Les systèmes socio-écologiques sont omniprésents et la compréhension de leur fonctionnement est devenue une priorité pour aborder de manière commune et précise les questions soulevées par l'action de l'homme sur son environnement, mais aussi pour identifier des trajectoires et explorer des scénarios prospectifs sur la base desquels, une stratégie de pilotage pourrait être envisagée. Appliquée à un ravageur des cultures dans le nord des Andes, l'approche de ces systèmes par un modèle d'automate cellulaire a permis d'identifier les facteurs humains clefs de sa dispersion et de disposer de cartes de probabilité de présence. Par la suite, l'intégration de variabilité génétique par un modèle individu-centré a facilité l'exploration de scénarios de structuration des populations de ravageurs. Pour une meilleure compréhension de la dynamique spatio-temporelle de ces derniers, une approche à base d'agents, théorique puis empirique, a fourni des éléments d'explication des délais observables entre la mise au point d'une technique de protection des cultures et son application par les agriculteurs d'une petite région agricole, par un modèle de diffusion de l'information couplé aux approches précédentes. Afin d'exploiter ces résultats et suite à une recherche participative fructueuse dans la zone d'étude, une méthode innovante basée sur un modèle a été insérée dans un programme de formation d'agriculteurs pour souligner la nécessité d'une approche systémique pour une protection des cultures efficace. Malgré certaines limitations, ces approches pourraient être applicables plus largement à tout programme agricole dans des systèmes socio-écologiques.

Dans un contexte de changement climatique et d’augmentation de la variabilité du climat, une raison majeure qui freine le développement et l’adoption d’une gestion efficace des ravageurs des cultures est celle des caractéristiques thermiques des paysages agricoles, qui sont reconnues pour leur effet sur la dynamique ces ravageurs. De plus, la différence entre la taille des organismes considérés et les échelles auxquelles les données climatiques sont collectées et modélisées est une problématique clé pour comprendre et prédire la distribution des ravageurs des cultures. Dans ce travail de thèse, nous explorons la prise en compte des microclimats ressentis par les ravageurs des cultures dans leur environnement afin de mieux déduire leur distribution spatiotemporelle. Par conséquent, cette thèse s’est intéressée à: 1) réduire les différences d’échelles entre les prédictions des modèles climatiques globaux et la fine échelle spatiotemporelle des microclimats vécus par les organismes, 2) développer des approches techniques innovantes, comme la combinaison de caméras thermiques avec des drones aéroportés, pour faciliter l’étude de l’écologie thermique des ravageurs des cultures dans leur milieu, 3) déterminer dans quelle mesure la caractérisation de l’hétérogénéité thermique spatiotemporelle des paysages agricoles est utile pour comprendre les dynamiques des ravageurs des cultures et 4) comment intégrer les microclimats dans les modèles de prédiction des ravageurs des cultures. Ce travail montre que les microclimats conditionnent partiellement la dynamique des ravageurs des cultures dans les agrosystèmes et peuvent leur fournir des opportunités pour améliorer leur performances (et atténuer les effets du changement climatique) dans quelques centimètres carrées seulement. Par conséquent, cette thèse a montré l’importance d’une meilleure prise en compte des microclimats dans les modèles de distribution d’espèces (et de vulnérabilité face au changement climatique). Finalement, ce travail a révélé que l’étude des microclimats pourrait ouvrir de nouvelles voies de lutte intégrée agro-écologiques contre les ravageurs des cultures. / In the context of global warming and increasing climatic variability, a major uncertainty that hampers effective pest management is that related to the thermal characteristics of agricultural landscapes, which are known to have profound effects on insect pest dynamics. Moreover the spatial mismatch between the size of organisms and the scale at which climate data are collected and modeled is also a major barrier to better understand and predict pest distribution and dynamics. In this thesis, we addressed the issue of considering microclimates experienced by crop pests in their environments with the main objective to infer their spatiotemporal distribution. Therefore, we focused on the following questions: 1) How to bridge the gap between the predictions of coarse-scale climatic models and the fine-scale climatic reality experienced by organisms (i.e. microclimates), 2) How to develop innovative technological approaches such as thermal infrared cameras and unmanned aerial vehicle as a tool for the study of crop pest thermal ecology, 3) to what extent the fine spatiotemporal variability in thermal heterogeneity of natural and agricultural landscapes is useful to understand pest dynamics, and 4) how to integrate microclimatic data in models predicting the interrelation between pest organisms and the microclimate of their environments.This work revealed that microclimate substantially affects pest dynamics in agrosystems and may offer them opportunities to enhance their performances, as well as to buffer global warming effects within only few centimetres. Consequently, this thesis stresses the need of a better incorporation of microclimatic data into models of species distribution (and vulnerability to climate change) and evidences that microclimates might provide new insights towards agro-ecological pest management.

La gestion agroécologique durable des paysages agricoles constitue un très fort enjeu social, écologique et économique. Favoriser les différents services écosystémiques que fournissent ces systèmes complexes, caractérisés par une forte variabilité spatio-temporelle liée aux activités anthropiques, est désormais crucial. Le travail développé dans cette thèse s’est focalisé sur les services de régulation des populations de ravageurs, en développant des modèles spatialisés destinés à identifier les interactions entre paysage et populations dans l’optique d’une gestion intégrée du paysage agricole. L’approche conceptuelle utilisée s’est appuyée sur une réflexion sur les choix de niveaux d’organisation et d’échelles spatio-temporelles pertinentes qui a conduit au développement de deux modèles imbriqués : un simulateur de paysages agricoles (ATLAS) reproduisant la variabilité spatio-temporelle des habitats et un automate cellulaire décrivant les dynamiques pluriannuelles d’un puceron des céréales : Rhopalosiphum padi. Une analyse statistique des résultats a permis d’identifier l’effet des différents paramètres du paysage (composition et climat) sur les densités de pucerons à différentes échelles spatiales au cours des saisons. Ont également été évalués les effets potentiels de différents scénarios de gestion plausibles au sein du paysage agricole étudié. Parmi nos résultats, nous identifions que le remplacement du maïs par le sorgho dans le sud-ouest de la France pourrait conduire à une augmentation des densités de R.padi au sein du paysage au printemps, période particulièrement sensible aux infestations. Nous replaçons ce travail dans le cadre plus large de la favorisation des services écosystémiques et apportons des premiers éléments de réflexion pour une gestion durable du paysage agricole; / Sustainable management of agricultural landscapes is a strong social, ecological and economic challenge. Favouring the different ecosystem services provided by these complex systems, characterized by a strong spatio-temporal variability linked to human activity, is by now crucial. The work developed in this thesis has focused on pest population regulation services, by developing spatialized models in order to identify the interactions between the landscape and populations in the context of an integrated management of the agricultural landscape. The conceptual approach we used is based on careful selection of the levels of organization and spatio-temporal scales which lead to the development of two embedded models: an agricultural landscape simulator (ATLAS) reproducing the spatial-temporal variability of habitats and a cellular automaton describing thepluriannual dynamics of a cereal aphid: Rhopalosiphum padi. A statistical analysis of the results highlighted the effects of different landscape parameters (composition and climate) on aphid densities at different spatial scales throughout the seasons. The potential effects of plausible management scenarios were also evaluated. Amongst our results, we identify the replacement of corn by sorghum in the south-western part of France to potentially lead to higher aphid densities within the landscape in spring, which is a season specifically sensible to infestations. We replace this work in the larger context of favouring ecosystem services and propose new ideas for a sustainable management of agricultural landscapes;

De nombreux insectes s’avèrent être des ravageurs de culture, pouvant de surcroît transmettre des pathogènes aux plantes et ainsi causer des dégâts d’importance économique notables. Leur contrôle repose essentiellement sur l’utilisation d’insecticides, mais cela pose problème en termes de pollution de l’environnement, d’effets non désirés sur les espèces non-cibles, d’apparition de populations d’insectes résistants aux insecticides, sans parler de leur toxicité pour l’homme. L’olfaction joue un rôle clef dans le développement de nombreux comportements chez les insectes, comme la recherche de la plante nourricière ou du partenaire sexuel, le repérage de sites de ponte ou de prédateurs. Leurs organes olfactifs portent les sensilles sensorielles dans lesquelles se déroulent les étapes de la réception du signal : les molécules odorantes pénètrent par les pores et sont transportées à travers la lymphe sensillaire par des "odorant binding proteins" jusqu’aux récepteurs olfactifs (Ors) avec lesquels elles interagissent pour déclencher la cascade de transduction, puis le signal olfactif est inactivé. Si les interactions odeurs/ORs sont largement étudiées et élucidées, il n’en est pas de même pour le transport et l’inactivation du signal. En particulier, les "odorant-degrading enzymes" (ODEs) qui seraient impliquées dans cette dernière étape, en dégradant les molécules odorantes en métabolites inactifs, i.e. ne pouvant plus stimuler les récepteurs. Les ODEs appartiennent à diverses familles d’enzymes de biotransformation, comme les cytochromes P450s (CYPs), les carboxylestérases (CCEs), les glutathion-S-transférases (GSTs), ou les UDP-glucosyltransférases (UGTs). La plupart sont exprimées fortement dans les antennes. Peu d’entre-elles ont été caractérisées fonctionnellement, principalement par des approches in vitro, peu d’études ont été réalisées in vivo avec des approches électrophysiologiques ou comportementales. Au cours de ma thèse, nous avons caractérisé deux CCEs antennaires, l’Estérase6 (Est6) et la « Juvenile Hormone Esterase duplication » (JHEdup), chez Drosophila melanogaster, en combinant des approches transcriptomiques et fonctionnelles. Nous avons montré que ces deux estérases étaient exprimées très fortement dans les antennes et capables de métaboliser in vitro certaines odeurs alimentaires émises par les fruits mûrs. Nous avons aussi démontré que ces deux estérases étaient impliquées in vivo dans les réponses physiologiques et comportementales à ces odorants, et qu’elles s’avèrent donc être des ODEs.. Pour deux ODEs candidates, Ugt35b (UGT) et Cyp308a1 (CYPs), nous avons établi leur patron d’expression dans les antennes afin de préciser les types de sensilles impliquées, en préliminaire à des études fonctionnelles plus ciblées. Enfin, pour ugt35b, cyp308a1 et jhedup, nous avons mis en évidence une expression dans différentes structures gustatives, posant la question de leur rôle possible dans le métabolisme de molécules sapides. Les quatre enzymes antennaires présentées ici ne sont que le début d’une longue liste d’ODEs candidates identifiées lors de l’analyse du transcriptome antennaire de D. melanogaster. Ce travail participe à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires impliqués dans le fonctionnement du système olfactif. Du point de vue appliqué, les ODEs pourraient constituer des cibles d’intérêt (via des inhibiteurs spécifiques par exemple) pour modifier des comportements olfacto-induits, et ce dans un contexte de contrôle de populations d’insectes ravageurs plus respectueux de l’environnement. Par ailleurs, les connaissances acquises sur les ODEs chez cette espèce modèle pourraient contribuer à leur caractérisation chez d’autres espèces, en particulier des ravageurs de cultures. / Insects can be hazardous crop pests that do not only feed on crops but also transmit plant pathogens, causing yearly a great economical damage. Pest control relies mainly on insecticides but an extensive use bears problems such as the pollution of environment, unpredictable effects on non-target species, an increase of insecticide resistant populations and toxicity for humans. Olfaction is fundamental for the implementation of many insect behaviours like host plant and mating partner foraging, identification of suitable oviposition sites and predator avoidance. Insects smell with hairshaped olfactory sensilla, which are located on their antennae and palps. These sensilla are the showplace of early olfactory processing involving several steps: the odor uptake through the sensillar pores and their transport through the sensillar lymph mediated by odorant binding proteins, the detection of odors by olfactory receptors (ORs) and eventually the inactivation of the olfactory signal. Odor/OR interactions have been intensely studied, contrary to odor transport and inactivation that remain not well understood. Odorant-degrading enzymes (ODEs) have been suggested to be responsible for odor inactivation by degrading odorants into inactive metabolites which no longer activate ORs. The ODEs identified to date belong to various biotransformation enzyme families, including cytochrome P450s (CYPs), carboxylesterases (CCEs), glutathione-S-transferases (GSTs), UDP-glucosyltransferases (UGTs). Most of them are highly expressed in insect antennae. To date, only some ODEs have been functionally characterized, most of them in vitro using recombinant protein and showing their ability to efficiently metabolize various odorant molecules. Only a very few studies were investigating ODE function in vivo using electrophysiological and behavioural approaches. In this thesis we functionally characterize two antennal CCEs, Esterase6 (Est6) and Juvenile Hormone Esterase duplication (JHEdup), in the insect model Drosophila melanogaster combining transcriptomic, in vitro and in vivo approaches. We found that both CCEs are highly expressed in antennae and are able to efficiently metabolize certain odors emitted by rotting fruits in vitro. Furthermore, we showed that both are involved in physiological and behavioural responses to these odors. Therefore we propose Est6 and JHEdup as sensillar candidate ODEs. Moreover, we investigated the precise antennal gene expression pattern in toto for two antennal biotransformation enzymes belonging to other classes, Ugt35b (UGT) and Cyp308a1 (CYPs), which will be helpful for further investigations in order to clarify their potential role in olfaction. In case of three ODE candidate genes (ugt35b, cyp308a1 and jhedup) we discovered an interesting expression pattern in various gustatory organs posing new questions about additional functions of these antennal enzymes in taste processing. The antennal enzymes discussed in this thesis are only four of many candidate ODEs that we identified in the antennal transcriptome of the fruit fly. These candidates comprise also enzymes that belong to other classes such as GSTs, aldehyde oxidases, alcohol dehydrogenases or lipases. This work contributes to a deeper understanding of the insect olfactory system including its molecular actors. From an applied point of view ODEs are interesting targets to modify odorant-driven insect behaviours. The identification of specific ODE inhibitors that could interfere with insect ability to respond to environmental olfactory cues, emitted by mating partners or host plants, would contribute to a broader variety of “eco-friendly” olfactory-based insect pest control strategies. In the future the obtained knowledge in the insect model Drosophila will contribute to the characterization of ODEs in different hazardous insect pests which will be the next step to develop new inhibitor-based strategies.

Les pucerons causent des dommages importants aux cultures céréalières et il est de plus en plus crucial de trouver des alternatives à la lutte chimique. Suite au Grenelle de l‟Environnement, les impératifs du développement durable et d‟une agriculture respectueuse de l‟environnement imposent de développer les recherches sur les méthodes de lutte biologique. Dans les paysages agricoles, la régulation naturelle des pucerons est assurée par divers parasites et une guilde diversifiée de prédateurs qui peuvent jouer un rôle régulateur important dans les phases précoces de la saison de reproduction. L‟objectif de cette thèse est de comparer l‟occupation des parcelles de blé et de maïs par les pucerons et leurs prédateurs carabiques dans des situations paysagères contrastées. Le travail a été mené pendant deux années sur 24 parcelles de céréales au sein de la zone atelier Armorique. Nous avons testé l‟effet de diverses variables paysagères sur la diversité et l‟abondance des pucerons et des communautés de carabes dans des parcelles de blé et de maïs. A l‟échelle du paysage, nous avons montré que la densité du bocage favorise l‟abondance des pucerons dans le blé mais pas dans le maïs. En revanche, le paysage ouvert favorise l‟abondance des carabes dans le blé comme dans le maïs. L‟augmentation des surfaces cultivées conduit à une perte d‟espèces des carabes et à un remplacement des espèces de grande taille par des espèces de petite taille A l‟échelle du contexte paysager, il y a une corrélation positive entre l'abondance des pucerons et la proportion de bois et de prairies à grande échelle(500m et 800m). Les proportions des prairies et des haies sont négativement corrélées avec l'abondance des carabes tandis que la richesse spécifique de cette communauté augmente avec la proportion des haies et des prairies. La proportion de bandes enherbées affecte négativement l'abondance des pucerons dans les parcelles de blé, et positivement dans les parcelles de maïs. L'abondance de carabes est positivement corrélée avec la proportion de bandes enherbées à grande échelle dans les deux types de cultures. A échelle locale, on observe une diminution du nombre total de pucerons à mesure qu‟on s‟éloigne de la bordure du champ. Alors que le nombre total de carabes augmente vers le centre des parcelles. La présence des bandes enherbées influence faiblement l‟abondance des pucerons. L‟abondance totale des pucerons et des carabes était significativement corrélée de manière positive dans le paysage ouvert pour les deux cultures , alors que dans le paysage fermé, cette corrélation était négative pour le blé et positive pour le maïs. Nos résultats montrent que les distributions et les relations carabes pucerons dans les paysages agricoles sont complexes puisqu‟elles varient à la fois selon le type de paysage, le contexte local et le type de culture.

Les relations complexes qui unissent les insectes phytophages et les plantes peuvent être étudiées par des approches interdisciplinaires à diverses échelles. Ces études peuvent avoir un intérêt appliqué, dans l'agriculture notamment. Au cours de cette thèse, nous avons mené une étude interdisciplinaire sur la biologie de la cécidomyie des fleurs du manguier, Procontarinia mangiferae (Felt) (Diptera : Cecidomyiidae), un bio-agresseur monophage et invasif responsable de dégâts économiques majeurs dans plusieurs zones de production du monde. L'objectif était d'améliorer les connaissances sur la biologie de cette espèce à l'île de la Réunion : (1) en évaluant sa diversité génétique et les facteurs écologiques et biologiques qui peuvent expliquer la structuration génétique de ses populations ; (2) en étudiant en milieu naturel ou contrôlé les caractéristiques de sa diapause, qui lui permettent de maintenir des populations d'une saison de floraison à la suivante ; (3) en étudiant par modélisation la dispersion des femelles dans un verger lors de sa colonisation, en prenant en compte les capacités de vol et la distribution spatiale et temporelle des stades sensibles du manguier au sein du verger. Les résultats ont montré que l'espèce P. mangiferae se reproduisait à la fois sur les inflorescences et sur les jeunes feuilles, qu'elle était présente toute l'année et sur tous les sites échantillonnés sur l'île, quelles que soient les conditions culturales ou climatiques. Ses populations sont apparues structurées en deux clusters sympatriques, dont un était plus fréquent dans la zone de culture du manguier. Ensuite, nous avons prouvé l'existence d'une diapause facultative induite toute l’année, avec cependant un taux d'induction de diapause supérieur en été. Cette diapause du troisième stade larvaire se déroule dans le sol et dure entre six semaines et plus d'un an. Les températures fraiches déclenchent les émergences des individus en diapause et permettent de synchroniser l'émergence des adultes avec la période de floraison du manguier. Enfin, nous avons montré que des femelles immigrantes étaient capables de coloniser l'ensemble des arbres d'un verger. Le vol d'arrivée des femelles dans le verger et le vol actif au sein du verger se sont avérés influencés respectivement par l'abondance et par l'attractivité de la ressource. Les connaissances obtenues sur la biologie de P. mangiferae et sur ses relations avec le manguier ouvrent des pistes pour le développement de stratégies de gestion agroécologique de ce bio-agresseur. / Phytophagous insects and plants are linked by complex relationships. Insect-plant interaction researches involve several biological disciplines at different levels of analysis. These insect–plant relationships are of crucial importance from an applied point of view, notably for agriculture. In this work, an interdisciplinary approach has been used to study on the mango blossom gall midge, Procontarinia mangiferae (Felt) (Diptera: Cecidomyiidae), an invasive insect pest specific to mango causing major economic damages worldwide. The objective was to improve our knowledge of the biology of this species in the subtropical Reunion Island (i) by describing its genetic diversity and investigate the ecological and biological determinants of the genetic structure of its populations, (ii) by carrying out field and controlled experiments to understand the diapause strategies involved in maintaining populations from one flowering season to the next one, (iii) by modeling the arrival and dispersion of females within an orchard in relation with their flight capacity and with the spatial and temporal distribution of the mango susceptible resources. The results showed that the single species P. mangiferae, feeding on both inflorescences and young leaves, was present all year round and in all the sampled sites on the island, regardless of the climatic and cultural conditions. Populations in Reunion Island appeared structured into two clusters in sympatry, one cluster being more frequent in the cultivated mango area. Secondly, we demonstrated the occurrence of facultative diapause all year round, with the highest rate of diapause observed in summer. The diapause allowed a developmental arrest at the 3rd larval instar in the soil, lasting between six weeks to more than one year. The decrease of temperature at the beginning of winter triggered off the emergence of diapausing individuals and synchronized adult emergence with the mango flowering period. Thirdly, non-native female gall midges were able to colonize all the trees of an orchard. Their arrival flight and trivial flight were oriented by the abundance and by the attractiveness of the mango resources, respectively. The knowledge obtained on the biological cycle of P. mangiferae and on its relationships with the mango tree should be useful to develop new agroecological pest management strategies.

Au Mali, pendant la saison sèche se pose la question de l’effet attractif exercé par les cultures de saison sèche sur les rongeurs ravageurs; lequel serait d'autant plus marqué sur le gradient latitudinal d’aridité soudano-sahélien GECS (1100 mm à 200 mm). Ces hypothèses sont testées chez le genre Arvicanthis (A.ansorgei,A.niloticus). Les résultats de la prospection cytogénétique antérieure 1994-1999 & une prospection élargie 2009-2014, révèle des changements récents des aires de distribution des 2 espèces; suggérant un rôle fort de leur adaptation chronobiologique dans le déterminisme de leur distribution. Cette approche horizontale suivie d'une approche verticale (2009-2016) compare 4 indicateurs de l'effet attractif des CSS vs les MNC dans les 5 régions climatiques du GECS (Sikasso, Koulikoro, Ségou, Mopti, Gao). Les densités de populations des 2 espèces sont plus élevées dans les CSS vs les MNC ; et cet effet attractif des CSS augmente avec l’aridité dans l'aire d'A.niloticus. Le ratio de "stratèges migrateurs" au sein des populations démontre l’effet tampon des CSS et confirme la fréquence de ces épisodes. L’étude du régime alimentaire confirme leur régime phytophage. En milieu naturel, l’aridité induit une baisse de la consommation de plantes compensées par celle d'Arthropodes non orthoptères; et la diversité des plantes consommées diminue avec l’aridité chez A.ansorgei vs augmente avec l’aridité chez A.niloticus. L'effet tampon des CSS "neutralise" les différences interspécifiques et chez les 2 espèces, dans les CSS, la diversité des adventices consommés diminue au détriment des plantes cultivées en particulier le riz.et la consommation en Orthoptères augmente / In Mali, during the dry season, there is the issue of the attractive effect of dry season crops on rodent pests, which would be all the more marked in the latitudinal gradient of Sudan-Sahel aridity GECS (1100 mm to 200 mm). These hypotheses are tested in the genus Arvicanthis (A.ansorgei, A. niloticus). The results of the previous cytogenetic survey 1994-1999 and an expanded survey 2009-2014 reveal recent changes in the distribution areas of both species; suggesting a strong role of their chronobiological adaptation in the determinism of their distribution. This horizontal approach followed by a vertical approach (2009-2016) compares four indicators of the attractiveness of the CSS vs. the MNC in the five climatic regions of GECS (Sikasso, Koulikoro, Ségou, Mopti, Gao). The population densities of both species are higher in the CSS vs. the MNC; and this attractiveness of the CSS increases with aridity in the area of A. niloticus. The ratio of "migratory strategists" within populations demonstrates the buffering effect of the CSS and confirms the frequency of these episodes. The diet study confirms their phytophagous diet. In a natural environment, aridity induces a decrease in the consumption of plants compensated by that of non-orthopterous Arthropods; and the diversity of plants consumed decreases with aridity in A.ansorgei vs increases with aridity in A. niloticus. The buffering effect of CSS "neutralizes" inter-specific differences, and in both species, in the CSS, the diversity of weeds consumed decreases to the detriment of crops, especially rice and the consumption in the Orthoptera increases.