Understanding the impacts of land-use change on biodiversity and the ecosystem services that it provides is of great importance given unprecedented growth of the human population. Past studies attempting to explore these impacts have described the overall structure of communities (i.e. species richness and trait diversity) across gradients of local scale degradation and fragmentation, and have sought to identify whether the loss of species following land-use change is non-random. Yet, despite a wealth of research we still lack a generalised understanding of how land-use change impacts on traits responsible for determining species sensitivity and their role within ecosystems, particularly for vertebrates. Moreover, despite the importance of niche-based processes in the assembly of communities, we have not yet elucidated whether these are important in mediating the collapse of communities in human-dominated landscapes. To fill these existing research gaps, I collated comprehensive avian species inventories from fragmented and degraded forests and compared their structure with communities existing in continuous forests. In Chapter 2, I tested whether sensitivity of species to forest fragmentation varies between the temperate zone and the tropics and whether there are key differences in the size of fragments required to maintain ecosystem processes in these regions. I found that sensitivity to fragmentation varies according to functional group and body mass, with the prevalence of insectivores and large frugivores declining in relation to fragment size, particularly in tropical fragments smaller than 100 ha. In Chapter 3, I tested whether functional diversity and the mean position of trait diversity of insectivores and frugivores, changed across a gradient of intensifying land-use change. I found a decline in the functional diversity of forest species and a shift in the mean community traits for both forest and non-forest species. In Chapter 4, I tested whether the structure of tropical bird communities are influenced by species interactions in a fragmented landscape. I found increasing over-dispersion in functional and phylogenetic trait relatedness among species with decreasing fragment size, suggesting that competitive interactions are important in the disassembly of avian communities. In Chapter 5, I modelled the impact of forest cover change on ecosystem function across the Brazilian Amazon, focusing on seed dispersal by birds. Furthermore, I tested whether ecosystem function declined linearly with decreased forest cover after accounting for differences in the underlying pools of species. I found the lowest levels of functional diversity along the southern arc of deforestation and that the dispersal of large seeds showed some resilience to declining forest cover. Taken together, my results suggest that the loss of species from communities in degraded and fragmented landscapes is strongly non-random. Insectivores and large frugivores are most sensitive to land-use change, with species located in the densest parts of trait space being most threatened by a decline in forest patch size, suggesting that species interactions regulate the collapse of avian diversity in human-modified forests. I conclude that land-use change has important implications for the provisioning of ecosystem services, including seed dispersal and the control of insect herbivores. The impact of future land-use change is likely to be mediated by the composition of the original pool of species and the amount of redundancy in the ecosystem services that they provide. I discuss the relevance of my findings to land-use management strategies and policy interventions, and in particular conclude that these should, where possible, maintain pristine forest patches above 1000 ha, improve connectivity among habitat patches, and ensure greater protection for logged and burnt forests. Future studies should focus on clarifying the link between shifts in vertebrate community structure and the functioning of forest ecosystems.

Aujourd'hui la perte et la transformation des habitats sont les principales menaces qui causent la diminution de la diversité biologique. A Madagascar, 90% des espèces végétales sont endémiques de l’île et la plupart des formations végétales sont actuellement fortement dégradées ou remplacées par des formations secondaires résultant des activités humaines. Le bois de tapia, dominé par l’espèce endémique de Madagascar Uapaca bojeri, est une formation végétale sclérophylle limitée aux Hautes Terres de l’île. Cette formation, adaptée et résistante au régime de feu naturel de la région, est aujourd'hui fragmentée, couvrant une surface équivalente à 132 255 ha au total. Afin d’augmenter la protection du bois de tapia, une nouvelle aire protégée (NAP) a été établie sur le Massif d’Ibity. L’état actuel de la végétation de bois de tapia est le résultat de l’interaction de facteurs comme le type de sol, le climat, les pratiques humaines traditionnelles et le feu. Bien que le feu soit un des phénomènes qui fasse partie de la dynamique de cette végétation, le régime de feu actuel est également une des causes de sa dégradation. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier le rôle du feu sur le cycle démographique et certains processus importants pour l’installation et le recrutement. Ainsi, la germination, la phénologie et la résistance des plantules au feu ont été étudiées. Cette recherche montre que le problème actuel du bois de tapia est 1) la réduction de la floraison et de la fructification par les fréquences de feu élevées ; 2) la réduction du pourcentage de germination après l’exposition des graines à de hautes températures, et 3) la mortalité élevée des plantules après le passage d’un feu, en particulier quand la quantité de combustible est élevée. Ainsi l’installation et le recrutement des espèces ligneuses sont limités par le feu, qui a un effet négatif sur la régénération naturelle. La gestion du feu autour de l’aire protégée est ainsi nécessaire pour sa conservation / Currently loss and transformation of habitats are the main threats which cause the decrease of biological diversity. In Madagascar, 90% of plants species are endemic of the island and most of the plant formations types are at present strongly degraded or replaced by secondary formations resulting from human activities. Tapia woodland, dominated by the endemic tree Uapaca bojeri, is a sclerophyllous vegetation type limited in the Malagasy highlands. This vegetation type, adapted and resistant to the natural fire regime, is very fragmented today, covering a surface equivalent to 132 255ha on the island. In order to increase the protection of tapia woodland, a new protected area was established on Ibity massif. The current state of the woody vegetation is the result of the interaction of some factors as soil type, climate, human traditional practices and fire. Although fire is one of the phenomena that determine the dynamics of this vegetation, the current fire regime is also one of the main causes of degradation. The objective of this thesis is to study the role of fire on the demographic cycle and on some main processes for installation and recruitment. Thus, germination, plant phenology and seedlings resistance after burnt were studied. This research shows that the current problem of tapia woodland are 1) the reduction of flowering and fruiting by high fire frequencies; 2) the reduction of germination percent after seed exposure with high temperatures, and 3) high seedlings mortality after burnt, in particular when the quantity of fuel is raised. Installation and recruitment of woody species are limited by fire, which has a negative effect on natural regeneration. Fire management around the protected area is thus necessary for its conservation

207 postes pluviométriques de l’Agence brésilienne sur l’eau (ANA) dans le sud de l'Amazonie et au nord du Cerrado sont analysés, tout en utilisant des tests non-paramétriques de Pettitt qui identifie les ruptures dans les séries chronologiques de pluviométrie, le test de Mann-Kendall qui détecte des tendances annuelles et saisonnières des indices pluviométriques, ainsi qu’un modèle de régression linéaire qui identifie les tendances subtiles de croissance ou décroissance dans les précipitations. Le test de Pettitt a indiqué 16% des ruptures dans les séries chronologiques des précipitations, et le test mensuel/saisonnière de Mann-Kendall a mis en évidence que 41% des postes ont des tendances négatives, principalement dans les saisons de transition (début et fin de la saison de pluie). Le modèle de régression linéaire a montré que 63% des données ont présenté des tendances négatives. Et en fine échelle les données temporelles nous ont permis d’identifier les dates de début et fin de la saison des pluies. Les résultats suggèrent qu'il existe de forts contrastes entre l'Amazonie et le Cerrado. Cette analyse chronologique a également indiqué que durant la période couverte par l’étude il y a eu un retard dans le début de la saison des pluies pour 84% des postes pluviométriques, et pour la fin un décalage prématuré de 76%, et pour son ampleur une diminution en 88%. L’analyse de krigeage exponentielle ordinaire des postes pluviométriques dans les zones déboisées a également révélé qu’il y a d’importantes chances que la déforestation soit un adjuvant à l'affaiblissement de la saison des pluies, en particulier dans les zones fortement déboisées de l’État de Mato Grosso et les régions au nord de l’État de Rondônia. Dans ce travail, des séries chronologiques des précipitations sont mises en corrélation avec des données d’occupation du sol, acquises par des images satellites Landsat 5, à partir d'une perspective temporelle. Cette analyse des zones tampons (1-50km) est divisée par 3 périodes de couverture forestière (avant 1997, parmi 1997-2010 et 2010) a indiqué que sur le plan local, au niveau des précipitations, il n’existe pas de corrélation. Pourtant, la méthodologie des zones tampons a suggéré que dans les grandes zones forestières, elle peut éventuellement s’appliquer. Malgré que les données climatiques ne montrent pas decorrélation significative avec les données de la couverture forestière, les analyses de Pettit, Mann-Kendall, la régression linéaire et l'identification de la saison des pluies rejoignent des découvertes récentes sur les modèles de circulation de large-échelle / 207 Rain Gauges (RG) of the Brazilian National Agency for Water (ANA) were analyzed using statistical non-parametrical tests. The Pettitt’s test identified ruptures in the chronological rainfall series, while the Mann-Kendall’s test detected annual and seasonal tendencies in rainfall indexes and a linear regression analysis identified slight gain or loss in precipitation. Pettitt’s test indicated 16% of ruptures in the chronological rainfall series at the same time as Mann-Kendall’s monthly test put in evidence 41% of the RG having negative trends in transition seasons (onset and offset of the rainy season). Lastly the linear regression analysis showed 63% of data having negative trends. Additionally the dates of onset and offset of the rainy season were identified and its results submitted to Mann-Kendall’s and the linear regression approach. The data suggests strong contrasts between the Southern Amazon and the Northern Cerrado showing a delay on the onset of the rainy season for 84% of the RG, a premature offset for 76% and a reduction in the rainfall seasonal extend for 88%. An exponential ordinary kriging analysis of RG in deforested areas also revealed major chances of deforestation areas working as an adjuvant in the weakening of the rainy season- especially in highly deforested areas of the Mato Grosso State and the northern Rondônia. Aiming to build a tool to detect interactions between land surface and rainfall patterns the207 RG were correlated through a buffer zones analysis with land use data acquired from satellite LANDSAT 5. The time frame previously selected was divided into three periods of forest cover (before 1997, between 1997-2010 and acumulated for 2010). The cross-related buffer zones analysis (1-50km) indicated at local level that precipitation patterns are not well correlated to forest cover. Yet the buffer zones methodology suggested that as larger the forest areas are, larger are the probabilities of those influencing precipitation at regional scale, contrary to forest fragments in local level. Despite the climatic data in the buffer analyzes do not reveal significant correlation to forest cover, the statistic Pettit and Mann-Kendall tests, the linear regression analyzes and the identification of the rainy season, confirmed a fine linkage with recent findings which focus large-scale circulation models including forest cover as a variable / Este estudo analisou 207 estações pluviométricas da Agência Nacional das Águas (ANA) no Sul da Amazônia e no Cerrado no período de 1970-2010, utiizando-se dos testes estatísticos não-paramétricos de Pettitt que identifica rupturas nas séries cronológicas pluviométricas, o teste de Mann-Kendall que detecta tendências anuais e sazonais dos índices pluviométricos, e uma análise de regressão linear que identifica tendências sutis de acréscimo ou decréscimo nas precipitações. O teste de Pettitt indicou um total de 16% de rupturas nas séries cronológicas de chuva enquanto que o teste sazonal/mensal de Mann-Kendall coloca em evidência que 41% das estações apresentam tendências negativas principalmente nas estações de transição (início e fim da estação chuvosa). Já a análise de regressão linear indicou que 63% dos dados apresentam tendências negativas nas precipitações. Como complemento também foram identificadas as datas do início e fim da estação chuvosa. Esta se deu por meio da adaptação de método estatístico atrelado às análise de tendências de Mann-Kendall e de regressão linear. Os resultados sugerem fortes contrastes entre o Sul Amazônico e o Cerrado. Esta análise cronológica do período chuvoso indicou o atraso significativo no início da estação chuvosa para 84% das estações, e um fim prematuro em 76%, além da redução do período em 88% dos casos. Por fim, foi desenvolvido,examinado e verificado a correlação de dados climáticos e cobertura do solo através da análise climática oriunda da regressão linear, e da classificação do uso da terra adquiridos do satélite LANDSAT 5 a partir de uma perspectiva temporal. A correlação dos dados delimitados por zonas tampão de 1-50km e divididos em 3 períodos cronológicos anteriores a 1997, entre 1997-2010 e o acumulado de 2010 contemplam o total de floresta. As análises indicam que os padrões de precipitação local não são correlacionados diretamente a cobertura florestal. No entanto, a metodologia de zonas tampão sugere que quanto maiores as áreas de floresta, maiores são as probabilidades destas influenciarem as precipitações, ao contrário de pequenos fragmentos florestais como indicado nos resultados das correlações até 50km. Apesar dos dados climáticos não mostrarem correlação significativa com os dados da cobertura florestal, as análises dos testes de Pettit, Mann-Kendall, regressão linear e de identificação do período chuvoso vão em direção de descobertas recentes com foco nos modelos de circulação em larga-escala, que incluem a cobertura florestal como variável

L’atrazine, un des herbicides les plus utilisés pour contrôler le développement des plantes adventices dans les cultures, a conduit à la contamination de l’environnement. L’exposition chronique à cet herbicide a conduit à l’émergence de populations microbiennes du sol capables de dégrader l’atrazine et de l’utiliser comme une source d’azote pour leur croissance. Ces populations microbiennes sont responsables de la biodégradation accélérée (BDA) de l’atrazine, un service écosystémique contribuant à diminuer la persistance de cet herbicidedans l’environnement. L’objectif de ce travail était d’étudier les mécanismes génétiques et physiologiques responsables du fonctionnement et de l’amélioration de ce service écosystémique. Nous avons appliqué une démarche expérimentale allant des gènes codant la dégradation à des communautés microbiennes afin d’identifier les processus adaptatifs impliqués dans l’évolution de la fonction de BDA de l’atrazine.Le premier volet a consisté à évaluer l’importance de mutations accumulées dans le gène atzA dans la transformation de l’atrazine en hydroxyatrazine catalysée par AtzA. Le séquençage de gènes atzA de différents isolats bactériens dégradant l’atrazine (Pseudomonas sp. ADP WT, Pseudomonas sp. ADP Ps et différents Chelatobacter heintzii) a montré que la séquence du gène atzA était très conservée. Toutefois quatre mutations non silencieuses ont pu être identifiées (1 chez Pseudomonas sp. ADP MSE et 3 chez Chelatobacterheintzii). La modélisation de la structure de la protéine AtzA a permis de montrer que trois des mutations étaient situées dans des régions importantes (site actif, poche de liaison avec l’atrazine et liaison avec le métalFe2+. [...] Le second volet a consisté à étudier la plasticité de la voie de biodégradation de l’atrazine dans deux conditions opposées : (i) la première visait à évaluer la persistance de la capacité de dégradation en absence de pression de sélection et (ii) la seconde visait à évaluer l’évolution de la capacité de dégradation en présence d’une pression de sélection élevée. Pour conduire ces études, des manipulations d’évolution expérimentale sur Pseudomonas sp. ADP ont été menées. (i) L’exposition à l’acide cyanurique, intermédiaire métabolique de l’atrazine, a conduit à la sélection d’une population nouvellement évoluée capable de croître plus rapidement dans un milieu de culture ne contenant que l’acide cyanurique comme source d’azote. Cette population est caractérisée par une délétion d’une région de 47 kb du plasmide ADP1 contenant les gènes atzABC. Les analyses conduites ont permis de conclure que le gain de compétitivité de la population évoluée résidait dans la perte du fardeau génétique représenté par la région de 47 kb, la capacité de dégradation de l’acide cyanurique restant inchangée. (ii) L’exposition à l’atrazine a conduit à la sélection d’une populationnouvellement évoluée caractérisée par l’insertion du plasmide ADP1 en quasi-totalité sur le chromosome bactérien. [...] Le troisième volet a consisté à développer un outil permettant d’évaluer, à l’échelle d’une communauté microbienne synthétique, l’évolution du potentiel génétique dégradant. Pour ce faire quatre souches dégradantes dont une, Arthrobacter sp. TES6, isolée au cours de cette étude, ont été choisies. [...] Ces travaux montrent que la fonction de biodégradation accélérée de l’atrazine est très versatile et qu’elle est en constante évolution. Il met en évidence que le principal facteur pilotant cette évolution est le niveau d’exposition des populations dégradantes au pesticide. / Atrazine, one of the most used herbicide to control the development of weeds in crop, has led to the contamination of the environment. Repeated exposure to this herbicide resulted in the emergence of microbial populations able to degrade atrazine and to use it as a nitrogen source for its growth. These microbial populations are responsible for accelerated biodegradation of atrazine (BDA), a key ecosystemic service diminishing the persistence of this herbicide in the environment. The aim of this PhD work was to study genetic and physiological mechanisms responsible for functioning and improving of this ecosystemic service. We applied an experimental approach starting from genes to communities degrading atrazine in order to identify processes of adaptation involved in the evolution of accelerated biodegradation function.The first part of the PhD aimed at evaluating the importance of accumulation of single mutations in the atzA gene for the activity of AtzA transforming atrazine to hydroxyatrazine. Sequencing or atzA genes amplified from different atrazine-degrading isolates (Pseudomonas sp. ADP WT, Pseudomonas sp. ADP Ps and differents Chelatobacter heintzii) showed that atzA sequence was conserved. However, four non synonymous mutations were identified (1 for Pseudomonas sp. ADP Ps and 3 for Chelatobacter heintzii). Modeling of AtzA structure showed that three mutations were located in important regions (active site, interaction with atrazine and with the metal Fe2+). [...] The second part aimed at studying the plasticity of the atrazine-degrading pathway in two opposed conditions: (i) one aiming at evaluating the persistence of degrading capability in absence of selection pressure and (ii) a second one aiming at evaluating the evolution of degrading capability under high selection pressure exerted by atrazine. With these aims, experimental evolutions were carried out with Pseudomonas sp. ADP. (i) We showed that cyanuric acid exposure led to the selection of a newly-evolved population characterized by increased growing ability on culture medium containing this substance as nitrogen source. This population is characterized by the deletion of a 47 kb region containing atzABC genes from ADP1. We showed that increased fitness of newly-evolved population was due to the selective loss of the genetic burden represented by the 47 kb region, the cyanuric acid degrading ability remaining unchanged. (ii) Atrazine exposure led to the selection of population characterized by the insertion of ADP1 plasmid in the bacterial chromosome. [...] The third part aimed at developing a tool allowing monitoring the evolution of atrazine-degrading genetic potential at the scale of a synthetic microbial community. To do so four degrading strains among which, one was isolated in this study, were chosen. [...] Altogether, these results showed that the atrazine accelerated biodegradation function is highly versatile and under constant evolution. Furthermore, they highlight that the exposure to atrazine is the key parameter driving the evolution of degrading population

La pollinisation entomophile est essentielle pour la production de 70% des cultures à travers le monde. Cependant la contribution des pollinisateurs dans la production agricole reste peu renseignée ainsi que les insectes qui sont impliqués. De plus, lorsque la contribution des pollinisateurs est quantifiée, le bénéfice est calculé à des échelles biologiques ou dans des conditions simplifiées qui peuvent être non représentatifs des bénéfices à l’échelle de la parcelle. Par ailleurs, les possibles interactions entre les pollinisateurs et les pratiques agricoles ne sont généralement pas pris en compte. L’objectif général de cette thèse était donc de quantifier la contribution des pollinisateurs directement dans les parcelles agricoles dans deux cultures fréquemment retrouvées en Europe, le colza et le tournesol. Ces estimations sont réalisées à l’échelle de la parcelle ainsi qu’à l’échelle de la plante pour comprendre les mécanismes qui permettent l’augmentation de la production agricole. Ces études nous ont permis aussi d’identifier les principaux pollinisateurs de ces deux cultures.Dans un premier temps, nous avons quantifié le bénéfice des pollinisateurs dans les rendements de tournesol et de colza. Nous montrons que le colza et le tournesol partagent une même guilde de pollinisateurs, les abeilles domestiques. Les abeilles sauvages sont aussi d’importants pollinisateurs pour le colza. Les pollinisateurs augmentent les rendements de colza de plus de 35% et ceux du tournesol de 40%, à l’échelle de la parcelle. A l’échelle de la plante, que ce soit pour le colza et le tournesol, les pollinisateurs augmentent le succès de pollinisation et donc le nombre de graines par plante.Dans un deuxième temps, nous avons comparé le bénéfice des pollinisateurs par rapport à ceux des pratiques agricoles en termes de rendement et de gain monétaires dans les parcelles de colza, tout en regardant plus précisément leurs possibles interactions. Nous montrons que le bénéfice des pollinisateurs dans les rendements s’additionnent à ceux des pratiques agricoles excepté avec les insecticides qui réduisant la contribution des pollinisateurs. De plus, nous montrons que les pollinisateurs sont d’importants contributeurs du rendement et des revenus agricoles en augmentant le bénéfice des agriculteurs de 250 € par hectare alors qu’au contraire plusieurs pratiques peuvent être très couteuses pour ces mêmes agriculteurs. Finalement, nous étudions l’effet des pollinisateurs sur la qualité lipidique des graines de colza qui est une autre facette de la production agricole. Nous montrons que les abeilles domestiques améliorent la qualité des graines en augmentant le pourcentage d’acides gras insaturés tout en réduisant les acides gras trans- et saturés. Pour certaines années, les abeilles domestiques augmentent aussi le pourcentage de lipide par graine.En conclusion, nous montrons que les pollinisateurs sont essentiels à la production agricole à la fois sur le rendement, les revenus agricoles et sur la qualité. Plusieurs mesures doivent être mises en place pour promouvoir les pollinisateurs dans les milieux agricoles dans le but de les préserver et d’assurer une production agricole durable pour ces deux cultures. / Insect pollination is essential for over 70% of crops around the world. However, the contribution of pollinators to crop production and the insects involved in crop pollination have rarely been studied. Moreover, assessments of pollinator contributions have mostly been conducted on a small scale or under simplified conditions, which do not represent the real contributions at the field scale and do not take into account possible interactions between pollinators and farming practices. The aim of this study is to quantify directly under field conditions, the contribution of pollinators in two crops frequently cultivated in Europe: oilseed rape and sunflower. Estimations are realized both at the plant and at the field scale to understand mechanisms that increase crop production. Our studies identify also these crops’ pollinators.In a first step, we quantified the contributions of pollinators to oilseed rape and sunflower yield. Oilseed rape and sunflower share a pollinator guild - the honeybee. Wild bees also increase oilseed rape yield. Pollinators increase the yield of oilseed rape by up to 35% and of sunflower by up to 40%. At the plant scale, pollinators increase pollination success and consequently the number of seeds per plant.In a second step, we compared for oilseed rape the yield and the monetary contributions of pollinators and farming practices by taking their potential interactions more accurately into account. We show that the benefits of pollinators and farming practices on yield were additive except for insecticide use, which decreased the contribution of pollinators. In addition, we show that pollinators were important contributors to the farmers’ incomes by increasing gain by 250 € per hectare while some practices were very expensive for farmers.Finally, the effect of pollinators was studied on oilseed rape seed quality - another component of crop production. We show that honeybees improve seed quality by increasing the percentage of unsaturated fatty acids in seeds and decreasing trans-saturated and saturated fatty acids. In some years, honeybees increased also the percentage of lipids per seed.We conclude, pollinators are essential for crop production by increasing both yield, monetary gain and quality. Several measures must be taken to promote pollinators in agricultural land in order to conserve them and ensure sustainable crop production for these two crops.

Comprendre comment les pratiques agricoles affectent l’assemblage des communautés de plantes adventices dans les parcelles de grandes cultures annuelles est un enjeu majeur en agro-écologie. Les plantes adventices sont supposées partager certaines caractéristiques écologiques qui leur permettent de se maintenir dans les parcelles cultivées malgré les contraintes environnementales exercées par les pratiques agricoles. De plus, l'assemblage des communautés adventices est supposé dépendre d'interactions entre des processus écologiques opérant pendant une année de culture (par exemple : filtre abiotique) et à l'échelle de la succession des années de cultures (par exemple : dispersion temporelle). Les travaux présentés dans cette thèse ont pour but de tester ces deux hypothèses.Premièrement, nous avons comparé les pools d’espèces adventices aux plantes non adventices retrouvés dans les milieux ouverts et non cultivés sur la base de traits fonctionnels pour identifier les caractéristiques écologiques propres aux adventices. Les résultats montrent que les plantes adventices représentent un sous-échantillon des plantes retrouvées plus largement dans les milieux ouverts principalement filtré par les perturbations type travail du sol. Deuxièmement, j'ai proposé des dynamiques de type méta-communautés temporelles pour prédire les patrons de diversité attendus en fonction de l'influence de la dispersion temporelle et des variations temporelles des conditions environnementales sur l'assemblage des communautés. J'ai ensuite testé ces prédictions et quantifié la contribution relative des processus écologiques contemporains et passés sur l’assemblage d’une communauté. Pour ce faire, j'ai utilisé le jeu de données Biovigilance flore qui est un suivi sur une décennie des communautés de plantes adventices observées dans 1400 parcelles cultivées. Mes résultats montrent que l’assemblage d’une communauté de plantes adventices dépend d'interactions entre la dispersion temporelle et les conditions environnementales contemporaines de ladite communauté. De plus, mes travaux suggèrent que les risques d’extinctions des espèces adventices augmentent pour des niveaux de variations temporelles des conditions environnementales forts. Analyser directement la composition des banques de graines adventices me permettrait de valider cette hypothèse. Finalement, mes résultats confirment que l’assemblage des communautés adventices est largement imprévisible. Je propose donc un scénario basé sur la théorie des dynamiques de patches et du priority effect pour expliquer ce phénomène.En conclusion, les travaux présentés dans ce manuscrit nous permettent de mieux comprendre comment les pratiques agricoles interagissent avec des processus écologiques à différentes échelles spatiales et temporelles pour façonner les communautés de plantes adventices. / Understanding how farming practices affect weed community assembly in arable fields is a core challenge of agro-ecology. Weeds are supposed to share particular ecological characteristics that allow them to colonize arable fields despite environmental constrains exert by farming practices. In addition, interactions between ecological processes operating during a cropping season (eg: abiotic filtering) and at the scale of crop succession (eg: temporal dispersal) are supposed to drive weed community assembly in arable fields. These two hypotheses have been tested in my phD work.First, we compared a pool of weed species to a pool of non-weed herbaceous plants based on several functional traits to identify which functional traits and which strategies best characterized weeds. Our result brought evidences that weeds are a subset of non-weed herbaceous plant principally filtered out in arable fields by disturbances such as tillage. Second, I proposed different expected diversity patterns according to the influence of temporal dispersal and temporal variation of environmental conditions within temporal meta-community dynamics. Then I tested these predictions and quantified the respective contribution of contemporary and past ecological processes on weed community assembly. To do so, I used long term weed monitoring Biovigilance Flore dataset. Results showed that weed community assembly relies on complex interactions between temporal dispersal and contemporary environmental conditions. In addition, weed extinction risk seemed to increase for strong temporal variation of environmental conditions. However weed seed bank analyses are needed to confirm this hypothesis. Finally, my results confirmed that weed community assembly is largely unpredictable. I propose that patch dynamics and priority effects may explain this phenomenon.To conclude, the work presented here shade new lights on how farming practices interact with ecological processes across temporal and spatial scales to drive weed community assembly in arable fields.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) constituent un groupe de polluants organiques persistants (POP). Ils sont produits par la combustion incomplète de la matière organique et peuvent être transférés sur de longues distances. Leur nature organique et hydrophobe leur confère une affinité vis-à-vis des surfaces lipidiques et des compartiments contenant de la matière organiques. Ils peuvent donc s’adsorber sur les matrices végétales et sur la matière organique des sols. La canopée, du fait de sa rugosité aérodynamique importante, constitue un puits important de HAP. Dans cette étude, nous avons suivi l’évolution de la concentration en HAP, sur une période de 20 ans (de 1993 à 2011), dans la végétation (feuilles/aiguilles), les couches organiques (OL, OF et OH) et les couches organo-minérales (0 – 10 cm, 10 – 20 cm et 20 - 40 cm) des sites forestiers français suivis par le réseau RENECOFOR (Réseau National de suivi à long terme des ECOsystèmes FORestiers).14 sites répartis sur tout le territoire français ont été choisis selon des caractéristiques différentes (type de l’essence forestière, climat, altitude, latitude, longitude, type d’humus forestier, contenu en carbone organique, etc.). Ainsi, 14 HAP considérés comme prioritaires par l’agence de protection de l’environnement des Etats-Unis (US-EPA) ont été quantifiés.Cette étude a mis en évidence l’efficacité de la végétation dans l’enregistrement de l’historique de la qualité de l’air des sites forestiers. Une baisse générale de la concentration en HAP dans la végétation et dans l’atmosphère pendant les 20 dernières années a été constatée. La végétation joue le rôle d’une pompe qui accumule les HAP et les transferts vers les sols forestiers. Le contenu en carbone organique semble être le paramètre contrôlant l’accumulation des HAP dans les sols forestiers. Ainsi, la dynamique des HAP entre les différents compartiments forestiers semble dépendre de leurs propriétés physico-chimiques et de leur capacité à subir des mécanismes de dissipation (lixiviation, dégradation, etc). Enfin, cette étude montre que les couches organo-minérales des sols forestiers constituent un puits plus important de HAP (légers, intermédiaires et lourds) que la végétation et les couches organiques dans l’écosystème forestier. / Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a group of persistent organic pollutants (POPs). They are produced by incomplete combustion of organic matter and can be transported over long distances in the atmosphere. Because of their organic and hydrophobic nature they have a strong affinity for lipid surfaces and compartments containing organic matter. They can therefore be adsorbed on the plant matrices and on the organic matter of the soils. The canopy, due to its important aerodynamic roughness, constitutes an important sink for PAHs.In this study, we have monitored the evolution of PAHs concentrations over a period of 20 years (from 1993 to 2011) in 3 compartments of the forest ecosystem: vegetation (leaves / needles), organic layers (OL, OF and OH) and organo-mineral layers (0-10 cm, 10-20 cm and 20-40 cm) of French forest sites monitored by the RENECOFOR network (National Network for Long-term FOrest ECOsystem Monitoring).4 sites distributed throughout France were selected according to different characteristics (type of forest species, climate, altitude, latitude, longitude, type of forest humus, organic carbon content, etc.). Thus, 14 PAHs, considered as priority pollutants by the United States Environmental Protection Agency (U.S. EPA), were quantified.This study highlights the efficiency of vegetation in registering the history of air quality at forest sites. A general decrease in the concentration of PAHs in vegetation and in the atmosphere over the past 20 years has been observed.Vegetation plays the role of a pump that accumulates PAHs and transfers them to forest soils. Organic carbon content appears to be the most important parameter controlling PAHs accumulation in forest soils. Thus, PAHs transfer between the different forest compartments appears to depend on their physico-chemical properties and their ability to undergo dissipation mechanisms (leaching, degradation, etc.).Finally, this study shows that the organo-mineral layers of forest soils constitute a more important sink of (light, intermediate and heavy) PAHs than vegetation and organic layers in the forest ecosystem.

Les adventices sont la principale menace pour les cultures, pour les gérer le moyen le plus utilisé est l’application d’herbicides. Leur emploi doit être réduit en raison de problèmes de santé et d'environnement. Pour les remplacer, il faut mettre en place des combinaisons de pratiques culturales. Cette complexification de la gestion des adventices, la nécessité de la raisonner sur le long terme et la multiplicité des impacts du système de culture font que les outils de modélisation sont d'une grande aide pour concevoir des systèmes de culture innovants. L'objectif de la thèse est de développer un outil d'aide à la décision (OAD) pour des conseillers agricoles afin d'assister la reconception de systèmes de culture moins consommateurs en herbicides. Notre approche consiste à déterminer la structure de ce nouvel OAD en interaction avec les futurs utilisateurs et son contenu biophysique à partir du fonctionnement de l'agroécosystème d'un modèle de recherche. Ce modèle est FLORSYS, un modèle mécaniste de « parcelle virtuelle » qui simule la dynamique de la flore adventice et du couvert cultivé en fonction des systèmes de culture et du pédoclimat et qui en déduit des indicateurs d'impact de la flore adventice sur la production agricole et les services écosystémiques. La thèse comprend trois étapes : (1) accélération de FLORSYS en méta-modélisant, par polynômes du chaos, son module le plus lent, le module d'interception du rayonnement lumineux individu-centrée du couvert culture:adventices avec transfert et interception de la lumière simulée au niveau du voxel (pixel 3D); (2) identification des pratiques culturales ayant le plus d'effet sur les indicateurs d'impact de la flore adventice, par fouille de données sur un très grand nombre de systèmes de culture réels simulés avec FLORSYS. Pour élargir la gamme des combinaisons d'entrées explorées, des systèmes de culture aléatoires ont été ajoutés à l'analyse. Des forêts aléatoires ont permis d'établir des grilles des techniques culturales les plus influentes en fonction des objectifs visés ; les arbres de régression identifient les combinaisons de pratiques culturales permettant d'atteindre ces mêmes objectifs; (3) en parallèle, le co-développement de la structure de l'OAD avec les futurs utilisateurs s’est fait via enquêtes et ateliers de co-conception de systèmes de culture, en termes de questions traitées, choix et formats des entrées et sorties etc. Dans l'étape (1), la comparaison entre la version voxelisée et la version méta-modélisée au niveau de la plante entière a mis en lumière le compromis précision/rapidité du modèle. Le métamodèle est plus rapide pour tester des stratégies d'agriculture de précision nécessitant de connaître précisément la position et le volume des plantes. Dans les autres cas, diminuer la précision en utilisant la version voxelisée avec un grand voxel est plus rapide. L'étape (2) montre que pour réduire l'impact des adventices sur la production, le travail du sol, principalement en été, et l’utilisation d’herbicides sont les pratiques les plus influentes. L'étape (3) a identifié deux cas d'utilisation pour le futur OAD : la reconception de systèmes de culture nécessite un OAD synthétique basé sur des méta-règles de décision; le réajustement de système de culture nécessite un OAD plus détaillé en termes de description du système de culture et des effets de la flore. L'OAD synthétique est composé de grilles de conseil, d'arbres de décision et d’un simulateur rapide basé sur des forêts aléatoires; sa facilité et sa capacité à prédire à la fois des éléments connus mais aussi surprenants pour les conseillers, en font un intéressant support lors d'ateliers de conception de systèmes de culture pour proposer les grandes lignes de reconception des systèmes de culture multiperformants. L’OAD détaillé sera une version de FLORSYS pré-paramétrée pour différentes régions pour ajuster finement des systèmes de culture candidats à chaque type de situation d'agriculteur. / The main threat to agricultural crops are weeds with herbicides being the primary cropping management practice. Due to the negative impact of herbicides on health and environment, their use must be reduced. To replace herbicides, numerous cropping practices need to be implemented. This makes weed management more complicated and, together with necessity of scheduling operations at long-term and the multiplicity of cropping system impacts, explains why models are so useful for designing innovative cropping systems. The aim of this thesis was to develop a Decision Support System (DSS) intended for crop advisors to help design cropping systems that are less dependent on herbicides. Our approach consisted in identifying the structure of the DSS in interaction with future users while using an existing research model for the biophysical content of the tool. The research model, FLORSYS, is a mechanistic model of a “virtual field” simulating the weed flora dynamics from both cropping systems and pedoclimatic conditions. As output, it provides weed impact indicators, both for crop production and ecosystem services. This work was achieved via three steps: (1) increasing the speed of FLORSYS simulations by metamodelling, via polynomial chaos extension, the slowest submodel, i.e. the radiation interception. This submodel is based on a 3D representation of each plant of the crop:weed canopy where the transfer and interception of the radiation is computed at a voxel (3D pixel) scale. (2) The identification of the most influential cropping practices on weed impacts indicators via datamining on a wide range of simulated cropping systems with FLORSYS. To widen the range of cropping systems, random cropping systems were added to the study. Random forest allowed the construction of charts of the most important cropping practices contingent on different objectives; classification and regression trees gave the optimal combinations of practices leading to those objectives. (3) Simultaneously, the co-development of the structure of the DSS with future users was done via surveys and workshops to design cropping systems. These interactions aimed at defining which questions should be answered with the DSS, which inputs and outputs, and with which format, should be used. In step (1), the simulation time of the voxelised FLORSYS and the FLORSYS metamodelled at the scale of the plant highlighted the precision/speed trade-off of the model. The metamodel is faster for agricultural practices requiring precise knowledge of the position and volume of plants. In other cases, decreasing the precision by using the voxelized FLORSYS with an increased voxel size is much faster. Step (2) shows no general conflict between crop protection and ecosystem service indicators. The conservation of both crop protection and ecosystem services is thus possible, except for bee food offer. To reduce weed impacts on production, tillage, especially in summer, and herbicide use are the main cropping techniques. In step (3) two use cases were identified: (1st) the redesign of a cropping system requires a synthetic tool, based on meta-decision rules (e.g. rotating winter and spring crops, ploughing once every three years); (2nd) adjusting cropping practices requires a detailed tool, with detailed inputs on the cropping system. The synthetic DSS is composed of charts of the most important cropping system practices, of decision trees, and an emulator of FLORSYS based on random forests. Its capacity to predict known facts makes it an essential discussion medium for cropping system design workshops, particularly to suggest the outlines of multi-performant cropping systems. The detailed DSS consists of a pre-parameterized version of FLORSYS for different regions, to allow the fine tuning of cropping systems to constraints and objectives of farmers.

Le blé (genre Tritucum aestivum, famille des Poaceae) est une céréale d’intérêtagronomique très important. Certaines variétés très anciennes sont mise de côté pour desvariétés plus récentes souvent sélectionnées pour répondre à une culture intensiveconsommatrice de produits phytosanitaires. L’agriculture biologique, système de productionsupposant une réduction des intrants chimiques de synthèse afin de préserver l’écosystème,peut se définir comme une pratique où l’emploi d’engrais synthétiques, de pesticideschimiques et d’organismes génétiquement modifiés est prohibé.Cette pratique gagne de plus en plus en popularité et la superficie des terres cultivéesde cette manière a crû de 60 % entre 2000 et 2004, sur la planète. Les contraintes associées àla production de céréales biologiques comprennent la baisse de rendement attribuable auxcarences d’éléments nutritifs dans le sol et la concurrence des mauvaises herbes. Au cours des90 dernières années, les efforts internationaux d’amélioration du blé se sont concentrés sur lahausse du rendement et les paramètres de qualité.La mise en place d’une base de données des blé basées sur des critèresmorphologiques, taxonomiques et écologiques et l'introduction des mycorhizes à arbuscules(MA), connues pour aider à la sélection et induire une augmentation de rendement et dequalité de la production, dans l'optique de produire plus dans une agriculture respectueuse del’environnement pourrait constituer une partie intégrante d'une stratégie appropriée.Cependant, les effets mycorhiziens sur les rendement et la qualité de la production ne sont pastoujours prévisibles et les mécanismes qui régulent ces paramètres qualitatifs des mycorhizessont largement inconnus.Le criblage au champ de 53 variétés de blés anciens a montré des différences dans leuraptitude à développer des mycorhizes avec des champignons indigènes. Des plantesanalysées, seul cinq variétés étaient toutes mycorhizées au Tallage, alors que toutes l’étaientau stade Epiaison. Au stade Maturation des épis, dix-neuf variétés montraient une diminutionde la mycorhization.L’inoculation avec un inoculum de laboratoire lors de l’expérimentation en serre dansdes pots contenant d’une part leur terre habituelle de culture et de l’autre la terre d’Epoisses4montre, qu’ avec cet inoculum, toutes les variétés de blé se mycorhizent. Pour les variétéstestées, les variétés récentes utilisées en agriculture biologique mycorhizent mieux que lesanciennes, mais l’effet mycorhizien sur le rendement est observé uniquement chez desvariétés anciennes de blé. Démontrant ainsi un effet variétal sur le développement etl’expression de la symbiose. Les bénéfices de la symbiose sont plus accentués au niveau desphénomènes qualitatifs à savoir la viabilité des grains.L’apport d’un inoculum commercial lors d’expérimentation en serre dans des potcontenant le même sol, a modifié ces proportions. Cet inoculum a également permisl’amélioration du développement des blés et la qualité des graines de certaines variétésdémontrant à la fois l’importance du génome de la plante dans l’expression bénéfique de lasymbiose et de l’impossibilité des champignons mycorhizogènes indigènes à assurer ledéveloppement optimal de la symbiose. Au champ, l’effet variétal a été confirmé suite àl’apport d’un inoculum commercial ou, à l’exception d’une variété, l’inoculation a permis uneamélioration du rendement, particulièrement sensible chez la variété qui a été la plusproductive, soulignant l’intérêt qu’il y aurait à développer un projet de croisement pouraugmenter la réponse des blés aux mycorhizes. / Wheat (kind Tritucum aestivum, Poaceae family) is a very important cereal ofagronomic interest. Some very ancient varieties are set aside for recent varieties often selected to meet a consumer intensive cultivation of pesticides. Organic farming production system assuming a reduction of synthetic chemical inputs in order to preserve the ecosystem can be defined as a practice where the use of synthetic fertilizers, chemical pesticides and genetically modified organisms is prohibited. This practice is gaining more and more popularity and the amount of land cultivated in this way has increased by 60% between 2000 and 2004. Constraints associated with the production of organic grains include lower yields due to nutrient deficiencies in the soil and weed competition. During the past 90 years, the international efforts in wheat breeding have focused on increasing yield and quality parameters The establishment of a wheat database based on morphological, taxonomic and ecological criteria and the introduction of arbuscular mycorrhizal (AM), known to help in the selection and induce an increase in yield and quality of production with a perspective to increase production in an agriculture that respects the environment, could be an integral part of an appropriate strategy. However, mycorrhizal effects on yield and quality of production are not always predictable and the mechanisms that regulate these qualitative parameters are largely unknown. Field screening of 53 ancient wheat varieties showed differences in their ability to interact with endogenous mycorrhizal fungi. Among the analysed plants, only five varieties were mycorrhized for all samples at tillering. All samples were mycorrhized at the heading stage for all varieties. Nineteen showed a decrease in the number of mycorrhized samples at the ears maturity. Inoculation with a laboratory inoculum during a greenhouse experiments in pots, containing either the wheat field soil or Ò EpoissesÓ soil, showed that all wheat varieties form mycorrhizal symbiosis. Between varieties tested, recent wheat varieties used in organic farming were better in forming symbiosis than the old, but the mycorrhizal effect on plant yield is seen only for old varieties. Demonstrating a variety effect on the development and 6 expression of symbiosis. The benefits of mycorrhizal symbiosis are more pronounced for the qualitative phenomena as the seed viability. The addition of a commercial inoculum in a similar greenhouse experiment modified these observations. This inoculum helped to improve wheat development but also the seed quality of some varieties, demonstrating both the importance of the plant genome in the beneficial expression of the symbiosis and the impossibility of indigenous mycorrhizal fungi to ensure optimal development of symbiosis. The previously observed field varietal effect was confirmed even after adding an exogenous inoculum as, excepted for one variety, inoculation has improved yield. This was especially noticeable in the variety that was most productive, stressing the importance to develop crossing strategies to increase the wheat response to mycorrhiza.

Fusarium graminearum est un champignon pathogène des plantes, responsable de la fusariose de l'épi (plus connue sous le nom de Fusarium Head Blight : FHB) sur céréales, notamment sur le blé et le maïs. En interaction avec la plante, le champignon produit des mycotoxines, parmi lesquellse le déoxynivalénol (DON), dont la finalité pour le champignon producteur est méconnue mais qui sont toxiques pour les humains et les animaux. Ainsi la qualité des grains contribue fortement aux pertes de rendement observées et les résidus contaminés restent au champ. Une première revue bibliographique (Leplat et al 2012) a mis en évidence l'importance des résidus de culture (habitat écologique) pour la survie saprophyte du champignon, pour sa reproduction sexuée et pour l'établissement de l'inoculum primaire susceptible d'infecter la prochaine culture. Une seconde revue bibliographique a souligné les lacunes en ce qui concerne le rôle que les mycotoxines pourraient jouer dans la survie de F. graminearum dans un cet habitat. L'objectif principal de cette thèse était donc de vérifier si la présence de mycotoxines dans les résidus de récolte donne un avantage compétitif à F. graminearum vis-à-vis des composantes biotiques du sol et des résidus et notamment les champignons, les bactéries, les protozoaires, les nématodes et les vers de terre. L'impact du DON sur ces différentes communautés a été évalué dans des résidus de maïs et de blé, au champ et en microcosmes, en condition de labour et de travail superficiel du sol. Le développement de la maladie et ses conséquences sur le rendement ont été observés dans l'expérience de terrain à l'Unité Expérimentale de l'INRA de Dijon.Au cours de cette étude, la survie et les dynamiques de développement de la souche modèle d'étude F. graminearum MIAE00376 et des communautés fongiques et bactériennes ont été mesurées en utilisant la réaction de polymérisation en chaîne en temps réel (Q-PCR) ainsi que par comptage sur boîtes. Dans le même temps, l'évolution des structures des communautés microbiennes a été déterminée par analyse du polymorphisme de longueur des fragments de restriction terminaux (T-RFLP). Les nématodes et les vers de terre ont été quantifiés par extraction et observations à l'œil ou a la loupe binoculaire. Le DON introduit dans le sol et les résidus a été extrait et quantifié au cours du temps par chromatographie liquide haute performance (CLHP). Des dynamiques de population de la souche MIAE00376 associée à différents microorganismes isolés de paille en décomposition et sélectionnés pour leur résistance au DON, à des bactéries fixatrice d'azote et à des Fusarium sp. appartenant au complexe fongique du FHB ont été mesurées en microcosmes de paille en présence ou non de DONLes résultats suggèrent que le DON dans les résidus de culture a une incidence sur les composantes biotiques du sol, mais l'impact dépend des communautés et de la localisation des résidus (en surface ou incorporés dans le sol). La biomasse moléculaire montre que les densités bactériennes et fongiques ont été significativement affectées par la présence de DON. La présence de DON a joué un rôle significatif sur la structure des communautés bactériennes et protozoaires, plus faible sur les communautés fongiques et nul sur les nématodes voire positif sur les vers de terre.Il est conclu que le DON est rapidement inaccessible en profondeur et un peu moins rapidement en surface (immobilisation ou dégradation), qu'il ne confère pas d'avantage compétitif au champignon producteur et que la gestion de l'habitat privilégié que constituent les résidus de culture pour F. graminearum peut être envisagée par le travail du sol en favorisant la décomposition rapide des résidus, par le labour ou l'utilisation d'organismes décomposeurs indigènes ou introduits. / Fusarium graminearum is a plant pathogenic fungus, causing devastating disease “Fusarium head blight” (FHB) in cereals including wheat and maize. It also contaminates the grains with mycotoxins including deoxynivalenol (DON) which are toxic to human and animals. This disease has resulted in the serious losses in grain yield and quality. We established through a first bibliographic review that during off season fungus survives saprophytically on the crop residues (ecological habitat) and serves as primary inoculum for the next season crop. However, we noticed also that the literature was poor about the role mycotoxins could play in the establishment of F. graminearum in such a habitat. The main aim of this thesis was therefore to test whether the presence of mycotoxins in the crop residues gives an advantage to F. graminearum to survive and develop a primary inoculum in the presence of the whole soil biota including fungi, bacteria, protozoa, nematodes and earthworms. We studied the impact of DON on the soil communities in the field as well as in microcosms, in wheat as well as in maize residues under tillage and no-tillage conditions. The disease development and the yield were noted in the field experiment. Some DON resistant active fungal decomposers and nitrogen fixing bacteria were picked and the dynamics of F. graminearum was observed by accelerating decomposition of crop residue in their presence, in the presence or absence of DON.During this study, the dynamic and survival of F. graminearum and total fungal and bacterial communities were examined by using quantitative real time polymerase chain reaction (qPCR) as well as by plate counting. At the same time, the structures of microbial communities were determined by using terminal restriction fragment length polymorphism analysis (T-RFLP). The DON resistance of isolated fungal decomposers and nitrogen fixers was tested by using minimal inhibitory concentration test (MIC). Nematodes and earthworms were quantified through binocular observations. The fate of DON was determined by quantifying the mycotoxin by high performance liquid chromatography (HPLC).The results suggested that DON in crop residues showed an impact on the biotic components of the soil but the impact depended on the communities and on the location of the residues (on surface or incorporated in the soil). The molecular biomass shows that the fungal and bacterial densities were significantly affected by the presence of DON. The presence of DON played significant role on the structure of bacterial and protozoan community while the nematodes and fungal communities remained unaffected. MIC results showed that the susceptibility of some competitive fungal strains towards DON was dependent on the dose of mycotoxin. The earthworms (Lumbricus terrestris) were not affected by the presence of mycotoxin. The degradation of DON in the residues was dependent on the time, the location of residues and the soil biota. The quantification of F. graminearum suggested that the presence of DON gave no advantage in the survival and development of primary inoculum during the decomposition of crop residues in the soil. We conclude that fungal decomposers can be selected on their enzymatic potential towards organic matter more than on the DON resistance to increase the degradation of the straw left at the surface and limit the subsequent development of F. graminearum.