Los terpenos constituyen el mayor grupo de metabolitos secundarios, siendo componentes de las glándulas de aceites esenciales, de las flores y de las resinas defensivas de plantas aromáticas, a los que proporcionan sus aromas y sabores característicos. Los terpenos volátiles se asocian a la defensa de muchas especies de plantas, animales y microorganismos contra depredadores, patógenos y competidores. Por otra parte, estos compuestos parecen servir como señales para atraer a los polinizadores y agentes dispersores de semillas, así como a depredadores de plagas. El estudio de compuestos orgánicos volátiles emitidos durante el desarrollo del fruto y después del desafío con diferentes agentes bióticos puede ayudar a conocer las interacciones de los frutos carnosos no sólo con vertebrados dispersores y depredadores, sino también con insectos y microorganismos. Los frutos carnosos son particularmente ricos en volátiles. En los frutos cítricos, los monoterpenos son los principales componentes de las glándulas del aceite esencial de la cáscara (flavedo), siendo el D-limoneno el más abundante (hasta 95% en la naranja). Esta característica hace que los cítricos sean un buen sistema modelo para el estudio de la función de los terpenos en los frutos. La biología molecular moderna permite la realización de experimentos para comprobar la función de terpenos por medio del uso de organismos transformados genéticamente en los que se han manipulado los niveles de acumulación de dichos compuestos. En este trabajo, se ha utilizado un plásmido que alberga el cDNA completo del gen de una limoneno sintasa de cítricos (CiTMTSE1) en orientación antisentido (AS) o sentido (S) para modificar la expresión y la acumulación de D-limoneno en plantas de naranjo dulce (Citrus sinensis L. Osb.). La acumulación de D-limoneno en las frutas AS se redujo drásticamente pero la acumulación de otros terpenos también se modificó, afectando a compuestos tales como alcoholes monoterpenos, cuya concentración se incrementó en la cáscara de las frutas. Las plantas transformadas fueron morfológicamente indistinguibles de las plantas control (WT) y de las plantas transformadas con el vector vacío (EV). Los frutos transgénicos fueron desafiados con un insecto plaga y con diferentes patógenos para probar si la alteración de los niveles de acumulación de estos volátiles daba como resultado una mejora en la respuesta del flavedo frente a plagas y patógenos. Los machos de la mosca mediterránea de la fruta (Ceratitis capitata) expuestos a las frutas AS y EV en ensayos en túnel de viento fueron significativamente más atraídos por el aroma de los frutos control EV. En otros experimentos de desafío con el hongo de la podredumbre verde Penicillium digitatum y la bacteria causante de la cancrosis de los cítricos Xanthomonas axonopodis subsp. citri, las frutas transgénicas con un contenido reducido de D-limoneno mostraron elevada resistencia a estos patógenos. El alto contenido en D-limoneno en la cáscara de naranjas maduras puede ser una señal para la atracción de plagas y microorganismos que podrían estar involucrados en la facilitación del acceso a la pulpa de los frugívoros dispersores de semillas. El análisis de la expresión génica global en el flavedo de las frutas transgénicas vinculó la disminución de D-limoneno y la reducción de la expresión de genes del metabolismo de monoterpenos con la activación de la expresión de genes implicados en inmunidad innata, incluyendo factores de transcripción, genes de quinasas implicadas en la entrada de Ca2+ en la célula y genes implicados en la activación de las cascadas de MAPKs, con la consiguiente activación de la ruta de señalización de ácido jasmónico (JA), lo que provocó la activación del metabolismo de JA y un aumentó drástico de la acumulación de JA en la cáscara de la naranja tras el desafío con P. digitatum, lo que explicaría la resistencia al menos a hongos necrotrofos observada en las frutas. Estos resultados indican que la acumulación de D-limoneno en la cáscara de la naranja estaría implicada en la interacción trófica entre las frutas, insectos y microorganismos, lo cual proporciona una visión mucho más amplia de las funciones de los terpenos en la naturaleza. También representa una alternativa muy prometedora para incrementar la resistencia o tolerancia de las plantas frente a patógenos y plagas. / Terpenes, the largest group of secondary metabolites, are well known as constituents of essential oils, floral scents and defensive resins of aromatic plants, to which they impart their characteristic aromas and flavors. Terpene volatiles defend many species of plants, animals and microorganisms against predators, pathogens and competitors. Moreover, those compounds seem to serve as advertisements to attract pollinators and seed-dispersal agents as well as pest predators. The study of VOCs emitted during fruit development and after challenge with different biotic agents may help to determine the interactions of fleshy fruits not only with legitimate vertebrate dispersers and predators, but also with insects and microorganisms. Fleshy fruits are particularly rich in volatiles. In citrus fruits, monoterpenes are the main components of the essential oil glands of the peel, being D-limonene the most abundant one (up to 95% in orange fruits). This characteristic makes citrus a good model system for studying the function of terpenes in plants. Modern molecular biology now enable experiments to test terpenoid function by the use of genetically transformed organisms in which terpene levels have been manipulated. In this work, a plasmid harboring the complete cDNA of a citrus limonene synthase gene (CiTMTSE1) in antisense (AS) or sense (S) orientation was used to modify the expression and accumulation of D-limonene of sweet orange (Citrus sinensis L. Osb) plants. D-limonene accumulation in AS fruits was dramatically reduced but the accumulation of other terpenoids was also modified, such as monoterpene alcohols, whose concentration increased in the peel of fruits. Genetically transformed plants were morphologically indistinguishable from wild-type (WT) and empty vector (EV) control plants. Transgenic fruits were challenged against a pest and different pathogens to test whether volatile profile alteration results in an improvement in the response of the fruit flavedo against them. Males of the Mediterranean fruit fly (Ceratitis capitata) exposed to AS fruits versus EV in wind tunnel assays were significantly more attracted to the odor of EV control fruits. In separate experiments with the green mould rot of citrus fruits and citrus canker caused by Penicillium digitatum and Xanthomonas axonopodis subsp. citri, respectively, transgenic fruits with a reduced content in D-limonene showed resistance to both pathogens. High D-limonene content in mature orange peels may be a signal for attractiveness of pests and microorganisms which might be likely involved in facilitating the access to the pulp of seed dispersal frugivores. A global gene expression analysis of the flavedo of AS transgenic fruits linked the decrease of D-limonene and monoterpene metabolism to the up-regulation of genes involved in the innate immunity response, including transcription factors together with Ca2+ entry into the cell and activation of MAPK cascades, contributing to activation of jasmonic acid (JA) signaling, which triggered the up-regulation of JA metabolism and drastically increased the accumulation of JA in orange peels upon fungal challenge, explaining the resistance to necrotrophic fungi observed in AS fruits. These results indicate that limonene accumulation in the peel of citrus fruit appears to be involved in the successful trophic interaction between fruits, insects, and microorganisms and provide a much more comprehensive view of roles of terpenes in nature. It also represents a very promising alternative for increasing resistance or tolerance of plants to pathogens. / Rodríguez Baixauli, AM. (2013). Genetic engineering of plant volatiles in fleshy fruits: pest repellency and disease resistance through D-limonene downregulation in transgenic orange plants [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31655

Les communautés écologiques sont connues pour être des systèmes complexes composés de multiple espèces entrant en interaction les unes avec les autres. De nombreux modèles théoriques ont été développés pour étudier les communautés. Certains ont souligné l'importance des effets indirects que les espèces pouvaient avoir les unes sur les autres, tels que les chaînes d'interactions et les modifications d'interactions (par modification du trait d'une des espèces en interaction ou de l'environnement où se déroule l'interaction). Bien que la science expérimentale vienne confirmer le rôle fondamental que pourrait avoir ces effets indirects, peu d'études à l'échelle des communautés en milieu naturel ont été conduites, et encore moins chez les grands mammifères. Le Parc National de Hwange, au Zimbabwe, est un écosystème de savane arborée semiaride caractérisé par une quasi-absence d'eau de surface naturelle (point d'eau, rivière) pendant la saison sèche, et ce n'est qu'avec la création de points d'eau artificiels pompés que la richesse spécifique des communautés de grands mammifères et les fortes abondances animales sont maintenues. De plus, cet écosystème a la remarquable particularité à la fois d'abriter l'une des plus fortes densités d'éléphants, et d'être considéré comme l'un des bastions africains pour sa population de lions. Le lion est connu comme étant un chasseur à l'affût, utilisant les éléments de son habitat (fourrés, souches, hautes herbes, etc.) pour se rapprocher au maximum de sa proie et lui bondir dessus par surprise. De plus, cette espèce semble profiter de l'agrégation des herbivores aux points d'eau pendant la saison sèche pour chasser autour de ces points d'eau. L'éléphant d'Afrique quant à lui est capable d'aménager son milieu et est ainsi susceptible de favoriser l'accès à certaines ressources pour les autres espèces, telles que des abris ou au contraire une meilleure visibilité. En revanche, de par sa masse corporelle exceptionnelle et son régime alimentaire généraliste, il est possible qu'il soit un compétiteur clé pour les autres herbivores. Enfin, étant très nombreux dans l'écosystème étudié, nécessitant de grandes quantités d'eau, et devenant de plus en plus agressifs au fil de la saison sèche, les éléphants influencent l'utilisation des points d'eau par les autres herbivores. Cette thèse porte donc sur le rôle que peuvent avoir les éléphants sur les interactions trophiques entre les lions et leurs proies, via des mécanismes d'effets indirects. Différents axes de recherche sont abordés. Le premier porte sur l'effet des éléphants sur la communauté de grands herbivores aux points d'eau, et plus particulièrement comment ils peuvent influencer leur distribution spatiale, et à terme leur vulnérabilité vis-à-vis des prédateurs. Un évitement spatial des éléphants par les autres herbviores en début de saison sèche suggère fortement que les éléphants sont de potentiels compétiteurs. Cependant, à la fin de la saison sèche, le phénomène s'inverse et certaines espèces d'herbivores se rapprochent fortement des éléphants. Deux scénarios portant sur les mécanismes pouvant expliquer ce patron ont été explorés, sans succès : une nécessité croissante d'accéder à de l'eau de meilleure qualité au niveau des pompes des points d'eau, et une augmentation du risque de prédation qui pourrait rendre les éléphants « attractifs » aux yeux des herbivores, les éléphants adultes étant invulnérables à la prédation et capables de les faire fuir par des comportements de harcèlement. Le deuxième axe de recherche porte sur l'effet des éléphants sur la distribution spatiale des herbivores à l'échelles du paysage et de l'habitat, et sur les conséquences possibles que cela peut avoir sur l'écologie spatiale des prédateurs. L'absence de ségrégation entre éléphants et herbivores ne supporte pas l'hypothèse d'un effet de compétition par exploitation, et l'investigation quant à l'effet sur les prédateurs n'a pas été poussée plus avant... [etc] / Species can indirectly affect other species and their interactions. The trophic interaction between a predator and its prey can be modified by the presence of a third species either through chain interactions (e.g. successive predation link) either through interaction modification. However, these indirect received few attentions in theorical modelling of food web, and fewer studies tried to explore this phenomenon at the scale of natural complex communities of large mammals. The role of the elephants as modifier of lion’s trophic interaction is explored in the semi-arid woodland savannah ecosystem of Hwange National Park, Zimbabwe. African elephants, as key competitor (male body mass ~ 4000 kg with aggressive behaviour) shape the behaviour of herbivores at waterholes results do not allow to state on the elephant mediation of lion trophic interaction at waterholes. In addition, elephants seem to facilitate the availability of food resources for impalas, possibly by increasing regrowth of shoots by breaking twigs and stem, as these last select habitats used by elephants. However, not effect of facilitation or competition were observed for the other herbivores, which lead to think that elephants do not influence lion trophic interaction in that way. Finally, by altering the physical environment (i.e. engineer species) the elephants affect the visibility and ambush sites for lions in the woody vegetation and ultimately seem to influence the lion kill site selection. This study suggests that indirect effects may act at the community level even if their observation and quantification are difficult in natural communities. Moreover, it supports the observation that it is important to take into account these indirect effects in order to have a thorough understanding and have a better ability to predict the consequences that disruptions may have on the structure and functioning of communities

L’intensification des pratiques agricoles a été identifiée comme cause majeure du déclin de la biodiversité. Plusieurs études ont documenté l’impact de la fragmentation du paysage naturel et de l’agriculture intensive sur la diversité des espèces, mais très peu ont quantifié le lien entre la structure du paysage et les interactions trophiques, ainsi que les mécanismes d’adaptation des organismes. J’ai étudié un modèle biologique à trois niveaux trophiques composé d’un oiseau hôte, l’hirondelle bicolore Tachycineta bicolor, de mouches ectoparasites du genre Protocalliphora et de guêpes parasitoïdes du genre Nasonia, au travers d’un gradient d’intensification agricole dans le sud du Québec. Le premier objectif était de déterminer l’abondance des espèces de mouches ectoparasites et de leurs guêpes parasitoïdes qui colonisent les nids d’hirondelles dans la zone d’étude. La prévalence de nids infectés par Protocalliphora spp. était de 70,8% en 2008 et 34,6% en 2009. Le pourcentage de nids comprenant des pupes de Protocalliphora parasitées par Nasonia spp. était de 85,3% en 2008 et 67,2% en 2009. Trois espèces de Protocalliphora ont été observées (P. sialia, P. bennetti et P. metallica) ainsi que deux espèces de Nasonia (N. vitripennis et N. giraulti). Il s’agit d’une première mention de P. bennetti et de N. giraulti dans la province de Québec. Mon deuxième objectif était d’évaluer l’impact de l’intensification agricole et de la structure du paysage sur les relations tri-trophiques entre les organismes à l’étude. Les résultats révèlent que les réponses à la structure du paysage de l’hirondelle, de l’ectoparasite et de l’hyperparasite dépendantent de l’échelle spatiale. L’échelle spatiale fonctionnelle à laquelle les espèces répondent le plus varie selon le paramètre du paysage modélisé. Les analyses démontrent que l’intensification des pratiques agricoles entraîne une diminution des populations d’oiseaux, d’ectoparasites et d’hyperparasites. De plus, les populations de Protocalliphora et de Nasonia sont menacées en paysage intensif puisque la dégradation du paysage associée à l’intensification des pratiques agricoles agit directement sur leurs populations et indirectement sur les populations de leurs hôtes. Mon troisième objectif était de caractériser les mécanismes comportementaux permettant aux guêpes de composer avec la variabilité de la structure du paysage et de la qualité des hôtes. Nos résultats révèlent que les femelles Nasonia ajustent la taille de leur ponte en fonction de la taille de la pupe hôte et de l’incidence d’hyperparasitisme. Le seul facteur ayant une influence déterminante sur le ratio sexuel est la proportion de paysage dédié à l’agriculture intensive. Aucune relation n’a été observée entre la structure du paysage et la taille des filles et des fils produits par les femelles Nasonia fondatrices. Ce phénomène est attribué aux comportements d’ajustement de la taille de la ponte et du ratio sexuel. En ajustant ces derniers, minimisant ainsi la compétition entre les membres de leur progéniture, les femelles fondatrices sont capables de maximiser la relation entre la disponibilité des ressources et la valeur sélective de leur progéniture. En conclusion, ce travail souligne l’importance de considérer le contexte spatial des interactions trophiques, puisqu’elles influencent la biodiversité locale et le fonctionnement de l’écosystème. / Landscape fragmentation and homogenization are considered to be the main causes of the worldwide decline in biological diversity. The degradation of habitat quality is mainly caused by the expansion and intensification of human land-use activities, primarily for agricultural purposes. Many studies documented the impact of landscape fragmentation and agricultural intensification on the overall fitness of animals across various taxa, but few works have studied this phenomenon in relation to trophic interactions. Here, we investigated the effects of landscape structure on the tri-trophic interactions between a bird host (the Tree Swallow Tachycineta bicolor (Vieillot)), its blowfly ectoparasites (Protocalliphora Hough), and their parasitoid wasps (Nasonia Walker) along a gradient of agricultural intensification covering 10, 200 km2 in southern Québec, Canada. The first objective was to describe the assemblages of Protocalliphora and Nasonia species found in Tree Swallow nests within our system. The prevalence of nest infestation by Protocalliphora was of 70.8% in 2008 and 34.6% in 2009. The percentage of nests containing Protocalliphora pupae parasitized by Nasonia spp. was of 85.3 % in 2008 and 67.2% in 2009. Three species of Protocalliphora were collected (P. sialia, P. bennetti and P. metallica) and two species of Nasonia (N. vitripennis and N. giraulti). Secondly, I evaluated the impact of landscape structure and agricultural intensification on the number of Tree Swallow fledglings, number of Protocalliphora per nest and the level of hyperparasitism by Nasonia. Our results revealed that organisms from different trophic levels perceived the landscape at distinctive spatial extents. This perception, however, differed based on whether the proportions of intensive or extensive culture in the landscape were considered. Furthermore, the number of Tree Swallow fledglings, the abundance of P. sialia and the level of hyperparasitism by N. vitripennis all decreased with an increase in the proportion of intensive culture in the landscape. Protocalliphora and Nasonia were more susceptible to extinction within highly intensive landscapes as they are confronted with both the direct effect of habitat degradation on their populations and the indirect effect of habitat degradation on their host populations. The last objective was to investigate how parasitoid wasps respond to environmental variability. We showed that the size of the P. sialia pupae hosts decreased in more intensive landscapes. Wasps clutch size was shown to increase within increasing host size and the sex ratio of offspring produced by N. vitripennis became more male biased as the proportion of intensive culture increased in the landscape. In addition, both female and male size was influenced by resource availability (size of host and number of competitors). Our data indicate that by producing smaller male biased clutches in the smaller hosts within intensive landscapes, females were able to respond to poor environments and maximize the size of their offspring. To conclude, this work highlights the importance of considering the landscape context of trophic interactions, as these interactions dictate local biodiversity and ecosystem function.

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We are currently faced with the global challenge of conserving biological diversity while also increasing food production to meet the demands of a growing human population. Land-use change, primarily resulting from conversion to production land, is currently the leading cause of biodiversity loss. This occurs through habitat loss, fragmentation of remaining natural habitats, and resulting edge effects. Land-sparing and land-sharing approaches have been discussed as alternative ways to engineer landscapes to mitigate biodiversity loss while meeting production objectives. However, these represent extremes on a continuum of real-world landscapes, and it will be important to understand the mechanisms by which adjacent land use affects natural remnant ecosystems in order to make local land-management decisions that achieve conservation, as well as production, objectives. This thesis investigates the impact of juxtaposing production and natural forest on the community-wide interactions between lepidopteran herbivores and their parasitoids, as mediated by parasitoid spillover between habitats. The first and overarching objective was to determine whether herbivore productivity drives asymmetrical spillover of predators and parasitoids, primarily from managed to natural habitats, and whether this spillover alters trophic interactions in the recipient habitat. The study of trophic interactions at a community level requires understanding of both direct and indirect interactions. However, community-level indirect interactions are generally difficult to predict and measure, and these have therefore remained understudied. Apparent competition is an indirect interaction mechanism thought to be very important in structuring host-parasitoid assemblages. However, this is known primarily from studies of single species pairs, and its community-wide impacts are less clear. Therefore, my second objective was to determine whether apparent competition could be predicted for all species pairs within an herbivore assemblage, based on a measure of parasitoid overlap. My third objective was to determine whether certain host or parasitoid species traits can predict the involvement of those species in apparent competition. My key findings were that there is a net spillover of generalist predators and parasitoids from plantation to native forest, and that for generalists, this depends on herbivore abundance in the plantation forest. Herbivore populations across the edge were linked by shared parasitoids in apparent competition. Consequently, an experimental reduction of herbivore density in the plantation forest changed parasitism rates in the natural forest, as predicted based on parasitoid overlap. Finally, several host and parasitoid traits were identified that can predict the degree to which host or parasitoid species will be involved in apparent competition, a finding which may have extensive application in biological control, as well as in predicting spillover edge effects. Overall, this work suggests that asymmetrical spillover between production and natural habitats occurs in relation to productivity differences, with greater movement of predators and parasitoids in the managed-to-natural forest direction. The degree to which this affected species interactions has implications for landscape design to achieve conservation objectives in production landscapes.