Les paysages ruraux et urbains sont caractérisés par une très forte hétérogénéité spatiale liée à la présence de végétation, bâtiments, clairières, routes, ..., ayant des propriétés physiques, des états hydriques et une résistance au vent très variables. Cette hétérogénéité locale des surfaces ajoutée à la topographie agissent sur les échanges entre la canopée et l'atmosphère, et donc sur les champs atmosphériques (vent, température, humidité), générant des conditions micrométéorologiques complexes sensibles à cette hétérogénéité. La modélisation des champs micrométéorologiques à l'échelle de paysages ruraux et urbains est important i) pour améliorer les prédictions météorologiques, en particulier les événements locaux, mais aussi ii) pour de nombreux domaines de la recherche environnementale liés par exemple à la climatologie urbaine, à la qualité de l'air, à la dissémination de grains de pollen transgéniques, à la stabilité des peuplements au vent, à la propagation des feux de forêt, aux échanges de CO2 entre la biosphère et l'atmosphère, etc. Ceci est d'autant plus vrai dans le contexte du changement climatique et notamment du possible accroissement des événements extrêmes aux conséquences environnementales, sanitaires et économiques lourdes. Bien que la modélisation des champs microméteorologiques ne puisse pas influer sur ce changement, elle peut être un outil pour comprendre l'impact du changement climatique sur les écosystèmes, pour explorer différents aménagements des surfaces rurales et urbaines, ou pour modifier les pratiques agricoles, afin de limiter les conséquences de ces événements extrêmes. Mes travaux de recherche au cours de ces dix dernières années ont principalement eu pour objectif de (i) développer et valider des modèles de canopées urbaine et rurale pour une meilleure simulation des champs micrométéorologiques à l'échelle paysages complexes, et (ii) d'étudier à partir de ces modèles l'impact des hétérogénéités de surface et de la petite topographie sur ces champs, sur la stabilité des arbres au vent, et sur la dispersion de pollen de maïs. Après une revue générale du contexte scientifique dans lequel mes travaux de recherche se situent, je décline mes principaux résultats de recherche suivant les quatre thématiques : 1) modélisation de la canopée urbaine, 2) dynamique du vent à l'échelle de couverts hétérogènes, 3) interaction vent-plante, et 4) dispersion environnementale de grains de pollen de maïs. Un bilan scientifique et académique est ensuite fait avant de présenter mon projet de recherche pour les années à venir.

La physiologie et les traits d'histoire de vie des organismes ectothermes dépendent largement de la température de leur microclimat. Dans certaines relations insecte – plante, le phytophage manipule physiquement et/ou chimiquement son environnement végétal. Cependant, les effets de ces transformations sur le microclimat de l'herbivore sont encore inconnus. Nous avons détaillé précisément les modifications physiques induites par un lépidoptère mineur de feuille (Phyllonorycter blancardella, Gracillariidae) sur son environnement végétal (le pommier). Les impacts sur l'écologie thermique de la larve ont été quantifiés. La larve se nourrit et se développe au sein même des tissus de la feuille, dans une structure appelée mine.<br />Des mesures de spectrométrie optique ont démontré que la larve modifie profondément les propriétés optiques de la surface de la feuille au cours de son nourrissage. La structure mine absorbe bien plus de radiations dans le proche infrarouge que les tissus foliaires intacts. De plus, une quantité importante de radiations est transmise à l'intérieur de la mine par le tégument supérieur dans les zones prélevées par la larve. Ces radiations induisent une élévation importante de son activité respiratoire (rejet de CO2). En utilisant un analyseur de gaz par infrarouge, nous avons pu montrer par ailleurs que les stomates localisés dans le tégument inférieur de la mine réagissent à la présence de la larve en se fermant. Un modèle de diffusion de CO2 a révélé que les stomates réagissent directement aux variations d'émission de CO2 par la larve. Le budget thermique de la mine a ensuite été modélisé. Le modèle permet de prédire la température à l'intérieur de la mine à partir des modifications des propriétés optiques et de la physiologie des stomates, et à partir des variables climatiques. Ce modèle biophysique a été validé en comparant ses prédictions avec des mesures expérimentales de température de mines réalisées en environnement contrôlé. Le modèle à une précision de 0,8 °C dans l'intervalle de 12 °C à 42 °C. Le modèle prédit un important excès de température dans la mine, atteignant 10 °C au dessus de la température de l'air et 5 °C au dessus de la température des tissus foliaires intacts. Les deux types de modifications – propriétés optiques et comportement stomatiques – ont un impact équivalent sur l'excès de température. Cette approche démontre clairement que la larve contrôle son environnement physique en modifiant son environnement. Nos résultats sont finalement discutés dans une perspective d'écologie évolutive. Plus particulièrement, le rôle du microclimat des insectes endophages dans l'évolution de leurs sensibilités thermiques et de celles de leurs parasitoïdes est détaillé.

Nous avons recherché des protéines toxiques pour les pucerons (Homoptères, insectes piqueurs-suceurs phloémophages) et étudié le mode d'action de certaines d'entre elles. Ce travail constitue une première étape d'un programme de création de plantes résistantes aux pucerons par génie génétique. <br />Les caractéristiques toxicologiques de nombreuses protéines sont évaluées par des tests d'ingestion sur milieux artificiels définis. Des lectines d'origine végétale se liant au mannose présentent des propriétés toxiques intéressantes. Notre étude porte sur la Concanavaline A (lectine de Canavalia ensiformis [L.] DC, ConA) qui est une lectine modèle très étudiée du point de vue biochimique, et la lectine du perce-neige (Galanthus nivalis L., GNA) dont les caractéristiques en font un bon candidat à l'application envisagée. <br />Nous mettons en évidence une variabilité de la toxicité des lectines à mannose chez six espèces de pucerons. La ConA est moins active sur les espèces polyphages. Elle n'est pas phagorépulsive pour notre puceron modèle, Acyrthosiphon pisum (Harris) et agit en quelques heures aux doses moyennes, notamment en inhibant l'ingestion. Une adaptation comportementale à moyen terme (24 h-48 h) est également mise en évidence. Des techniques de marquage révèlent que la cible physiologique primaire de la ConA est la portion antérieure du mésentéron. Elle s'y fixe en très grande quantité. Après liaison aux cellules épithéliales, la lectine induit une hypertrophie de ces cellules et un détachement de leur membrane apicale. Des expériences de compétition lectines/mannosides indiquent que la liaison toxine-épithélium ne semble pas dépendre uniquement d'une interaction sucre-lectine. Nous observons également une forte perturbation du métabolisme des acides aminés des pucerons. Le mode d'action de la ConA et de la GNA diffèrent sensiblement sur ce point. <br />Les premiers tests biologiques effectués sur des pommes de terre transgéniques exprimant de manière constitutive le gène de la GNA sont variables mais prometteurs.

Parmi les insectes phytophages, les pucerons sont particuliers car ils se nourrissent de sève élaborée. Leurs pièces buccales leur permettant d'effectuer des piqûres dans la plante et d'atteindre les faisceaux du phloème, un compartiment dont le ratio protéines/acides aminés est très déséquilibré. C'est pourquoi, dans ce contexte, les pucerons sont réputés comme ne possédant pas l'arsenal enzymatique permettant une bonne utilisation des protéines. Aussi les stratégies utilisant les inhibiteurs de protéases (IP) comme polypeptide entomotoxique ne semblent pas adaptées a priori à ce groupe d'insectes. Or plusieurs IP ont montré des toxicités paradoxales contre les pucerons.<br />Cette étude a pour objectif d'accroître la disponibilité des gènes d'IP originaux et d'en comprendre le mode d'action afin d'en maîtriser l'introduction raisonnée dans les programmes de lutte variétale. <br />Au cours de ce travail de thèse, des informations sur la protéolyse digestive des Homoptères ont été apportées : des protéases à cystéine, les cathepsines (enzymes lysosomiales) sont spécifiquement exprimées dans le tube digestif et dans un organe spécialisé, le bactériocyte. Elles sont la cible potentielle d'inhibiteurs de protéases à cystéine. Lorsque l'Oryzacystatine (inhibiteur de protéase à cystéine, isolé du grain de riz) est exprimé dans le colza, la fécondité du puceron Mysus persicae diminue de 25%. Ce résultat démontre qu'il est donc possible d'exprimer des IP dans le phloème pour lutter contre les pucerons. L'amélioration, par mutagenèse dirigée, d'un inhibiteur de protéases à sérine, isolé du pois, a aussi été effectuée mais son expression hétérologue dans Pichia pastoris ou Arabidospsis thaliana n'a pas permis d'obtenir une forme active. <br />Nous avons cherché à élargir le pool de gènes disponible pour lutter contre les pucerons. L'isolement d'un inhibiteur de protéases à cystéine de l'hémolymphe du puceron a été entrepris au niveau moléculaire et biochimique. Ces résultats démontrent que les IP constituent une nouvelle voie pour lutter contre les pucerons.

Depuis son émersion, il y a environ 2,5 millions d'années, l'île de la Réunion, située à 800 km à l'est de Madagascar, subit des perturbations naturelles importantes: volcanisme, cyclones, glissements de terrain. En trois siècles seulement, les activités humaines ont accéléré la perte de diversité biologique, causée principalement par la destruction d'une grande partie des forêts tropicales indigènes et par l'introduction d'organismes exogènes. Au moins soixante espèces de plantes introduites envahissent actuellement les écosystèmes forestiers encore intacts. Les principaux vestiges de la forêt tropicale humide de basse altitude subsistent au sud-est de la Réunion, dans un paysage fragmenté naturellement par les coulées volcaniques. La diversité en espèces d'arbres et la structure de ces forêts tropicales sont analysées à l'échelle d'un hectare, sur une coulée ancienne de plus de quatre siècles. La dynamique de recolonisation de ces communautés végétales après les perturbations volcaniques a été étudiée à plusieurs échelles spatiales, sur des coulées récentes d'âges différents. Le maintien à long terme de ces habitats est remis en cause par les problèmes de fragmentation, combinés aux invasions par les plantes introduites qui modifient considérablement le cours des successions primaires. Ceci est en partie expliqué par une capacité de dissémination plus faible chez les espèces végétales indigènes que chez les espèces introduites.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le mutualisme entre les plantes et les champignons arbusculaires mycorhiziens est extrêmement répandu (~ 80% des plantes sont colonisées par ces organismes) et ancien (il ya plus de 450 millions d'années). Cette relation symbiotique est une composante essentielle du fonctionnement des écosystèmes et de leur productivité, et est fortement impliqué dans le cycle de deux éléments clés: le phosphore et le carbone. Le maintien de ce mutualisme est devenu particulièrement important dans le contexte actuel de perte de biodiversité. Un des objectifs de cette thèse était de comprendre la stabilité de ce mutualisme. L'accent a tout d'abord été mis sur les échanges de nutriments impliqués dans cette symbiose, en testant si la plante hôte et les symbiotes fongiques sont capables de discriminer leurs différents partenaires, et d'allouer davantage de ressources aux partenaires fournissant plus de nutriments. J'ai ensuite étudié la possibilité de l'implication de la plante hôte dans la protection des symbiotes mycorhiziens via un transfert de métabolites secondaires dans les hyphes. Nous avons alors pu emettre une nouvelle hypothèse suggérant que la protection en métabolites secondaires venant de la plante serait positivement corrélée avec le niveau de coopération (à savoir le transfert des nutriments) du champignon symbiotique. L'echelle d'étude est ensuite passée de l'individu à la communauté en étudiant les effets de la diminution de la diversité végétale sur la diversité des symbiotes racinaires. Pour ce faire, des analyses moléculaires et des outils novateurs ont été utilisés, tels que le séquençage à haut débit. Pour faciliter encore l'étude des séquences obtenues et d'autres séquences fongiques, j'ai collaboré avec des collègues afin de créer une base de données 'Phymyco-DB' rendue publique en 2012. Enfin, je discute de l'implication du mutualisme mycorhizien dans le contexte des systèmes agricoles actuels et propose de nouvelles trajectoires pour gérer ces systèmes. Ce projet de thèse apporte un nouvel éclairage sur la façon dont fonctionnent ces interactions entre les plantes et champignons MA et sur la manière dont ils façonnent les processus écologiques et les trajectoires évolutives dans les écosystèmes naturels et agricoles. Ces points sont d'une importance majeure pour développer une agriculture plus écologiquement intensive et durable. Le projet a fourni de nouvelles connaissances et perspectives sur la perte de la diversité végétale, et ses conséquences pour la stabilité de la symbiose AM. Comme les champignons mycorhiziens sont essentiels dans les processus des écosystèmes et l'entretien de la fertilité des sols, ce travail devrait avoir un large impact dans (i) la politique de protection des sols, (ii) la recherche sur l'amélioration des plantes et (iii) la conception de systèmes agricoles durables.

Les pratiques culturales modifient l'architecture des couverts de manière à augmenter ou diminuer le développement des épidémies mais les processus mis en jeu sont complexes ; des modèles mécanistes simulant l'interaction entre plante et pathogène devraient aider à les clarifier. Les modèles de Plantes Virtuelles, qui permettent de décrire explicitement la structure tridimensionnelle de la plante, semblent particulièrement prometteurs pour exprimer les effets de l'architecture de la plante sur le développement des épidémies. L'objectif de cette étude est d'examiner la possibilité de simuler l'effet de l'architecture des plantes sur le développement de la maladie en utilisant un modèle Plante Virtuelle. Dans ce travail, nous nous intéressons au pathosystème blé-Septoria tritici, dans lequel l'architecture joue un rôle important. En effet, les spores de Septoria tritici sont propagées par les éclaboussures de pluie depuis les feuilles infectées du bas du couvert vers les nouvelles feuilles saines. Notre travail s'est appuyé sur un modèle pré-existant d'épidémie de la septoriose, Septo3D. L'architecture du blé a été étudiée pour une gamme de densités et de date de semis. Les différences de phyllochrone entre traitements ont été dans une gamme susceptible de modifier le développement de la septoriose. Ces variations ont été représentées par un modèle descriptif qui tient compte du nombre de feuilles final et de la photopériode. Une description détaillée des variables d'architecture à l'échelle des organes et du couvert a fourni une documentation originale et complète sur la plasticité de l'architecture du blé. Ces données ont été utilisées pour paramétrer la description du blé dans Septo3D. Globalement, les traitements étudiés ont conduit à de fortes différences de la densité de végétation au cours du temps. Les dynamiques de développement de la septoriose ont été suivies pour trois traitements de densités contrastées. Les cinétiques de la maladie simulées par le modèle étaient conformes aux mesures expérimentales. Bien que, l'approche nécessite davantage de validation, les résultats confirment que l'approche Plante Virtuelle apporte un nouvel éclairage sur les processus et les caractéristiques des plantes qui impactent les épidémies. En conclusion, nous proposons quelques perspectives en vue de nouvelles applications et améliorations de l'approche.

Les associations de cultures céréales-légumineuses participent au développement d'agrosystèmes performants et durables. La proportion de chaque espèce dans le couvert ainsi que leur productivité sont cependant fortement dépendantes de l'équilibre entre compétition et complémentarité interspécifique. Le partage de la lumière entre la céréale et la légumineuse est donc déterminant dans le fonctionnement des associations. La structuration physique de la canopée, qui conditionne l'interception du rayonnement lumineux, résulte de la mise en place de l'architecture aérienne des individus composant le peuplement. Afin d'appréhender les relations entre architecture et partage du rayonnement dans les associations blé-pois (Triticum aestivum L.-Pisum sativum L.), un modèle 3D de la morphogénèse aérienne du pois, baptisé L-Pea, a été développé sur la base de l'approche plante virtuelle. Des expérimentations ont été conduites afin i) de caractériser la morphogénèse de génotypes de pois contrastés cultivés sous différentes conditions (serre/champ, pur/associé), et ii) de modéliser l'architecture aérienne du pois. Un simulateur tripartite, intégrant les modèles L-Pea, ADEL-Blé (modèle architecturé de blé) ainsi que CARIBU (modèle de transferts radiatifs), a ensuite été construit afin de créer une association virtuelle. Cette approche de type plante virtuelle s'est révélée pertinente dans l'optique d'étudier le déterminisme architectural du partage de la lumière dans les associations blé-pois. Ce simulateur a par ailleurs montré que des paramètres architecturaux (e.g. ramifications, entrenoeuds) peuvent affecter de manière significative et dynamique le partage de la lumière et donc le développement de l'association. Cette thèse se propose i) de démontrer la pertinence de l'approche plante virtuelle pour appréhender le partage du rayonnement dans les associations et ii) de contribuer à la sélection/construction de variétés/idéotypes adaptés aux couverts plurispécifiques.

Les recherches menées au cours des dernières années ont permis de mettre en évidence les nombreuses fonctions écologiques des composés organiques volatils (COVs) émis par les plantes. Cette thèse a eu pour objectif d'utiliser ces connaissances dans un cadre de protection des cultures. Nous avons essayé de poser les bases d'une stratégie de type " Push-Pull " contre la mouche du chou (Delia radicum) en utilisant des sources d'odeurs synthétiques (diffuseurs de COVs) ou des sources d'odeurs naturelles (plantes compagnes). A partir d'observations menées en plein champ nous avons sélectionné plusieurs brassicacées présentant des taux d'infestations contrastés vis-à-vis de la mouche du chou. Des expérimentations de laboratoires combinant des études comportementales et des analyses chromatographiques ont permis (i) d'établir un lien entre l'infestation et l'attractivité de certaines plantes (ii) d'identifier de nouveaux COVs potentiellement impliqués dans les prises de décisions comportementales de D. radicum. En parallèle, des études de terrain ont permis de tester l'efficacité de diffuseurs de COVs synthétiques au sein de parcelles expérimentales, que ce soit (i) pour favoriser le recrutement d'ennemis naturels (ii) attirer (composante " Pull ") ou repousser (composante " Push ") la mouche du chou. Enfin, l'utilisation de plantes pièges concentrant le ravageur semble être intéressante pour modifier la répartition de la mouche du chou à l'échelle de la parcelle en vue de protéger des cultures d'intérêt telles que le brocoli.