Face aux changements climatiques actuels et à l'augmentation des populations, la vulnérabilité du sol et des services écosystémiques qu’il rend s’accroît. En particulier dans les zones climatiques méditerranéennes, les modèles météorologiques prévoient une augmentation des sécheresses estivales et une augmentation des températures accompagnées par l’apparition plus fréquente d’évènements extrêmes de type canicule et sécheresse. Ces événements, leur intensité, leur durée et la soudaineté avec laquelle ils arrivent, sont de nature à affecter la structure et la fonction des écosystèmes avec des conséquences principalement négatives sur leur biodiversité et leurs fonctions et services. Par ailleurs, l’apport de compost au sol pourrait constituer une solution pour prévenir et atténuer les effets des sécheresses et des canicules dans les agrosystèmes méditerranéens. Les objectifs de ce travail étaient de caractériser les effets à court et à long-terme de perturbations de type canicule et/ou sécheresse appliquées à un sol méditerranéen agricole (structures et fonctions des communautés microbiennes édaphiques) et d’étudier les impacts d’épandage préalable de composts sur la réponse à court et à long-terme de ces communautés microbiennes (structures et fonctions) vis-à-vis d’un événement extrême de canicule-sécheresse. Nos travaux nous ont permis d’évaluer l’influence de chacun des facteurs température élevée et sécheresse dans la perturbation canicule et sécheresse associées sur les paramètres microbiologiques et physico-chimiques du sol. Les effets de cette combinaison des deux perturbations a induit des réponses similaires à l’une ou l’autre des perturbations appliquées individuellement en bénéficiant des effets positifs et négatifs sur la communauté microbienne de chaque type de perturbation. Nous avons mis en évidence une durée seuil de la perturbation canicule-sécheresse sur la résistance de la communauté microbienne induisant un changement de structure taxonomique et fonctionnelle. Cette déstructuration de la communauté microbienne est durable et n’a pas permis de résilience. L’ajout préalable de composts de différents types au champ a amélioré la structure physico-chimique et stimulé les microorganismes indigènes du sol. Cependant, face à des perturbations de type canicule-sécheresse (telles que nous les avons testées), il semble que l’apport préalable de compost n’ait pas d’effets majeurs sur l’amélioration de la qualité du sol en terme de stabilité microbienne, mais que l’historique saisonnier influencerait cette stabilité / Current climate change and increasing populations’ growth enhance soil and ecosystem services vulnerability. Meteorological models predicted an increase in summer drought and higher air temperature with more frequent occurrence of extreme events like heat-waves and drought. Intensity and duration of these events may affect structure and functions of ecosystems and thereby the biodiversity and the functions of soil. The amendment of soils with composts could be an alternative to prevent and mitigate the effects of drought and heat waves in the Mediterranean agroecosystems. The objectives of this work were to characterize the effects of short and long-term high temperature and/or drought perturbation on soil Mediterranean microbial communities (structures and functions) and to study the impacts of compost amendment on short and long-term functional and taxonomic responses of microbial communities subjected to drought and high temperature. Our work allowed us to evaluate the influence of each factor (drought or high temperature) within the combined perturbation (drought and high temperature) on microbiological and physico-chemical soil properties. The effects of this combined perturbation induced similar or different responses of each of perturbations applied individually involving positive and negative effects on the microbial community. This work had shown threshold resistance duration inducing a change in taxonomic and functional microbial community structure after high temperature and drought perturbation. This abrupt shift in the community response did not allow resilience. Compost amendments improved the physico-chemical soil structure and stimulated indigenous soil microorganisms. However, it seemed that seasonal soil variations history rather than compost amendment influences soil microbial stability

Face aux changements climatiques actuels et à l'augmentation des populations, la vulnérabilité du sol et des services écosystémiques qu'il rend s'accroît. En particulier dans les zones climatiques méditerranéennes, les modèles météorologiques prévoient une augmentation des sécheresses estivales et une augmentation des températures accompagnées par l'apparition plus fréquente d'évènements extrêmes de type canicule et sécheresse. Ces événements, leur intensité, leur durée et la soudaineté avec laquelle ils arrivent, sont de nature à affecter la structure et la fonction des écosystèmes avec des conséquences principalement négatives sur leur biodiversité et leurs fonctions et services. Par ailleurs, l'apport de compost au sol pourrait constituer une solution pour prévenir et atténuer les effets des sécheresses et des canicules dans les agrosystèmes méditerranéens. Les objectifs de ce travail étaient de caractériser les effets à court et à long-terme de perturbations de type canicule et/ou sécheresse appliquées à un sol méditerranéen agricole (structures et fonctions des communautés microbiennes édaphiques) et d'étudier les impacts d'épandage préalable de composts sur la réponse à court et à long-terme de ces communautés microbiennes (structures et fonctions) vis-à-vis d'un événement extrême de canicule-sécheresse. Nos travaux nous ont permis d'évaluer l'influence de chacun des facteurs température élevée et sécheresse dans la perturbation canicule et sécheresse associées sur les paramètres microbiologiques et physico-chimiques du sol. Les effets de cette combinaison des deux perturbations a induit des réponses similaires à l'une ou l'autre des perturbations appliquées individuellement en bénéficiant des effets positifs et négatifs sur la communauté microbienne de chaque type de perturbation. Nous avons mis en évidence une durée seuil de la perturbation canicule-sécheresse sur la résistance de la communauté microbienne induisant un changement de structure taxonomique et fonctionnelle. Cette déstructuration de la communauté microbienne est durable et n'a pas permis de résilience. L'ajout préalable de composts de différents types au champ a amélioré la structure physico-chimique et stimulé les microorganismes indigènes du sol. Cependant, face à des perturbations de type canicule-sécheresse (telles que nous les avons testées), il semble que l'apport préalable de compost n'ait pas d'effets majeurs sur l'amélioration de la qualité du sol en terme de stabilité microbienne, mais que l'historique saisonnier influencerait cette stabilité

Mon travail de thèse s'est attaché à étudier les effets de la diversité des litières et de la macrofaune du sol sur les communautés microbienne, sous contrainte hydrique. Dans une première partie, le suivi des communautés microbiennes associées aux feuilles de la litière (feuilles mortes) et de la phyllosphère (feuilles vivantes), pendant un an en conditions naturelles, a montré des différences marquées selon l'état physiologique de la feuille, l'importance de l'espèce végétale hôte sur les communautés microbiennes ainsi que l'évolution des communautés au cours de l'année. Une deuxième partie présente les résultats d'une expérience de décomposition en microcosmes selon deux modalités d'humidité, un gradient de dissimilarité fonctionnelle des espèces de litière, et la présence/absence d'une macrofaune détritivore. Nos résultats confortent l'importance de l'espèce végétale sur les communautés microbiennes et montrent que la présence de détritivores favorise la diversité microbienne. Enfin, une dernière partie évalue l'impact d'une diminution des précipitations et de la diversité des litières sur les communautés microbiennes lors d'une expérience de décomposition d'un an in situ, à l'aide de dispositifs d'exclusion de pluie. La composition des mélanges de litières a une influence plus marquée sur les communautés microbiennes que la baisse des précipitations. En conclusion, les résultats de mes travaux ont tendance à minorer l'effet d'une diminution des précipitations sur les communautés microbiennes, mais soulignent la sensibilité des interactions entre communauté végétale, macrofaune et microorganismes face au changement climatique. / My PhD work focused on studying the effects of litter diversity and soil macrofauna on microbial communities under water stress. In the first part, the monitoring of microbial communities associated with leaf litter (dead leaves) and phyllosphere (living leaves) for one year under natural conditions, showed marked differences depending on the physiological state of leaves, the importance of the host plant species on microbial communities and the changes of communities during the year. A second part presents the results of a microcosms decomposition experience under two humidity conditions, a functional dissimilarity gradient of litter species and the presence / absence of a detritivorous macrofauna. Our results reinforce the importance of the plant species on microbial communities and show that the presence of scavengers encourages microbial diversity. A final section assesses the impact of a decrease in precipitation and litter diversity on microbial communities in an in situ decomposition experiment during one year, using rain excluder devices . The composition of litter mixtures has a stronger influence on the microbial communities than lower rainfall. In conclusion, the results of my work tend to underestimate the effect of a decrease in precipitation on microbial communities, but emphasize the sensitivity of the interactions between plant community, macro- and micro-organisms to climate change.

L'objectif principal de cette thèse est de comprendre le fonctionnement d'un écosystème semi-aride, en développant des méthodologies permettant de combiner des mesures satellites optique et micro-onde et un modèle semi-empirique pour estimer l'évapotranspiration et sa dynamique saisonnière dans une région semi-aride (plaine de Kairouan). L'estimation de cette dernière nécessite une bonne description de la dynamique du couvert végétal et un suivi du stock d'eau dans le sol. Pour se faire, une analyse de la dynamique de la végétation est faite sur la base de la série temporelle SPOT VEGETATION de 1998 à 2010. Pour appréhender le comportement de la végétation face à des fréquentes périodes de sècheresse, une analyse fractale est developpée pour étudier la persistance du couvert végétal. Un nouvel indice statistique VAI " Vegetation Anomaly Index " décrivant l'état du stress hydrique de la végétation a été proposé. Cet indice quantitatif permet de décrire à l'échelle mensuelle l'état de la végétation. Plusieurs approches de validation sont mises en œuvre pour montrer la performance de cet indice. En termes de suivi du stock d'eau dans le sol, l'analyse est basée sur des produits d'humidité (IPF Université de Vienne) des diffusiomètres spatiaux ERS et ASCAT/METOP. Ces produits ont été validés sur notre site d'étude via deux approches différentes. Un indice de sécheresse a été proposé à partir de la longue série de produits d'humidité qui couvre vingt années (de 1991 à 2010). L'indice proposé MAI " Moisture Anomaly Index " est basé sur une analyse des anomalies des variabilités temporelles des stocks d'eau dans le sol, estimées par les satellites ERS et ASCAT/METOP. Une analyse comparative avec d'autres indices de sécheresse, particulièrement le SPI " Standardized Precipitation Index " est faite pour mettre en évidence la performance de cet indice. Ces informations tirées à partir des deux séries temporelles optiques et micro-ondes sont ensuite intégrées dans un modèle simple et opérationnel, le modèle FAO-56 (approche double coefficient culturale) pour la cartographie de l'évapotranspiration réelle journalière. Une validation de cette approche est proposée en confrontant les résultats avec des sorties d'un modèle SVAT : ISBA-A-gs.

Cette thèse avait pour objectif de tester l’effet croisé de la gestion et de sécheresses extrêmes liées au changement climatique sur les interactions biotiques entre plantes, la biodiversité, la composition floristique et le fonctionnement écosystémique de pelouses caractéristiques du sud de l’Europe, en bordure occidentale calcaire du Massif Central français. Des sècheresses printanières et une fauche régulière ont été appliquées expérimentalement suivant un plan factoriel sur deux types de communautés situées, en Dordogne, dans des conditions de sols contrastées: les Mesobromion (pente nulle) et les Xerobromion (pente forte convexe et exposition sud). Les résultats ont validé des modèles théoriques prédisant un effondrement des interactions biotiques à l’extrémité sévère d’un gradient de stress, surtout si le système est soumis à de la perturbation. La réponse des pelouses était très dépendante de la communauté considérée. La sècheresse a diminué la biodiversité et altéré la composition floristique des Xerobromion. Ceci s’explique par la combinaison au sein de cette communauté d’un grand nombre de contraintes (sècheresse expérimentale, stress hydrique dû à l’exposition sud et forte perturbation physique induisant notamment un effondrement de la facilitation et un stress édaphique important). Les Mesobromion étaient plutôt affectés par la fauche qui a augmenté leur biodiversité via une diminution du couvert de graminoides compétitrices. En Europe du sud, et dans un contexte de changement climatique, nous recommandons de maintenir des pratiques de gestion basées sur la perturbation dans les Mesobromion et de se focaliser plutôt sur la conservation d’espèces peu tolérantes à la sècheresse dans les Xerobromion. / This PhD aimed at testing the crossed effects of management and extreme droughts linked to climate change on plant biotic interactions, biodiversity, composition and ecosystem functions of extensive grasslands from Southern Europe, at the Western calcareous boundary of the French Central Massif. Extreme spring droughts and a mowing-based management were experimentally applied in a factorial design in the Dordogne department on two communities with contrasted soil conditions: the Mesobromion (null slope) and the Xerobromion (steep convex slope and southern exposure). Our results support theoretical models predicting a collapse of biotic interactions at the severe end of a stress gradient, especially if the system is subject to disturbance. Grassland responses were strongly dependent on local environmental conditions. Drought decreased biodiversity and altered composition in the Xerobromion community. This is explained by the combination of several constraints (experimental drought, water stress due to southern exposition and physical disturbance which induces a collapse of facilitation and an important edaphic stress) in this community. The Mesobromion community was rather affected by mowing, which increased biodiversity through a reduction of competitive graminoids cover. In Southern Europe, and in a climate change context, we recommend maintaining disturbance-based management in the Mesobromion communities and focusing on the conservation of species with a poor tolerance to drought in the Xerobromion communities.

D’ici la fin du siècle, les prévisions climatiques prévoient une diminution de la quantité et de la régularité des pluies s’accompagnant d’une augmentation du risque de sècheresse en Europe et dans de nombreuses régions du monde. La création de nouvelles variétés de maïs plus tolérantes au stress hydrique est un levier indispensable pour faire face à ces contraintes futures. L’objectif principal de cette thèse est d’approfondir les connaissances des déterminismes génétiques de la tolérance à la sècheresse chez le maïs. Pour ce faire, il est proposé de disséquer ce caractère complexe en caractères physiologiques sous-jacents dont le déterminisme génétique est a priori plus simple. L’évolution de l’indice foliaire vert (GLAI : Green Leaf Area Index) au cours du cycle de la plante, par son rôle majeur dans l’interception lumineuse, la transpiration et les échanges de CO2, est un caractère secondaire prometteur pour identifier les bases génétiques de la tolérance à la sècheresse et en améliorer la compréhension. Au cours de cette thèse, nous avons développé une méthode de phénotypage haut débit permettant d’estimer la cinétique du GLAI au champ. Cette méthode combine la caractérisation multispectrale par drone et l’utilisation d’un modèle physiologique simple de GLAI. Elle permet d’estimer la cinétique du GLAI de manière continue sur l’ensemble du cycle de la plante avec une bonne précision, tout en divisant par vingt le temps nécessaire au phénotypage. Nous avons utilisé cette méthode lors de deux essais en conditions optimales et deux essais en conditions de stress hydrique pour mesurer l’évolution du GLAI au sein d’un panel de 324 lignées issues d’une population MAGIC (Multi-parent Advanced Generation Inter-Cross). Les cinétiques estimées présentent une forte héritabilité et expliquent une part significative du rendement en conditions optimales et stressées. Afin d’identifier les bases génétiques de la cinétique du GLAI, trois approches de génétique d’association longitudinales ont été comparées : une approche univariée en deux étapes, une approche multivariée en deux étapes et une approche de régression aléatoire en une étape. Ces trois approches, couplées à la forte densité des données de génotypage disponibles (près de 8 millions de marqueurs), ont permis de révéler de nombreux QTL (Quantitative Trait Loci), dont certains colocalisent avec des QTL de rendement. Enfin, nous avons démontré que les QTL de GLAI identifiés lors de cette étude pouvaient expliquer près de 20 % de la variabilité du rendement observée dans un large réseau d’expérimentations sous stress hydrique. Ce travail fournit des méthodes qui permettront une meilleure caractérisation et une meilleure compréhension des déterminismes génétiques de la cinétique du GLAI, un caractère jusqu’ici inaccessible pour les populations de taille importante. Ce caractère présente toutes les caractéristiques requises pour améliorer l’efficacité des programmes de sélection en conditions de stress hydrique. / By the end of the century, climate forecasts predict a decrease in the quantity and regularity of rainfall with an increasing risk of drought in Europe and in many regions of the world. Breeding for more tolerant varieties will be an essential lever to face these future constraints. The main objective of this work is to characterize the genetic determinisms of drought tolerance in maize. To this aim, it is proposed to dissect this complex trait into underlying physiological traits whose genetic determinism is supposed to be simpler. Green Leaf Area Index (GLAI) dynamics throughout the plant cycle, through its major role in light interception, transpiration and CO2 exchange, is a promising secondary trait to identify and better understand the genetic basis of drought tolerance. During this thesis, we developed a high-throughput method for phenotyping maize GLAI dynamics in the field. This method combines UAV multispectral imagery and a simple GLAI model. It makes possible the estimation of the dynamics of GLAI continuously throughout the whole plant cycle with good accuracy, while reducing the phenotyping time twentyfold. This method was used in two well-watered and two water-deficient trials to characterize the GLAI dynamics of 324 lines from a MAGIC population (Multi-parent Advanced Generation Inter-Cross). The estimated dynamics have a high heritability and explain a significant part of grain yield under well-watered and water-stressed conditions. To characterize the genetic basis of GLAI dynamics, three longitudinal GWAS (Genome Wide Association Study) approaches were compared: a univariate two-step approach, a multivariate two-step approach and a random regression one-step approach. These three approaches, combined with the high density of available genotyping data (nearly 8 million markers), have revealed many QTL (Quantitative Trait Loci), some of which were co-localized with yield QTL. Finally, we demonstrated that the GLAI QTL identified in this study could explain nearly 20 % of the grain yield variability observed in a large network of water-stressed experiments. This work provides methods that will enable a better characterization and understanding of the genetic determinisms of GLAI dynamics, a trait that was out of reach in large populations until now. This trait presents all the characteristics required to improve the effectiveness of selection programs under water stress conditions.