contient pas de nervures distinctives. Placez-y un point lasso. Faites de même sur l’autre moitié de la feuille et placez-y le deuxième point.REMARQUE : Si la base de la feuille est symétrique, la ligne sera ~perpendiculaire au pétiole, si elle est asymétrique, la ligne sera à un angle. Encerclez tout le pétiole pour terminer la sélection. Coupez et collez, ou utilisez l’outil de déplacement, pour placer le pétiole à côté du limbe de la feuille, mais sans le toucher.REMARQUE : Pour une base de feuille cordée ou lobée, c’est-à-dire que la base s’étend sous l’endroit où le pétiole se fixe au limbe de la feuille, le pétiole a le potentiel de reposer sur la base de la feuille en dessous de l’endroit où le pétiole s’attache au limbe de la feuille. Prenez soin de couper le pétiole là où il s’attache réellement, de tracer de près le bord du pétiole et de réparer la marge endommagée qui en résulte. Cela peut être difficile à voir dans la plupart des fossiles. Retirez la zone adjacente aux parties endommagées de la marge à l’aide d’un outil lasso.Commencez la sélection à un point le long de la marge qui délimite la partie endommagée et tracez une ligne droite à partir de ce point jusqu’à la veine principale perpendiculaire à cette veine principale (figure 4). Commencez la sélection au niveau du sinus de la dent primaire préservée le plus proche des dommages. Cela garantit que le flanc d’une dent n’est pas inclus dans le périmètre interne dans les mesures ultérieures, et que les dents secondaires ne sont pas mesurées comme s’il s’agissait de dents primaires. Cela peut ne pas être approprié si les dents sont éloignées l’une de l’autre, car une trop grande partie de la marge préservée peut finir par être retirée (Figure 4). Procéder à la sélection le long de la veine principale jusqu’à ce qu’elle soit au niveau de l’autre limite de la marge endommagée, et tracer une ligne droite perpendiculaire à la veine principale jusqu’à la marge (figure 4).REMARQUE : Pour les feuilles pennées (figure 1A), avec et sans nervures agrophiques (voir Ellis et al.43), la nervure principale est la nervure primaire (c.-à-d. la nervure médiane). Pour les feuilles à nervures palmées (figures 1B et D), la nervure principale est la nervure primaire la plus proche (p. ex. figure 4B). Pour les feuilles à lobes pennats (figure 1C), si les dommages sont situés sur un lobe penné, la nervure principale est la veine (généralement une veine secondaire) qui alimente le lobe. Terminez la sélection et supprimez cette partie de la feuille. Répétez l’opération pour toutes les parties endommagées de la feuille. Copiez et collez cette feuille préparée et placez-la dans une zone ouverte de la toile. Retirez les dents à l’aide d’un outil lasso.Commencez par l’apex de la feuille, l’un des apex du lobe ou la dent la plus apicale d’un fragment de feuille, et faites une sélection au niveau de chaque sinus dentaire primaire le long de cette feuille, de ce lobe ou de ce fragment (Figure 5 ; voir la Figure supplémentaire 1, la Figure supplémentaire 2 pour des conseils sur la façon de distinguer les dents primaires et secondaires et sur la façon de distinguer les dents des lobes). Assurez-vous de suivre les règles appropriées lorsque vous coupez les dents (tableau 2 ; Figure supplémentaire 3).REMARQUE : Les dents primaires deviennent souvent plus petites vers la base et l’apex. Après avoir sélectionné le sinus apical de la dent la plus basale, appliquez la règle d’extension (Tableau 2 ; Figure supplémentaire 4) pour découper la dernière dent de la séquence. Retirez les dents en coupant et en collant les dents à côté du limbe de la feuille avec les dents retirées sans le toucher. Si la préparation comporte des lobes de feuilles supplémentaires ou des fragments qui nécessitent l’extraction de dents, répétez les étapes ci-dessus jusqu’à ce que toutes les dents soient retirées. Si une version supplémentaire de la feuille découpée d’origine a été créée, supprimez la version supplémentaire. Recadrez la dernière zone de l’image si nécessaire pour réduire la taille du fichier. Voir la figure 3 pour un exemple de la façon dont l’image préparée terminée doit apparaître. Scénario 4 : une feuille dentée dont l’aire, ou la surface foliaire, est préservée ou peut être reconstruiteOuvrez le fichier dans le logiciel de traitement d’image (par exemple, Adobe Photoshop ou GIMP). Recadrez l’image, si nécessaire, ce qui permet de réduire la taille finale du fichier, mais assurez-vous que la barre d’échelle est toujours incluse. Tripe pour quadrupler la largeur de la zone de travail en cliquant sur Image > Canvas (Photoshop) ; Taille de l’image > de la toile (GIMP). Il est suggéré d’ajouter un nouveau canevas à droite ou à gauche du canevas actuel. Décidez comment la feuille sera préparée. Les mesures de surface/forme de la feuille doivent être effectuées sur une feuille entière ou une demi-feuille, décidez quelle option permettra d’obtenir des mesures plus précises. Les mesures des dents doivent être effectuées le long de toutes les sections de la marge préservée. Dans certains cas, les mesures de la surface/forme des feuilles peuvent être effectuées sur un sous-ensemble différent de la feuille que le sous-ensemble où les variables dentaires sont mesurées.REMARQUE : Dans l’exemple fourni (figure 6), il a été décidé qu’une demi-feuille serait reconstruite de manière plus fiable qu’une feuille entière. La marge préservée en bas à droite (>1 dent préservée) a été incluse pour les mesures de la dent. Le protocole suivant pour le scénario 4 suit à peu près l’exemple fourni (Figure 6), mais les détails peuvent varier légèrement dans différents contextes de préparation. Copiez la feuille de la matrice rocheuse, en vous assurant d’inclure toute la marge préservée.Tracez le bord de la feuille, y compris le pétiole s’il y en a, à l’aide d’un outil lasso. Ne tracez pas les parties endommagées de la marge qui ne seront pas incluses dans les mesures de surface ou de forme précisément parce qu’elles seront enlevées (p. ex., la moitié droite de la feuille sur la figure 6). Copiez et collez la sélection et placez-la dans une zone ouverte du canevas. Envisagez de coller deux copies de cette sélection, l’une étant une copie non modifiée à laquelle vous pouvez revenir si nécessaire pour redémarrer le processus de préparation. Le cas échéant, retirez le pétiole de la feuille à l’aide de l’outil lasso.Visuellement, suivez le bord de la feuille le long de la base jusqu’au point où il entre en contact avec le pétiole, qui est souvent de couleur plus foncée et ne contient pas de nervures distinctives. Placez-y un point lasso. Faites de même sur l’autre moitié de la feuille et placez-y le deuxième point.REMARQUE : Si la base de la feuille est symétrique, la ligne sera ~perpendiculaire au pétiole ; S’il est asymétrique, la ligne sera inclinée. Encerclez tout le pétiole pour terminer la sélection. Coupez et collez, ou utilisez l’outil de déplacement, pour placer le pétiole à côté de la feuille, mais sans la toucher.REMARQUE : Pour une base de feuille cordée ou lobée, c’est-à-dire que la base s’étend sous l’endroit où le pétiole se fixe au limbe de la feuille, le pétiole a le potentiel de reposer sur la base de la feuille en dessous de l’endroit où le pétiole s’attache au limbe de la feuille. Prenez soin de découper le pétiole là où il s’attache, de tracer de près le bord du pétiole et de réparer la marge endommagée qui en résulte (figure supplémentaire 5). Cela peut être difficile à voir dans la plupart des fossiles. Copiez et collez la feuille isolée avec le pétiole enlevé pour créer une deuxième copie à préparer pour les mesures des dents et placez-la dans une zone ouverte de la toile. Préparez une version de la feuille pour les mesures de surface et de forme des feuilles.Si vous préparez une demi-feuille, coupez l’excédent de feuille à l’aide de l’outil lasso afin qu’il ne reste qu’une demi-feuille complète. Si vous préparez une feuille complète, n’enlevez aucune feuille. Si nécessaire, réparez les zones endommagées le long de la marge à l’aide d’une ligne de couleur appropriée à l’aide d’une ligne ou d’un pinceau (généralement une ligne noire pour un fond blanc). Assurez-vous que la ligne est suffisamment épaisse pour être vue (poids ~1-2 pt) et qu’elle relie la marge à travers la zone endommagée. Préparez une version de la feuille pour les mesures dentaires.Retirez la zone adjacente aux parties endommagées de la marge à l’aide d’un outil lasso.Commencer la sélection à un point le long de la marge qui délimite la partie endommagée et tracer une ligne droite à partir de ce point jusqu’à la veine principale perpendiculaire à cette veine principale (figure 4). Commencez la sélection au niveau du sinus de la dent primaire préservée le plus proche des dommages. Cela garantit que le flanc d’une dent n’est pas inclus dans le périmètre interne dans les mesures ultérieures, et que les dents secondaires ne sont pas mesurées comme s’il s’agissait de dents primaires. Cela peut ne pas être approprié si les dents sont éloignées l’une de l’autre, car une trop grande partie de la marge préservée peut finir par être retirée (Figure 4). Procéder à la sélection le long de la veine principale jusqu’à ce qu’elle soit au niveau de l’autre limite de la marge endommagée et tracer une ligne droite perpendiculaire à la veine principale jusqu’à la marge (figure 4).REMARQUE : Pour les feuilles pennées (figure 1A), avec et sans nervures agrophiques (voir Ellis et al.43 pour la définition et des exemples), la nervure principale est la nervure primaire (c.-à-d. la nervure médiane). Pour les feuilles à nervures palmées (figures 1B et D), la nervure principale est la nervure primaire la plus proche (p. ex. figure 4B). Pour les feuilles à lobes pennats (figure 1C), si les dommages sont situés sur un lobe penné, la nervure principale est la veine (généralement une veine secondaire) qui alimente le lobe. Supprimez la partie endommagée de la feuille. Faites de même pour toutes les parties endommagées de la feuille. Copiez et collez la version préparée pour la mesure des dents, avec les parties endommagées enlevées, et placez-la dans une zone ouverte de la toile. Retirez les dents à l’aide d’un outil lasso.Commencez par l’apex de la feuille, l’un des apex du lobe ou la dent la plus apicale d’un fragment de feuille, et faites une sélection à chaque sinus dentaire primaire le long de la feuille, du lobe ou du fragment (Figure 5 ; voir la Figure supplémentaire 2 pour des conseils sur la façon de distinguer les dents primaires et secondaires et sur la façon de distinguer les dents des lobes). Assurez-vous de suivre les règles appropriées lorsque vous coupez les dents (tableau 2 ; Figure supplémentaire 2).REMARQUE : Les dents primaires deviennent souvent plus petites vers la base et l’apex. Après avoir sélectionné le sinus apical de la dent la plus basale, appliquez la règle d’extension (Tableau 2 ; Figure supplémentaire 4) pour découper la dernière dent de la séquence. Retirez les dents en coupant et en collant les dents à côté du limbe de la feuille avec les dents retirées sans le toucher. Si la préparation comporte des lobes de feuilles supplémentaires ou des fragments qui nécessitent l’extraction de dents, répétez les étapes ci-dessus jusqu’à ce que toutes les dents soient retirées. Si une version supplémentaire de la feuille découpée d’origine a été créée, supprimez la version supplémentaire. Recadrez la dernière zone de l’image si nécessaire pour réduire la taille du fichier. Voir la figure 3 pour un exemple de la façon dont l’image préparée terminée doit apparaître. 3. Mesure numérique REMARQUE : Un modèle de tableur de saisie de données est fourni dans le fichier supplémentaire 1. Reportez-vous au tableau 3 pour des considérations supplémentaires dans les étapes de mesure. Dans les scénarios 1 et 5, la seule étape requise consiste à enregistrer l’état de la marge feuille dans la feuille de calcul de saisie de données (étape 3.5). Ouvrez le logiciel ImageJ44. Définissez les mesures qui seront automatiquement effectuées (faites-le une fois après l’installation du programme). Cliquez sur Analyser > Définir les mesures, puis sélectionnez uniquement Zone, Périmètre et Diamètre de Féret. Assurez-vous que les décimales sont définies sur 3. Ouvrez l’image de la feuille fossile préparée en cliquant sur Fichier > Ouvrir ou simplement en glissant et déposant l’image dans la barre d’outils ImageJ déjà ouverte. Définissez l’échelle de chaque nouvelle image de feuille.REMARQUE : Il s’agit d’une étape critique qui doit être effectuée pour chaque nouvelle image de feuille afin d’assurer des mesures précises.Cliquez sur l’outil Ligne droite. Zoomez sur la barre d’échelle et tracez la ligne droite la plus longue possible sur la barre d’échelle. Cliquez sur Analyser > définir l’échelle. Dans Distance connue, entrez la longueur mesurée en cm (pour être cohérent avec l’unité utilisée dans le jeu de données d’étalonnage moderne). Il n’est pas nécessaire de changer l’unité de longueur. Cliquez sur OK. Marquez la feuille comme dentée (0) ou entière (1) dans la feuille de calcul de saisie de données. Mesurez la largeur du pétiole si le pétiole est présent. Les mesures doivent être effectuées sur la copie originale de la feuille encore dans la matrice rocheuse, car elle fournit un bien meilleur contexte.REMARQUE : Si le pétiole n’est pas présent, dans certains cas, la largeur de la nervure médiane à sa position basse peut être mesurée à la place du pétiole. Cependant, cela ne devrait être fait que si toute la largeur de la nervure médiane est préservée (c’est-à-dire qu’il n’y a pas de limbe comprimé au sommet de la nervure ou que le fossile préserve le côté abaxial de la feuille) et que d’autres spécimens de la même espèce ou du même morphotype montrent que la largeur de la nervure basale est équivalente à la largeur du pétiole.Tracez une ligne droite perpendiculaire au pétiole, là où le pétiole rencontre le limbe de la feuille, ou si le point d’insertion est asymétrique, tracez une ligne perpendiculaire au pétiole au point d’insertion le plus basal. Il est important de tracer cette ligne avec soin. Ainsi, il est recommandé de zoomer sur cette zone de la feuille pour faciliter le tracé précis de la ligne.REMARQUE : Il existe des circonstances particulières où cette étape doit être modifiée, notamment si, au point d’insertion le plus basal, il existe des dommages, des trichomes, des nectaires, des épines ou d’autres caractéristiques qui empêchent des mesures précises de la largeur du pétiole. Dans ces cas, mesurez la largeur du pétiole au premier point sous la caractéristique où la mesure peut être effectuée de manière fiable. Cliquez sur Analyser > mesurer ou utilisez un raccourci pour mesurer la longueur de la ligne tracée. Tracez la même ligne sur l’image pour créer un enregistrement de l’endroit exact où la mesure a été effectuée en cliquant sur Modifier > Dessiner ou à l’aide d’un raccourci. Modifiez la couleur de la ligne à l’aide d’un outil de la barre d’outils principale (sélecteur de couleurs), si nécessaire. Une fois la ligne tracée, enregistrez l’image, de préférence sous un nom de fichier modifié. Inscrivez la longueur de cette ligne sous la largeur du pétiole dans la feuille de calcul de saisie des données. Préparez la feuille pour des mesures supplémentaires en rendant l’image en noir et blanc. Pour ce faire, cliquez sur Image > Type > 8 bits. Seuilz l’image en cliquant sur Image > Ajuster > seuil ou utilisez le raccourci. Une boîte intitulée Seuil s’ouvrira et changera une partie de l’image en rouge. Si la feuille est de couleur claire et que l’arrière-plan est sombre, cliquez sur Arrière-plan sombre. Ajustez le seuil à l’aide de la barre de défilement jusqu’à ce que l’intérieur de la feuille soit rouge et distinct de l’arrière-plan. Il s’agit d’une étape critique et d’un endroit facile pour produire des données imprécises. Assurez-vous que la zone rouge correspond exactement à la feuille (c’est-à-dire que tout le périmètre de la feuille est rouge et pas plus), en zoomant sur certaines sections de la marge. Les espaces rouges à l’intérieur du vantau sont acceptables et n’affectent pas les mesures.REMARQUE : Si le contour de la feuille n’est pas bien défini, essayez d’abord d’ajuster le seuil tout en zoomant pour confirmer que le contour de la feuille est rouge. Si un faible contraste entre le fossile et l’arrière-plan empêche l’application d’un seuil fiable, utilisez l’outil pinceau pour ajouter un contour solide au périmètre de la feuille dans les zones où le contraste est trop faible. Vous pouvez également remettre la feuille dans le logiciel de traitement d’image (par exemple, Adobe Photoshop ou GIMP) et ajuster le contraste des calques de feuille isolés ou la couleur de l’arrière-plan pour mieux les différencier. Mesurez la surface et la forme des feuilles préparées dans les scénarios 2 (étape 2.1) et 4 (étape 2.4).REMARQUE : Utilisez la figure 2 et la figure 6B comme guide pour déterminer quelles variables sont mesurées sur quels composants de l’image préparée. Si les feuilles ont été préparées dans le scénario 3 (étape 2.2), sautez cette étape et passez à l’étape 3.11.Mesurez la feuille préparée pour les mesures de la surface et de la forme de la feuille, dont seul le pétiole doit être enlevé (si un pétiole était présent). Sélectionnez l’outil Baguette . Cliquez sur l’intérieur de la feuille. La feuille entière doit être entourée de jaune – vérifiez que le contour est correct. Effectuez des mesures en cliquant sur Analyser > Mesurer ou à l’aide du raccourci. Si la surface mesurée est préparée sous forme de feuille entière, enregistrez l’aire, le périmètre, le Féret et le Féret minimum dans la feuille de calcul de saisie des données. Si la surface mesurée est préparée sous forme de demi-feuille, notez uniquement Féret et passez à l’étape suivante. Si l’aire mesurée est une demi-feuille, mesurez le périmètre médian artificiel de la feuille, c’est-à-dire la longueur du périmètre artificiel résultant de la coupe de la feuille en deux (figure 6B). Si la surface mesurée correspond à la feuille entière, sautez cette étape et l’étape 3.10.5.REMARQUE : La mesure du périmètre médian artificiel permet de calculer le périmètre de la lame à partir des demi-feuilles (voir l’étape 3.10.5 ci-dessous). Le périmètre de l’aube n’est pas utilisé dans les variables incluses dans les analyses DiLP et MA , mais il est utilisé pour d’autres variables utiles à la caractérisation de la physiognomonie (p. ex., facteur de forme, compacité ; Tableau 1).Sélectionnez l’outil Ligne segmentée en cliquant avec le bouton droit de la souris sur l’outil Ligne . Tracez toute la longueur du périmètre médian artificiel. Cliquez sur Analyser > Mesurer ou utilisez le raccourci pour mesurer la longueur. Cette mesure sera utilisée dans la formule pour calculer le périmètre de la lame ci-dessous (étape 3.10.5). Si l’aire mesurée est une demi-feuille, modifiez les mesures au fur et à mesure que vous les entrez dans la feuille de calcul de saisie de données en multipliant l’aire par 2, en multipliant le Féret minimum par 2 et en calculant le périmètre de l’aube en soustrayant d’abord le périmètre intermédiaire artificiel du périmètre de la demi-feuille, puis en multipliant par 2 à l’aide de la formule suivante :Périmètre de la lame = (périmètre – périmètre central artificiel) x 2 Si un pétiole découpé est présent, mesurez sa surface. S’il n’est pas présent, la mesure est terminée pour le scénario 2, mais passez à l’étape 3.11 pour le scénario 4.Cliquez sur le pétiole découpé avec l’outil baguette. Le pétiole doit être entouré de jaune. Effectuez des mesures en cliquant sur Analyser > Mesurer ou à l’aide du raccourci. Enregistrez l’aire sous l’aire du pétiole dans la feuille de calcul de saisie des données. Pour le scénario 2 (étape 2.1), la mesure est maintenant terminée ; Pour le scénario 4 (étape 2.3), passez à l’étape suivante. Mesurez les variables dentaires pour les feuilles préparées dans les scénarios 3 (étape 2.2) et 4 (étape 2.3).Mesurez la lame brute. À l’aide de l’outil à baguette, sélectionnez l’intérieur de la lame brute (c’est-à-dire une feuille préparée pour la mesure des dents qui a encore ses dents ; Figure 6B). Il doit être entouré de jaune. Effectuez des mesures en cliquant sur Analyser > Mesurer ou à l’aide du raccourci.REMARQUE : Selon la façon dont la feuille a été préparée, il peut être nécessaire de mesurer plusieurs sections disjointes, en additionnant leurs aires (p. ex., figure 6B). Vous pouvez également sélectionner plusieurs sections à la fois en sélectionnant une deuxième section à l’aide de l’outil baguette tout en maintenant la touche Maj enfoncée. Enregistrez l’aire et le périmètre sous l’aire brute de la lame et le périmètre de la lame brute dans la feuille de calcul de saisie de données. Mesurez la lame brute interne. Sélectionnez l’intérieur de la lame brute interne (c.-à-d. feuille préparée pour les mesures dentaires dont les dents ont été enlevées ; Figure 6B). Il doit être entouré de jaune. Effectuez des mesures en cliquant sur Analyser > Mesurer ou à l’aide du raccourci.REMARQUE : Selon la façon dont la feuille a été préparée, il peut être nécessaire de mesurer plusieurs sections disjointes, en additionnant leurs aires (p. ex., figure 6B). Vous pouvez également sélectionner plusieurs sections à la fois en sélectionnant une deuxième section à l’aide de l’outil baguette tout en maintenant la touche Maj enfoncée. Enregistrez l’aire et le périmètre sous l’aire et le périmètre de l’écran brut interne dans la feuille de calcul de saisie de données. Mesurez la longueur du périmètre de coupe. Supprimez le seuil pour voir clairement la feuille, cliquez sur Réinitialiser dans la zone de seuil ou cliquez sur Modifier > Annuler – ce dernier supprimera généralement également la conversion 8 bits en noir et blanc. Sélectionnez l’outil à ligne segmentée et tracez toute la longueur du périmètre de coupe sur la lame brute. Mesurez en cliquant sur Analyser > Mesurer ou à l’aide du raccourci. S’il y a plusieurs portions, répétez les étapes précédentes pour mesurer la longueur du périmètre de coupe de chaque portion. Enregistrez la longueur, ou la somme des longueurs, sous la longueur du périmètre de coupe dans la feuille de calcul de saisie de données.REMARQUE : Le périmètre de coupe est introduit par la préparation de la feuille en enlevant les dommages. Dans la plupart des cas, il s’agit d’une différence par rapport au périmètre intermédiaire artificiel (figure 6B). Comptez les dents primaires et secondaires, le cas échéant.REMARQUE : Voir la figure supplémentaire 2 pour des conseils sur la façon de distinguer les dents primaires et secondaires.Si le seuil n’est pas déjà supprimé, supprimez-le maintenant. Pour supprimer le seuil, cliquez sur Réinitialiser dans la zone de seuil ou cliquez sur Modifier > Annuler, ce dernier supprimera généralement également la conversion 8 bits en noir et blanc. Comptez le nombre de dents primaires (voir la figure supplémentaire 2 pour des conseils sur la façon de distinguer les dents primaires et secondaires). Sélectionnez l’outil multipoint. Il peut être nécessaire de cliquer d’abord avec le bouton droit de la souris sur l’outil Point pour sélectionner l’outil multipoint. Cliquez sur chaque dent primaire pour la numéroter. Pour supprimer un point sélectionné par erreur, appuyez sur la touche Alt (Windows OS) ou Commande/cmd ou option (Mac OS) tout en cliquant sur le point. Inscrivez le dernier numéro sous # de dents primaires dans la feuille de calcul de saisie des données. Effacez le nombre d’outils multipoints et les annotations en cliquant sur Modifier > Sélection > Sélectionner aucun ou utilisez le raccourci clavier. Comptez le nombre total de dents (c’est-à-dire toutes les dents primaires et secondaires présentes sur la feuille). Sélectionnez l’outil multipoint. Il peut être nécessaire de cliquer d’abord avec le bouton droit de la souris sur l’outil Point pour sélectionner l’outil multipoint. Cliquez sur chaque dent, y compris la dentaire primaire et secondaire, pour la numéroter.REMARQUE : Le fait de compter le nombre total de dents, plutôt que le nombre de dents secondaires, garantit qu’aucune dent n’est comptée deux fois. Le nombre total de dents est soustrait par le nombre de dents primaires pour déterminer le nombre de dents secondaires (voir étape 3.11.7.6). Pour supprimer un point sélectionné par erreur, appuyez sur la touche Alt (Windows OS) ou Commande/cmd ou option (Mac OS) tout en cliquant sur le point. Soustrayez le nombre de dents primaires du nombre total de dents pour déterminer le nombre de dents secondaires. Enregistrez-le sous # de dents subsidiaires dans la feuille de calcul de saisie de données.REMARQUE : Certains utilisateurs préfèrent faire le comptage des dents lors de la préparation des images de feuilles plutôt que lors de la mesure. 4. Exécution d’analyses dans le logiciel R REMARQUE : Les étapes suivantes nécessitent le package R dilp11. La feuille de calcul de saisie de données est lue dans R et utilisée par le package. Reportez-vous à l’onglet Instructions supplémentaires dans la feuille de calcul de saisie des données (fichier supplémentaire 2). Le script R peut prendre en charge l’analyse de plusieurs sites simultanément ou d’un seul site. Ouvrez R à l’aide de l’environnement de votre choix (R Studio est recommandé). Pour une introduction à R, voir, par exemple, https://cran.r-project.org/doc/manuals/r-release/R-intro.pdf. Installez le package dilp dans votre session R. Pour plus d’informations sur l’installation du package et l’exécution de ses fonctions associées, reportez-vous au site Web suivant : https://cran.r-project.org/package=dilp Lire dans le fichier .csv contenant les données sur les traits foliaires fossiles des angiospermes ligneux (c.-à-d. les données enregistrées dans la feuille de calcul de saisie des données). Exécutez la fonction dilp() pour les reconstructions de la température annuelle moyenne (MAT) et des précipitations annuelles moyennes (MAP) avec l’erreur associée. Les résultats pour le MAT et le MAP sont rapportés à partir d’un modèle de régression linéaire multiple (MLR, c’est-à-dire DiLP) et de deux modèles de régression linéaire simple (SLR, c’est-à-dire des analyses de surface foliaire et de marge). Exécutez la fonction lma() pour les reconstructions de masse foliaire par aire (MA) au niveau du morphotype et du site. Après avoir exécuté dilp(), il est recommandé de vérifier les problèmes potentiels de collecte de données et de confirmer la qualité des données en regardant les valeurs aberrantes et les objets d’erreur dans les résultats dilp() renvoyés. Vous pouvez également utiliser la fonction dilp_processing() suivie de dilp_outliers() et dilp_errors(). Traitez tout problème signalé en faisant référence à l’échantillon préparé et éventuellement en le remesurant. Il est recommandé de modifier le fichier de données d’origine, puis de le relire dans R. Déterminez si le site fossilifère se trouve dans l’espace multivarié physionomique des feuilles de l’ensemble de données d’étalonnage à l’aide de la fonction dilp_cca().

Representative Results

Un ensemble de données déjà publié sur les mesures de la physiognomonie foliaire du site fossilifère de McAbee de l’Éocène inférieur dans le centre-sud de la Colombie-Britannique a été utilisé pour fournir un exemple de résultats représentatifs à l’aide des méthodes de reconstruction de la physionomie foliaire numérique (DiLP) et de la masse foliaire par surface (MA) (Lowe et al.38 ; données fournies dans le fichier supplémentaire 2). Le site offre l’occasion de reconstruire le paléoclimat et la paléoécologie pendant l’intervalle le plus chaud du Cénozoïque (l’optimum climatique de l’Éocène inférieur) dans un paysage de hautes terres et volcaniques 38,45,46,47. Les assemblages de fossiles ont été échantillonnés à partir de deux horizons distincts dans une séquence lacustre, nommée H1 (28 cm d’épaisseur) et H2 (27 cm d’épaisseur), regroupée sur une gamme étroite de stratigraphie à l’aide d’une technique de recensement, où tous les spécimens pouvant être attribués à un morphotype ont été collectés ou comptés38,48. Les données de physionomie des feuilles de McAbee ont réussi les contrôles d’erreur signalés par dilp_errors(), et sept valeurs aberrantes signalées par dilp_outliers() ont été revérifiées pour s’assurer que les valeurs représentent une véritable variation des données et non une erreur méthodologique. Les données ont ensuite été analysées à travers la fonction dilp() pour produire le paléoclimat et la fonction lma() pour les reconstructions de masse foliaire par surface. Les reconstructions de MA et les limites inférieure et supérieure de leurs intervalles de prédiction à 95 % sont présentées dans le tableau 4 à l’échelle de l’espèce et du site, à l’aide des équations présentées dans Royer et al.5 et Butrim et al.10. Les valeurs reconstruites se situent dans la gamme de MA typique des espèces terrestres modernes (30-330 g/m2)49. En utilisant les seuils discutés dans Royer et al.5, la plupart des espèces ont un MA reconstruit qui s’aligne sur la durée de vie des feuilles de <1 an (≤87 g/m2), certaines ~1 an (88-128 g/m2), tandis qu’aucune n’est typique de >1 an (≥129 g/m2). Les reconstitutions de la moyenne et de la variance du site MA reflètent la prévalence et la diversité des stratégies économiques foliaires sur un site10,50. Il n’y a pas de différences importantes entre la moyenne du site et la variance entre H1 et H2, et il n’y a donc aucune preuve que la composition et la diversité des stratégies économiques foliaires aient varié entre les deux points dans le temps. De plus, les reconstructions moyennes du site effectuées à l’aide des équations de Royer et al.5 et de Butrim et al.10 étaient très similaires. Le tableau 5 présente les reconstitutions de la température annuelle moyenne (MAT) et des précipitations annuelles moyennes (MAP) à l’aide des équations de régression linéaire multiple (DiLP) et de régression linéaire simple (analyses de la marge foliaire et de la surface foliaire) présentées dans Peppe et al.6. Les estimations paléoclimatiques sont déduites de manière plus fiable si la physionomie foliaire des assemblages de feuilles fossiles se produit dans l’espace physionomique de l’ensemble de données d’étalonnage. Ceci est évalué par l’étape d’analyse de l’analyse des correspondances canoniques (CCA) effectuée par la fonction dilp_cca(). McAbee H1 et H2 se situent tous deux dans la plage de physionomie foliaire observée dans l’ensemble de données d’étalonnage (figure 7A). Si les sites avaient des valeurs reconstruites qui se situaient en dehors de l’espace d’étalonnage, les reconstitutions paléoclimatiques devraient être interprétées avec prudence (p. ex., en les comparant à des sources de données indépendantes ; voir Peppe et al.6 pour une discussion plus approfondie). La MAT et la MAP reconstituées pour H1 et H2 correspondent à un biome saisonnier tempéré (figures 7B et C), ce qui concorde bien avec des sources de preuves indépendantes, y compris les inférences fondées sur le plus proche parent vivant des communautés florales et d’insectes fossiles à McAbee45. Figure 1 : Physionomie des feuilles et terminologie architecturale tout au long de cet article. (A) Une feuille pennée, non lobée et à marge entière, (B) une feuille à nervures palmées, non lobée et dentée, (C) une feuille pennée, lobée et à marge entière, (D) une feuille à nervures palmées, lobée et dentée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 2 : Organigramme de la méthode. Un organigramme montrant comment les différentes conditions de conservation des feuilles et les différents types de feuilles déterminent quel type général de traits foliaires peut être mesuré de manière fiable (encadré jaune). Cela détermine quel scénario de préparation sera suivi dans le protocole et dans quelles colonnes les données seront saisies dans la feuille de calcul de saisie des données (puces). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 3 : Différents scénarios de préparation. Différents scénarios de préparation montrant des exemples d’images préparées numériquement et prêtes pour la phase de mesure. (A) Scénario 1, feuille à marge entière dont l’aire ou la moitié de la surface ne peut pas être reconstruite, (B) Scénario 5, feuille dentée dont l’aire ou la moitié de la surface ne peut pas être reconstruite et n’a pas ≥2 dents consécutives et/ou ≥25 % de la feuille conservée, (C) Scénario 2, feuille à marge entière dont l’aire, ou la moitié de la surface, est préservée ou peut être reconstruite, (D) Scénario 3, une feuille dentée dont l’aire, ou la moitié de l’aire, ne peut pas être reconstruite mais a ≥2 dents consécutives et ≥25 % de la feuille préservée, (E) Scénario 4, une feuille dentée dont l’aire, ou la moitié de l’aire, est préservée ou peut être reconstruite. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 4 : Illustration de l’enlèvement des dommages. Illustrant comment découper la marge endommagée et la zone foliaire adjacente à cette marge endommagée. Les lignes rouges pointillées indiquent comment les sélections sont effectuées avec l’outil Lasso. Notez que les limites des dommages ont été intentionnellement commencées au niveau des sinus des dents primaires (voir la figure supplémentaire 2 pour aider à différencier les dents primaires des dents secondaires). (A) Une feuille pennée-nervurée où la sélection est prolongée jusqu’à la nervure médiane. (B) Une feuille à nervures palmées dont la sélection est prolongée jusqu’à la nervure primaire la plus proche. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 5 : Exemple d’illustration de la façon de découper des dents. (A) Des lignes rouges pointillées montrent comment les sélections sont effectuées avec l’outil lasso. Notez que dans ce cas, les dents sont composées, donc des sélections ont été faites entre les sinus primaires uniquement (voir la figure supplémentaire 2 pour aider à différencier les dents primaires des dents secondaires), (B) une perspective zoomée de la façon dont la sélection des dents a été effectuée, avec des points rouges représentant l’endroit où la souris a été cliquée pendant la sélection, (C) la copie de la feuille lorsque les dents sont retirées. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 6 : Illustration du scénario de préparation 4. Illustration des décisions de préparation et des étapes de mesure pour un exemple de feuille préparée dans le scénario 4. (A) Un scénario de préparation où il a été décidé qu’une demi-feuille fournissait les mesures de forme et de surface de feuille les plus fiables, et des marges préservées sur les deux moitiés médianes ont été incluses pour les mesures des dents. (B) Un exemple montrant quelles variables sont mesurées sur divers composants de la feuille préparée. Le texte en gras met en évidence les mesures nécessaires pour les analyses DiLP et MA, tandis que le texte non gras (périmètre de la pale, Féret minimum et périmètre central artificiel) met en évidence les mesures qui ne sont pas requises, mais qui sont utiles pour des caractérisations physionomiques supplémentaires (p. ex., facteur de forme et compacité ; Tableau 1). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 7 : Résultats représentatifs. Résultats de deux horizons fossilifères (H1 et H2) échantillonnés dans les lits de fossiles McAbee de l’Éocène inférieur de Lowe et al.38. (A) Analyse de correspondance canonique montrant la représentation de la physionomie foliaire multivariée dans l’ensemble de données d’étalonnage. Les données d’étalonnage proviennent de Peppe et al.6. La physionomie foliaire des deux horizons McAbee se chevauche et se produit dans l’espace de calibration. (B et C) Estimations de la température et des précipitations, et de leur incertitude associée (erreurs-types des modèles), à l’aide d’équations présentées dans Peppe et al.6 des deux horizons McAbee superposés sur un diagramme de biome de Whittaker. (B) Estimations reconstruites à l’aide des modèles de régressions linéaires multiples (MLR) de la physiognomonie numérique des feuilles (DiLP), (C) Estimations reconstruites à l’aide des équations de régressions linéaires simples (SLR) de l’analyse de la surface foliaire (LAA) et de l’analyse de la marge des feuilles (LMA) des deux horizons McAbee superposées sur un diagramme de biome de Whittaker. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Tableau 1 : Variables physionomiques des feuilles. Variables qui sont mesurées et/ou calculées et appliquées dans des modèles prédictifs à l’aide de ce protocole pour reconstruire la masse sèche des feuilles par surface (MA), la température annuelle moyenne (MAT) et les précipitations annuelles moyennes (MAP). La MAT et la MAP sont reconstruites à l’aide d’équations présentées dans Peppe et al.6 à l’aide d’une approche multivariée pour la physiognomonie numérique des feuilles (DiLP) et d’approches univariées pour l’analyse des marges foliaires (LMA) et l’analyse de la surface foliaire (LAA). Les variables répertoriées comme Autres ne sont pas utilisées dans les analyses MA, DiLP, LMA et LAA, mais sont tout de même mesurées et calculées à l’aide de ce protocole car elles sont faciles à mettre en œuvre et fournissent des caractérisations utiles de la physionomie foliaire. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau. Tableau 2 : Considérations et explications supplémentaires pour les étapes de préparation. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau. Tableau 3 : Considérations et explications supplémentaires pour les étapes de mesure. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau. Tableau 4 : Reconstitutions de la masse sèche des feuilles par surface (MA) et des limites supérieure et inférieure associées des intervalles de prédiction à 95 % pour les lits de fossiles McAbee de Lowe et al.38. Des reconstructions sont faites pour la moyenne du morphotype5, la moyenne du site 5,10 et la variance du site10. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau. Tableau 5 : Reconstitutions des précipitations annuelles moyennes tempérées (MAT) et annuelles moyennes (MAP) pour les horizons 1 (H1) et 2 (H2) des lits fossiles de McAbee de l’Éocène inférieur à l’aide des régressions linéaires multiples (MLR) de la physiognomonie foliaire numérique (DiLP) et des régressions linéaires simples (SLR) de l’analyse des marges foliaires (LMA) et de l’analyse de la surface foliaire (LAA) présentées dans Peppe et al.6. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau. Figure supplémentaire 1 : Feuille de Quercus rubra de la forêt de Harvard illustrant la règle du lobe par rapport à la dent. Les segments de ligne p et d sont définis dans le texte. Barres d’échelle = 1 cm. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Figure supplémentaire 2 : Feuille de Betula lutea de la forêt de Harvard illustrant les règles de différenciation des dents secondaires des dents primaires. Le segment foliaire isolé a été agrandi 2X. La ligne bleue relie les sinus ayant le plus grand degré d’incision (c’est-à-dire les sinus primaires), et les dents associées à ces sinus sont considérées comme primaires (flèches bleues). Des points rouges marquent les dents qui peuvent être différenciées en tant que subsidiaires car leurs sinus apicaux sont incisés à un moindre degré. Les dents indiquées par les flèches rouges ont un degré d’incision similaire à celui des dents primaires, mais peuvent être identifiées comme secondaires par une veine principale relativement plus mince que les dents primaires. Barres d’échelle = 1 cm. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Figure supplémentaire 3 : Illustration de la sélection des dents, de la règle du lobe penné et de la règle de priorité du lobe. (A) Sélection de dents pour une feuille d’Hamamelis virginiana de la réserve Huyck. Les zones sombres correspondent au tissu foliaire qui est inclus dans la sélection totale des dents car les dents secondaires sont différenciées des dents primaires. (B) La feuille de Quercus alba de l’IES illustre la règle de priorité des lobes. Les zones sombres sont mesurées comme des lobes, et les zones non sombres sont mesurées comme des dents, mais toutes les projections sont considérées comme des lobes via la règle de priorité des lobes. Barres d’échelle = 1 cm. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Figure supplémentaire 4 : Feuille d’Acer saccharum de la forêt nationale d’Allegheny illustrant les règles d’extension et de dent solitaire. Les lignes pointillées représentent les sélections de dents. La ligne continue représente l’axe de symétrie de la dent associée. La zone noire est un poids utilisé pour aplatir les feuilles pour la photographie. Barres d’échelle = 1 cm. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Figure supplémentaire 5 : Illustration de la manière idéale de découper un pétiole positionné sur une base cordée. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Fichier supplémentaire 1 : Modèle de saisie de données pour toutes les variables de physionomie numérique des feuilles mesurées. Ce fichier ne doit pas être modifié, car il sera utilisé comme fichier d’entrée pour le package R. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Fichier supplémentaire 2 : Exemples de données provenant de lits de fossiles McAbee de Lowe et al.38. Ces données ont été utilisées pour générer la figure 7 et pour discuter des résultats représentatifs. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Dossier supplémentaire 3 : Document de règles pour la physionomie digitale des feuilles fossiles. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

Cet article présente comment les traits continus de la physiognomonie foliaire peuvent être mesurés sur des feuilles fossiles d’angiospermes ligneux et appliqués par la suite à des indicateurs développés à partir de données d’étalonnage modernes pour reconstruire le paléoclimat et la paléoécologie. Pour ce faire, il faut veiller à aligner les étapes méthodologiques sur celles représentées dans les ensembles de données d’étalonnage indirects ^5,6,10. Cette considération commence avant l’application de ce protocole lors de la collecte des feuilles fossiles, notamment en ce qui concerne la taille de l’échantillon. Il est recommandé de regrouper les assemblages de feuilles fossiles dans une gamme aussi étroite que possible de stratigraphie afin d’obtenir un nombre approprié de spécimens et de morphotypes mesurables afin de minimiser la moyenne temporelle. Il est également recommandé de limiter la reconstruction paléoclimatique à des sites contenant au moins 350 spécimens identifiables et au moins 15 à 20 morphotypes d’angiospermes dicotylédones ligneuses 19,51,52. De plus, lors du choix des feuilles pour les analyses, il est recommandé de mesurer autant de feuilles que possible par morphotype et, au minimum, de choisir des spécimens qui représentent la variabilité de la physionomie des feuilles au sein d’un morphotype.

Des précautions supplémentaires doivent être prises lors de la mise en œuvre des sections de préparation et de mesure pour rester cohérentes avec l’ensemble de données d’étalonnage. Les étapes effectuées lors des étapes de préparation ont le plus grand potentiel de subjectivité et de résultats variables entre les utilisateurs. Cependant, si le protocole est suivi délibérément et que les tableaux de considérations supplémentaires (tableau 2, tableau 3) et le document de règles (fichier supplémentaire 3) sont souvent référencés, cette méthode permet d’obtenir des mesures objectives et reproductibles de la physionomie foliaire. Pour les utilisateurs novices de la méthode, il est suggéré de confirmer que les feuilles ont été préparées correctement avec quelqu’un qui a plus d’expérience. Une attention particulière doit être portée lors de la mesure de la largeur du pétiole pour les reconstructions M_A . Comme ces valeurs sont au carré, l’imprécision des mesures deviendra exagérée. Une conservation incomplète et des dommages peuvent modifier les dimensions du pétiole et doivent être soigneusement évités.

Il y a quelques limites à ces méthodes qui méritent d’être notées. Plus important encore, les reconstructions indirectes incluses dans le package dilp R ne concernent que les angiospermes ligneuses dicotylédones et, par conséquent, peuvent exclure d’autres groupes de plantes qui étaient des composants importants d’anciennes communautés. Cependant, d’autres approximations basées sur le pétiole des feuilles pour le niveau de l’espèce M_A ont été publiées pour les gymnospermes pétiolés et à feuilles larges ^5,8, les angiospermes herbacées 8 et les fougères⁹, qu’un utilisateur pourrait incorporer séparément s’il le souhaitait. L’exclusion de groupes végétaux importants dans les communautés au-delà des angiospermes ligneux est probablement la plus importante pour les reconstitutions de la moyenne et de la variance M_A au niveau du site, car elle fournira une perspective incomplète des stratégies économiques au sein de l’ensemble de la communauté. L’histoire phylogénétique influence l’apparition des dents de feuilles²³, introduisant la possibilité que l’analyse de communautés fossiles avec une nouvelle composition taxonomique puisse créer de l’incertitude dans les estimations résultantes, bien que la réalisation de cette influence potentielle n’ait pas encore été testée et démontrée.

Les feuilles fossiles doivent également être conservées de manière adéquate pour intégrer des mesures quantitatives de la physionomie des feuilles au-delà de l’état de marge. Pour DiLP, cela est particulièrement vrai pour les feuilles à marge entière, car elles ne peuvent fournir des informations au-delà de l’état de marge que si la feuille entière, ou la demi-feuille, est préservée ou peut être reconstruite. De même, les feuilles ne peuvent être incorporées dans les reconstructions de M_A que si (1) leur pétiole à son insertion dans le limbe est préservé ou, dans des cas spécifiques, si la base de la feuille et la partie la plus basale de la nervure médiane sont préservées (voir la note à l’étape 3.6), et (2) si la taille de la feuille peut être estimée, soit par mesure de la feuille entière, soit par reconstruction de la demi-feuille. Cela signifie que certains morphotypes peuvent être complètement exclus des analyses M_A au niveau du site. Enfin, le temps est une limitation avec ce protocole, car les alternatives univariées pour les reconstructions paléoclimatiques prennent comparativement moins de temps à produire.

Malgré ces limitations, l’utilisation des méthodes de reconstruction DiLP et M_A présente plusieurs avantages par rapport aux autres méthodes. _Lesreconstructions sont l’un des seuls moyens de reconstruire les stratégies économiques foliaires dans les archives fossiles, et l’utilisation de mesures bidimensionnelles de la largeur du pétiole et de la surface des feuilles permet de faire des reconstructions à l’aide de fossiles de feuilles d’impression/compression courants. Pour DiLP, l’incorporation de plusieurs mesures continues fonctionnellement liées au climat améliore la reproductibilité des mesures et la précision des reconstructions climatiques résultantes ^6,13. Ce protocole est conçu pour tenir compte de la nature incomplète des archives fossiles en permettant de mesurer la dentition des feuilles à l’aide de fragments de feuilles. Bien que les mesures continues de la surface foliaire fournissent plus d’informations sur la taille des feuilles, les estimations du DiLP MAP peuvent être complétées par celles utilisant des classes de taille de feuille dans le but d’augmenter la taille de l’échantillon^16,53 ou en incorporant des estimations de détartrage des nervures de la surface foliaire 42,54,55. Comme pour la plupart des méthodes impliquées, l’efficacité temporelle de ce protocole s’améliorera à mesure que l’utilisateur deviendra plus expérimenté et plus confiant, en particulier dans les étapes de préparation. Le fait que les mesures de DiLP au niveau du site aient été effectuées selon ce protocole pour > 150 assemblages modernes ^6,10,56 et au moins 22 assemblages fossiles à ce jour atteste de sa faisabilité ^{6,38,39,40,41,42}. Enfin, des mesures complètes de la physionomie foliaire ont des applications au-delà de celles discutées ici et peuvent être utiles pour décrire d’autres aspects de l’écologie, de la physiologie, de l’évolution et du développement des plantes, avec une application à la fois aux études modernes⁵⁶ et paléo⁴⁰.

En résumé, la mise en œuvre des méthodes détaillées dans cet article permet à un utilisateur de reconstituer le paléoclimat et la paléoécologie à l’aide de méthodes robustes et reproductibles. Ces méthodes offrent une occasion importante de présenter des exemples passés de réponses climatiques et écosystémiques aux perturbations environnementales et de fournir un aperçu plus approfondi des interactions complexes des systèmes naturels de la Terre.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

AJL remercie l’équipe Leaf de premier cycle 2020-2022 de l’Université de Washington pour la motivation et les suggestions visant à créer des supports de formation efficaces pour DiLP. L’AGF, L’AB, LE DJP et le DLR remercient les nombreux étudiants de premier cycle de l’Université Wesleyan et de l’Université Baylor qui ont mesuré les feuilles modernes et fossiles et dont la contribution a été inestimable dans la modification et la mise à jour de ce protocole. Les auteurs remercient le groupe de travail sur les traits quantitatifs PBot et l’équipe PBOT d’avoir encouragé le travail visant à formaliser ce protocole afin de le rendre plus accessible à des communautés plus larges. Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation (subvention EAR-0742363 au DLR, subvention EAR-132552 à DJP) et l’Université Baylor (Young Investigator Development Program à DJP). Nous remercions deux examinateurs anonymes et le rédacteur en chef pour les commentaires qui ont contribué à améliorer la clarté et l’exhaustivité de ce protocole.

Materials

Copy stand or tripod		For fossil photography
Digital camera		For fossil photography, high resolution camera preferred
Image editing software		For digital preperation. Examples include Adobe Photoshop and GIMP, the latter of which is free (https://www.gimp.org/)
ImageJ software	IJ1.46pr	For making digital measurments, free software (https://imagej.net/ij/index.html)
Microsoft Excel	Microsoft	Or similar software for data entry
R software	The R foundation	For running provided R script (https://www.r-project.org/). R studio offers a user friendly R enviornment (https://posit.co/download/rstudio-desktop/). Both are free.
dilp R Package		Can be installed following instructions here: https://github.com/mjbutrim/dilp

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Lowe, A. J., Flynn, A. G., Butrim, M. J., Baumgartner, A., Royer, D. L., Peppe, D. J. Reconstructing Terrestrial Paleoclimate and Paleoecology with Fossil Leaves Using Digital Leaf Physiognomy and Leaf Mass Per Area. J. Vis. Exp. (212), e66838, doi:10.3791/66838 (2024).

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Reconstruire le paléoclimat et la paléoécologie terrestres à l’aide de feuilles fossiles à l’aide de la physionomie numérique des feuilles et de la masse foliaire par surface

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