In the 400-600 mm annual rainfall zone of the Sahel, soil fertility is the main determinant of yield in rainfed millet cropping systems in all but the driest years. Numerous on-farm and on-station experiments have addressed the issue of improving soil fertility. Yet the widespread use of the experimental results is restricted by the highly site specific millet response to fertility management practices due to high spatially variable soil properties as well as high intra- and inter-annual rainfall variability. Mathematical soil-crop growth simulation models could therefore suitably complement experimental research to support decision making regarding soil fertility under variable rainwater supply conditions. The objective of this thesis was therefore to develop the biophysical basis for the use of crop-soil models in decision support regarding water and soil fertility management and risk mitigation strategies in rainfed millet-based systems of Sahelian Niger. Because farmers rely on multiple cultivars with variable length of growing cycle due to sensitivity to temperature and photoperiod as part of their risk management strategies we first characterized seven Sahelian millet genotypes and parameterized the Agricultural Production Systems Simulator (APSIM-millet model). The cultivars include three improved cultivars (CIVT, ICMV-IS-89305, ZATIB) and four landraces (Ankoutes, Hainikirey, Maewa and Zongo). Our research showed that only one of the cultivars, Maewa, was very photosensitive contrary to the six others. The majority of the agronomic state variables (leaf number, leaf area, biomass and grain yield) were negatively affected by late sowing (associated with lower air temperatures). This characterization enabled to compute for the first time in the Sahel the principal eco-physiological or genetic millet parameters (thermal times of development phases, leaf area dynamics) of crop growth models (e.g. APSIM, DSSAT). To gain confidence in the use of the APSIM model for decision support in the Sahelian environment, it was successfully tested to reproduce the agronomic state variables under non-limiting water and nutrient supply conditions. Moreover the APSIM model satisfactorily reproduced the millet CIVT cultivar response to water x N interaction from the combined application of crop residue, cattle manure and mineral fertilizer during two years and for contrasted rainfall conditions. Using the model with site and cultivar specific parameterization, we implemented two applications for decision support. A 23-year, long term factorial numerical experiment showed that a moderate N application of 15 kg N/ha is more appropriate for smallholder, subsistence farmers than the usual 30 kg N/ha recommendation. Although it implies a lower long term average yield than at 30 kg N/ha, the application of 15 kg N/ha guarantees both a higher minimum yield in extreme dry years and a lower inter-annual variability, thereby increasing food security and reducing farmers vulnerability. In the second model application, we integrated GIS information (land tenure, spatially distributed weather data, fertility management) and the APSIM model in a 12-year yield simulation to show that the spatial dispersion of fields of a household throughout the village territory (farmer risk management strategy) leads to more uniform yields across households and reduces the inter-annual yield variability in the Fakara region of Niger. Our research breaks the ground for several other applications of the use of crop-soil simulation models in millet-based systems in the Sahel, e.g. climate change impact and food crisis mitigation. / Dans la zone Sahélienne avec 400 à 600 mm de précipitation annuelle, la fertilité des sols est le principal facteur déterminant des rendements du mil pluvial hormis lors des années plus sèches. De nombreuses expérimentations au champ et en station ont abordé la question de l’amélioration de la fertilité des sols. Cependant, l’extrapolation de ces résultats, et a forciori leur utilisation par les agriculteurs, est limitée par le fait que la réponse du mil à ces pratiques de fertilité dépend fortement des propriétés des sols très variables dans l’espace ainsi que de la pluviométrie annuelle et sa répartition intra-annuelle. Les modèles mathématiques et dynamiques de simulation de la croissance des plantes peuvent donc utilement compléter la recherche expérimentale pour l’aide à la décision en ce qui concerne la gestion de la fertilité des sols dans diverses conditions d’alimentation hydrique. L’objectif de cette thèse était donc de développer les bases biophysiques pour l’utilisation de modèles de croissance des cultures en vue de leur utilisation comme outils d’aide à la décision en matière de gestion de l’eau et la fertilité des sols dans les systèmes de culture à base de mil en zone sahélienne du Niger. Puisque les paysans utilisent de multiples variétés de mil avec des cycles de croissance variables en tant qu’élément dans leurs stratégies de gestion des risques, nous avons d’abord caractérisé sept génotypes de mil Sahelien en vue de la paramétrisation du model dynamique APSIM (Agricultural Production Systems Simulator). Trois variétés améliorées (CIVT, ICMV-IS-89305, ZATIB) et quatre variétés locales paysannes (Ankoutes, Hainikirey, Maewa et Zongo) ont été étudiées. Notre recherche a montré que seule une des variétés, l’écotype Maewa, est très photosensible contrairement aux six autres. La majorité des variables agronomiques (nombre de feuille, surface foliaire, biomasse et rendement en grain) ont été négativement affectées par un semis tardif (associés à des températures de l’air plus faibles). Cette caractérisation a permis de calculer pour la première fois au Sahel les principaux paramètres éco-physiologiques du mil (durée thermique des phases de développement, dynamique de la surface foliaire), indispensables aux modèles dynamiques de croissance des plantes tels qu’APSIM et DSSAT. Le modèle APSIM a permis de reproduire avec succès les variables agronomiques de 6 des 7 variétés de mil en condition nonlimitante d’apport en eau et en nutriments. De plus, le modèle APSIM a reproduit de manière satisfaisante la réponse de la variété améliorée CIVT à l’interaction de l’eau et de l’azote suite à l’apport combiné de résidus de récolte, de fumier de bétail et d’engrais minéral sur deux années ayant des pluviométries contrastées. Ceci a permis de renforcer la confiance dans l’utilisation du modèle APSIM comme outil d’aide à la décision dans l’environnement Sahélien. Sur base du modèle APSIM ainsi paramétrisé pour des conditions spécifiques de site et de variété, nous avons développé deux applications en matière d’aide à la décision. Une expérimentation factorielle numérique à long terme (23 ans) a révélé que l’application d’une dose modérée d’azote (15 kg N/ha) est plus appropriée dans le contexte d’une agriculture de subsistance que la recommandation habituelle de 30 kg N/ha. Bien qu’elle implique un rendement moyen à long terme inférieur à celui obtenu avec 30 kg N/ha, l’application de 15 kg N/ha garantit un plus grand rendement minimum pendant les années sèches extrêmes et une variabilité inter-annuelle plus faible, ce qui permet de garantir une meilleure sécurité alimentaire tout en réduisant la vulnérabilité des paysans. Dans la deuxième application du modèle, nous avons intégré des données SIG (parcellaire villageois, données climatiques et de pratiques de gestion de fertilité distribuées dans l’espace) et le modèle APSIM dans une simulation de rendement de mil sur 12 années. Ceci a permis de montrer que la dispersion spatiale des champs d’un ménage dans le terroir villageois (stratégie paysanne de gestion du risque) permet l’obtention de rendements plus uniformes entre ménages au sein du même village et de réduire la variabilité inter-annuelle des rendements de chaque ménage dans la région de Fakara au Niger. Notre recherche ouvre la voie à plusieurs autres applications de l’utilisation des modèles dynamiques de croissance des plantes dans les systèmes à base de mil au Sahel, par exemple dans l’étude de l’impact des changements climatiques et de prévention des crises alimentaires.

Les lagunes côtières sont des écosystèmes semi-fermés à l'interface de la terre et des océans et sous l'influence de ces deux compartiments. De par ces caractéristiques, elles sont soumises à de fortes variations spatiales et saisonnières de leurs ressources trophiques. De par leur nature fermée et peu profonde, elles vont amplifier la force des processus qui conditionnent la disponibilité des ressources alimentaires et par conséquent l'écophysiologie des organismes benthiques qui composent les assemblages associés. Ce travail de thèse se propose de caractériser l'écophysiologie trophique de deux espèces de bivalves filtreurs (Nodipecten subnodosus et Spondylus crassisquama) au sein d'une lagune du Pacifique Nord-est (Basse Californie, Mexique). Une approche mufti-tissus et multi-traceurs (isotopes stables, acides gras, stérols et analyse isotopique sur acides gras) a été adoptée afin de pouvoir caractériser l'écologie trophique des espèces, mais aussi leurs régulations physiologiques face aux variations environnementales. Deux facteurs clés se sont révélés largement explicatifs de la variabilité spatio-temporelle observée dans le régime alimentaire : la période (hiver vs été) et la localisation dans la lagune par rapport à l'embouchure. L'importance des apports de phytoplancton océanique a été démontrée dans l'ensemble de la lagune, avec une contribution plus importante de diatomées océaniques notamment en période estivale pour les individus à proximité de l'embouchure. Par ailleurs, les bivalves en fond de lagune semblaient davantage dépendre de la matière organique locale, en particulier issue du recyclage bactérien, voire de la production des herbiers de phanérogames. Ces contrastes spatiaux se reflétaient également dans la composition des membranes cellulaires, mettant en évidence les interactions entre apports trophiques et régulations métaboliques des compositions en acides gras chez ces deux bivalves. Cette thèse présente une approche intégrée dédiée à la compréhension des variations spatiales et saisonnières des ressources trophiques d'un écosystème lagunaire, ainsi que leurs répercutions trophiques et physiologiques sur les assemblages benthiques. / Coastal lagoons are semi-enclosed ecosystems at the interface between land and ocean and under the influence of these two compartments. Owing to these characteristics these ecosystems are submitted to spatial and seasonal variations in their trophic resources. Because of their enclosed and shallow nature, lagoons amplify the intensity of processes conditioning the availability of food resources and consequently the ecophysiology of the benthic organisms which compose associated assemblages. This thesis aims to characterize the trophic ecophysiology of two species of suspension feeding bivalves (Nodipecten subnodosus and Spondylus crussisquomo) within a lagoon of Northeast Pacific (Baja California, Mexico). A mufti-tissue and multi-tracer approach (stable isotopes, fatty acids, sterols, and isotope analysis on fatty acids) was used in order to characterise the trophic ecology of both species, as well as their physiological regulations against environmental variations. Two key factors have been found to explain the observed spatio-temporal variability: the period (winter vs summer), and the location in the lagoon with respect to the distance from the mouth. The importance of oceanic phytoplankton inputs has been highlighted throughout the lagoon, with a greater contribution of oceanic diatoms particularly during the summer period for individuals near the mouth. Bivalves from the inner lagoon seemed more dependent of local organic matter, in particular resulting from bacterial recycling, or even from the production of eelgrass. These spatial contrasts were also reflected in the composition of cell membranes, highlighting the interactions between trophic contributions and metabolic regulation of fatty acid composition in both bivalves. This thesis presents an integrated approach to understand spatial and seasonal variations of the trophic resources of a lagoon ecosystem, as well as their trophic and physiological repercussions on benthic assemblages.

Le compromis d’allocation de l’énergie entre les fonctions concurrentielles de la reproduction et de la maintenance (et à long terme la survie) est largement tributaire de la capacité de l’organisme à acquérir des ressources dans son milieu. Les mécanismes physiologiques sousjacents aux décisions d’acquisition et d’allocation de l’énergie sont actuellement peu connus. Le but de cette thèse est d’étudier le rôle de deux hormones, la corticostérone et la prolactine, dans ces prises de décisions chez un oiseau marin longévif, le manchot Adélie (Pygoscelis adeliae), et ce, pendant une phase couteuse en énergie : la période d’élevage des poussins. Pour ce faire, nous avons conduit des approches expérimentales couplant d’une part la manipulation hormonale (augmentation des niveaux de corticostérone ou diminution des niveaux de prolactine) et la mesure du comportement en mer grâce à l’utilisation d’enregistreurs miniaturisés de l’effort de plongée. Par ailleurs, le budget temps, la condition corporelle, le régime alimentaire (analyses des isotopes stables du carbone et de l’azote) ainsi que le succès de reproduction des individus ont été considérés. A l’échelle de la plongée, nous avons observé des rôles positifs et négatifs de la corticostérone et de la prolactine, respectivement, sur le comportement de recherche alimentaire. De façon contradictoire, il semble que la corticostérone ait eu un effet négatif à plus large échelle (e.g. diminution de la durée des voyages alimentaires). La complexité de l’implication de ces deux hormones dans le compromis entre survie et reproduction est finalement discutée à la lumière de ces résultats. / The trade-off in the allocation of energy between the competitive functions of reproduction and maintenance (and survival in the long term basis) is largely dependent on the capacity of organisms to acquire resources in its environment. However, physiological mechanisms underlying decisions of energy acquisition and allocation are currently poorly known. Theaim of this PhD is to examine the role of two hormones, corticosterone and prolactin, in these decision processes in a long-lived seabird, the Adélie penguin (Pygoseclis adeliae) during an energetically costly period: the chick-rearing stage. To achieve this, we conducted experimental approaches coupling hormonal manipulation (increasing corticosterone levels ordecreasing prolactin levels) and the monitoring of at-sea behaviour by using miniaturised time-depth recorders. Moreover, time budget, body condition, diet (via stable isotopes analyses) and reproductive success of individuals were considered. At the dive scale, we observed positive and negative roles of corticosterone and prolactin on the foraging behaviour, respectively. However on the contrary, it seems that corticosterone had a negative effect at a larger scale (e.g. a decrease in at-sea trip duration). The complexity of the involvement of these hormones in the trade-off between survival and reproduction is discussed in the light of these results.

En horticulture, les effets négatifs du déficit hydrique (WD) sur le rendement peuvent être en partie compensés par des effets positifs sur la qualité des fruits et la stimulation des défenses de la plante face à d’autres stress. L'objectif de la thèse était d'explorer un certain nombre de pistes permettant d'évaluer les effets positifs et négatifs du WD, et d'appréhender les facteurs de variations. Après avoir établi un état des connaissances actuelles des effets du WD sur la qualité des fruits, plusieurs questions ont été abordées: 1) quels sont les effets de WD appliqués à des stades précis du développement de la plante ou du fruit, 2) existe-t-il une mémoire du stress en cas d’alternance de période de WD et de récupération, 3) les défenses de la plante sont-elles stimulées par un WD lors d'une infection par un pathogène, et enfin 4) quelle est la variabilité génétique associée aux réponses au WD au travers des objectifs précédents. Pour cela, plusieurs expérimentations ont été réalisées en serres et en phytotrons. Les parents de la population MAGIC de la tomate (ayant une forte variabilité allélique) ont été étudiés, ainsi que deux tomates commerciales (pour l’étude de l’interaction WD – Botrytis cinerea). Les mécanismes de réponses induits lors du WD ont été caractérisés aux stades végétatif et reproductif à l’échelle de la plante, puis lors des phases de développement du fruit (division cellulaire, expansion cellulaire et maturation). Les stades végétatif et reproductif se distinguent par les mécanismes de gestion du stress oxydatif engendré par le WD. Les plantes végétatives seraient plus affectées au niveau des photosystèmes II alors que les plantes reproductives modulent plutôt leur besoin en eau et sont plus sensibles à l’approche des photosystèmes I. L’impact du WD sur la qualité des fruits diffère en fonction de leurs phases de développement. De forts effets génotypes ont été observés avec une amélioration de la qualité dite gustative (par rapport aux teneurs en sucres et acides) pour un génotype dont les caractéristiques initiales étaient plus faibles que le second génotype testé. L’alternance de périodes de WD et de récupérations constitue un bon compromis entre économie d’eau et adaptation des plantes (via une bonne gestion du stress oxydatif). Cette alternance de stress a des effets neutres à positifs sur les teneurs en sucres des fruits en fonction des génotypes et des réponses très variables pour les teneurs en acides organiques, caroténoïdes et acide ascorbique en fonction des génotypes. L’interaction entre un WD et B. cinerea génère une diminution du ratio C/N associé à une stimulation des défenses de la plante. Cependant l'interaction favorise le développement du pathogène dans les tiges. Cet effet délétère de l'interaction semble lié aux régulations hormonales mises en jeu avec la stimulation de l'ABA (par le WD) et de la voie SA (par B. cinerea et indirectement par le WD) qui sont antagonistes aux voies JA/ET de réponse aux pathogènes nécrotrophes. Toutefois, un effet positif a été observé pour les infections sur feuilles détachées qui constituent un instantané des défenses de la plante, et ce, uniquement pour les plantes déjà infectées sur tige. Ces résultats suscitent de nouvelles interrogations sur la stimulation des défenses de la plante. Ainsi, le WD permet une augmentation du pool de sucres solubles, sans impact notable sur le rendement, avec des effets variables sur les composés secondaires. Le WD permet également dans une certaine mesure de stimuler les défenses de la plante mais de nouvelles recherches sont nécessaires. Enfin, la variabilité génétique des réponses à l’échelle de la plante et du fruit est importante et interagit avec le WD. / In horticulture, yield losses associated to water deficit (WD) could be compensated by positive effects on fruit quality and stimulation of plant to others stresses. The aim of the thesis was to explore a number of questions to assess the positive and negative effects of the WD, and to understand factors variations after setting a current knowledge of the effects of WD quality fruit. The questions were: 1) to characterize the effects of WD applied at specific stages of development of plant or fruit, 2) to understand the stress memory effect by alternating period of WD and recovery, 3) to test the stimulation of plant defences by WD during an infection by a pathogen, and 4) to study the genetic variability associated with responses to WD through the previous objectives. For this, several experiments were conducted in greenhouses and growth chambers. The parents of the MAGIC population of tomato (with rich allelic variability) were studied, as well as two commercial tomatoes (for the study of the interaction between WD and Botrytis cinerea). Plant response mechanisms induced during a WD were characterized in both plant vegetative and reproductive stages, and then during the fruit development stages (cell division, cell expansion and maturation). The plant vegetative and reproductive stages are distinguished by different mechanisms of oxidative stress management generated by WD. Vegetative plants are more affected at the photosystem II while reproductive plants rather modulate their water needs and responses at the photosystem I. The impact of WD on fruit quality differs according to fruit developmental stages. Strong genotypes effects were observed with an important increase in fruit taste quality (according to the concentrations in sugars and acids) for one genotype, which had poorer initial fruit quality than the second. Alternating periods of WD and recovery is a good compromise between water saving and plant adaptation (through proper management of oxidative stress). This alternation of stress has neutral to positive effects on fruit sugar content according to the genotypes and highly variable responses for contents of organic acids, carotenoids and ascorbic acid according to the genotypes. The interaction between a WD and B. cinerea generates a decrease of C/N ratio that can be associated to a stimulation of the pool of plant defence. However, the interaction between B. Cinerea and this WD promote pathogen development in stems. This deleterious effect of interaction seems attributable to hormonal regulation with the stimulation of the ABA pathway (by WD) and the SA pathway (by B. cinerea), which are antagonistic to the JA / ET pathway involved in response to necrotroph pathogens. However, a positive effect was observed for infections in detached leaves of infected plants, detached leaves represent a snapshot of plant defences and these results raise new questions. Overall, these data provide that WD improve fruit taste (sugars and acids) without yield losses but had variables effects on health promoting compounds. WD could permit the stimulation of plant defence but more research is needed. To finish, the genetic variability induced important variability in plant and fruit responses and interact with WD.

Phloeomyzus passerinii est un important ravageur des peupleraies en Europe. Ce puceron se développe sur les troncs de peuplier, avec un mode nutrition mal connu, et présente des performances variables selon les génotypes de peuplier. Dans une optique de gestion de cet insecte, il était nécessaire de clarifier la nature de ses interactions trophiques avec son hôte. En complément, nous avons étudié comment la résistance de l’hôte et des facteurs environnementaux, comme la fertilisation et une contrainte hydrique, pouvaient affecter ces interactions. Des approches histologiques et biochimiques ont permis de mettre en évidence l’induction par l’insecte d’un tissu organise dans l’écorce d’un génotype sensible (I-214), qualifiable de pseudo-galle, où les composés phénoliques solubles disparaissent mais ou des acides aminés s’accumulent. Des approches complémentaires ont montré que le comportement de nutrition du puceron était optimisé sur ces tissus modifiés, et son développement larvaire amélioré. Concernant les mécanismes de résistance, dans un génotype très résistant (Brenta), la formation de la pseudogalle était totalement inhibée, suite à une lignification intense et étendue des tissus, empêchant l’installation du puceron. Dans un génotype de résistance intermédiaire (I-45/51), la formation était seulement partiellement inhibée, diminuant les performances démographiques et comportementales de l’insecte, et la capacité du tissu modifié à accumuler des acides aminés. Pour étudier l’impact environnemental, nous avons considéré les effets de trois niveaux de fertilisation et de trois niveaux d’irrigation du sol. La fertilisation n’a pas modifié les performances du puceron, probablement à cause d’une accumulation d’acides aminés par la pseudogalle d’autant plus forte que la fertilisation était faible. Le déficit hydrique a affecté les interactions, notamment au travers d’un effet génotype dépendant, favorisant le développement de l’insecte lors d’une contrainte intermédiaire chez le génotype résistant seulement et affectant négativement le développement chez les génotypes sensible et résistant lors d’une contrainte élevée. / Phloeomyzus passerinii is an important pest of cultivated poplar stands in Europe. It develops onpoplar trunks, thanks to an undefined feeding mode, and exhibits variable performances depending on poplargenotypes. To develop efficient management strategies, we have investigated the trophic interactions betweenthis pest and its host. In addition, we have studied how host resistance and environmental factors, like fertilizationand water deficit, could affect these interactions. Histological and biochemical approaches highlighted theinduction by the aphid of an organized tissue in the bark of a susceptible poplar genotype (I-214), considered as apseudogall, where soluble phenolic compounds disappear but amino acids accumulate. Behavioral andphysiological approaches showed that the aphid nutrition behavior is optimized on these modified tissues, andthat its nymphal development is improved. Regarding resistance mechanisms, on a highly resistant genotype(Brenta), pseudogall formation was totally inhibited, due to an intense and extended lignification, preventing aphidsettlement. On a moderately resistant genotype (I-45/51), pseudogall formation was only partially inhibited,reducing demographic and behavioral performances of the insect, and the ability of the pseudogall to accumulateamino acids. To study environmental impacts, we considered the effects of three soil fertilization levels and threeirrigation levels. Fertilization did not modify aphid performances, probably due to an increase in amino acidsaccumulation by the pseudogall when fertilization decreased. Water deficit affected the interactions, through agenotype dependant effect, favoring insect development under an intermediate deficit on the resistant genotypeonly, and negatively affecting the development on both susceptible and resistant genotypes during a severe waterdeficit.