Harlequin bugs are orange and black aggregation pheromone emitting stink bug pests, specifically of cole crops such as kale, broccoli and collards. This nearly loyal crop preference makes an interesting challenge for trapping them and helping farmers predict pest severity. Harlequin bugs can be found in much of North America, and are a serious problem in the southeastern United States. Presumably their persistence into northern regions is limited by extreme winters. In 2014 and 2015 the arctic polar vortex extended into mid-latitudes bringing a blanket of sustained sub-freezing temperatures to much of the United States. We used these events to determine effects of extreme winter weather on harlequin bug survival. In both years we observed nearly identical low temperatures of -15oC and this linked to high (80-96%) harlequin bug mortality. In the lab we measured exact lethal freezing temperatures in harlequin bugs (i.e. supercooling points) to see if a physiological metric could be used to predict overwinter survival. Harlequin bug adults froze and died at -10.4oC, and similarly, their larger juvenile stages freeze at -11.0oC. Freshly hatched harlequin bugs and unhatched eggs froze at considerably lower temperatures with eggs forming ice crystals at -23.2oC and recent hatches at -21.6oC. Now with an understanding of how harlequin bugs likely survive winter extreme, we can then work on developing a trap to tally their populations in the spring and predict summer and fall pest severity. In the lab and field, harlequin bug adults and large nymphs were more likely found on green and black colors, and statistically less frequently on yellow, white, purple or red colors with the exception of adult females, which were most attracted to red and green in the lab, but green and black in the field. To increase harlequin bug attraction to and termination at traps square corrugated plastic panels were wrapped with an insecticide netting and baited with harlequin bug aggregation pheromone, murgantiol. Bugs were effectively drawn to the panels, with green panels having significantly more dead harlequin bugs and fewer dead beneficial lady beetles (Coleoptera: Coccinellidae) at their base than yellow panels. Thus, green was chosen as the ideal trap color to use for another field experiment that evaluated three trap types -- a corrugated plastic square panel, pyramidal trap, and ramp trap -- each with three lure treatments, murgantiol alone or murgantiol plus a low or high rate of mustard oil. More bugs were killed with the pyramidal trap than with the panel trap or the ramp trap, and more bugs were killed at traps containing murgantiol combined with benzyl isothiocyanate than at those with murgantiol alone. This research demonstrated that with the proper visual elements and odors, harlequin bugs can be drawn to traps and effectively killed after contact with insecticide-incorporated netting. / MSLFS / Harlequin bugs are orange and black aggregation pheromone emitting stink bug pests, specifically of cole crops such as kale, broccoli and collards. This nearly loyal crop preference makes an interesting challenge for trapping them and helping farmers predict pest severity. Harlequin bugs can be found in much of North America, and are a serious problem in the southeastern United States. Presumably their persistence into northern regions is limited by extreme winters. In 2014 and 2015 the arctic polar vortex extended into mid-latitudes bringing a blanket of sustained sub-freezing temperatures to much of the United States. We used these events to determine effects of extreme winter weather on harlequin bug survival. In both years we observed nearly identical low temperatures of -15℃ and this linked to high (80-96%) harlequin bug mortality. In the lab we measured exact lethal freezing temperatures in harlequin bugs (i.e. supercooling points) to see if a physiological metric could be used to predict overwinter survival. Harlequin bug adults froze and died at -10.4℃, and similarly, their larger juvenile stages freeze at -11.0℃. Freshly hatched harlequin bugs and unhatched eggs froze at considerably lower temperatures with eggs forming ice crystals at -23.2℃ and recent hatches at -21.6℃. Now with an understanding of how harlequin bugs likely survive winter extreme, we can then work on developing a trap to tally their populations in the spring and predict summer and fall pest severity. In the lab and field, harlequin bug adults and large nymphs were more likely found on green and black colors, and statistically less frequently on yellow, white, purple or red colors with the exception of adult females, which were most attracted to red and green in the lab, but green and black in the field. To increase harlequin bug attraction to and termination at traps square corrugated plastic panels were wrapped with an insecticide netting and baited with harlequin bug aggregation pheromone, murgantiol. Bugs were effectively drawn to the panels, with green panels having significantly more dead harlequin bugs and fewer dead beneficial lady beetles (Coleoptera: Coccinellidae) at their base than yellow panels. Thus, green was chosen as the ideal trap color to use for another field experiment that evaluated three trap types – a corrugated plastic square panel, pyramidal trap, and ramp trap – each with three lure treatments, murgantiol alone or murgantiol plus a low or high rate of mustard oil. More bugs were killed with the pyramidal trap than with the panel trap or the ramp trap, and more bugs were killed at traps containing murgantiol combined with benzyl isothiocyanate than at those with murgantiol alone. This research demonstrated that with the proper visual elements and odors, harlequin bugs can be drawn to traps and effectively killed after contact with insecticide-incorporated netting.

L’intérêt pour la dispersion des gènes via le pollen a augmenté avec les cultures de plantes génétiquement modifiées. A ce jour, les données expérimentales ainsi que la modélisation portant sur les mouvements du pollen de colza, Brassica napus L., à l’échelle du paysage ne différencie pas clairement la part du vent et des insectes dans cette dispersion. Cependant, l’estimation de la dispersion des gènes par le pollen reste une condition nécessaire pour la gestion des risques d’échappement des (trans-)gènes vers l’environnement et les cultures conventionnelles. A travers cette thèse, nous avons pu mettre en évidence qu’une grande diversité d’insectes pollinisateurs pouvait transporter du pollen viable entre différentes plantes de colza sur des distances importantes (>1.1 km). La diversité d’insectes varie d’une région à l’autre et d’une année sur l’autre. Cependant, bien que la majorité des insectes sur une zone de grande production de colza ait du pollen de cette culture sur leur corps, seulement 39,4 % des insectes capturés sur des plantes mâle-stériles transportent du pollen de colza viable. Bien que nous n’ayons pas pu déterminer avec précision la part du vent et des insectes dans le pollinisation du colza, il semblerait que les insectes participent de façon plus importante à la pollinisation de plantes présentes en bordures de champs, augmentant ainsi le taux de pollinisation croisée. Nos résultats fournissent des données fiables pour améliorer les modèles de dispersion pollinique pour des cultures entomophiles à l’échelle du paysage. Ces modèles sont essentiels pour l’aide à la gestion afin de réduire la dispersion des gènes par le pollen des cultures génétiquement modifiées vers les plantes sauvages ou les cultures conventionnelles / Interest in pollen-borne gene dispersal has grown with the cultivation of genetically modified plants. To date both experimental data and models of oilseed rape (OSR) Brassica napus pollen movement at the landscape scale do not clearly differentiate between wind- and insect-mediated dispersal. Estimations of pollen-borne gene dispersal would be valuable for managing potential escapes of transgenes. Our study provides clear evidence that a large variety of insect species can transfer viable pollen between oilseed rape plants over considerable distances (>1.1 km). Insect’s diversity according to geographical site and years. However, the majority of pollinator have OSR pollen in their body hairs, only 39.4% of the insects caught on male-sterile flowers carried OSR pollen. Although we could not determine with precision the role of the wind and the insects in the OSR pollination, it would seem that insects take part in a more important way in pollination of plants present in edges of fields, thus increasing cross pollination rate. Our results provide valuable data to improve models of pollen dispersal for entomophilous crops at the landscape scale. These models are essential to help land-managers reduce pollen-borne gene dispersal from genetically modified plants to wild relative and field planted with non-GM crops

La région méditerranéenne, hot-spot de biodiversité avec un fort taux d'endémisme, est classée parmi les zones les plus touchées par le changement climatique. La conservation des espèces nécessite de comprendre finement leur démographie face à ces changements, mais aussi leur capacité à s’adapter à ces nouvelles conditions. Au cours de cette thèse, deux espèces végétales rares méditerranéennes ont été étudiées, Centaurea corymbosa et Brassica insularis, en utilisant des modèles mathématiques récents pour analyser des suivis démographiques de long-terme (22 ans et 18 ans). Dans la première partie de cette thèse, des modèles de projection matriciels ont été construits afin d’analyser la variation spatio-temporelle des taux d’accroissement des populations de C. corymbosa. Cela a permis d'identifier les facteurs climatiques clefs qui impactent les taux d’accroissement des populations, et plus finement, les paramètres de survie, de floraison et de fécondité. Une analyse de viabilité des populations a été réalisée sous différents scénarios climatiques. Dans un second temps, une analyse de la capacité des populations de C. corymbosa à répondre à ces changements climatiques a été effectuée avec un modèle de projection intégral. Les changements des traits d’histoire de vie au cours du temps ont montré que la stratégie de floraison observée répond aux variations climatiques en suivant la même direction que la stratégie optimale. Ceci montre que les populations sont capables de s’adapter au changement climatique. Enfin, des modèles de capture-recapture (CR) ont été construits afin de déterminer l’influence de la faible détectabilité des individus sur l’estimation des paramètres démographiques chez B. insularis. Les probabilités de survie estimées par l’approche classique sont inférieures à celles estimées par les modèles CR. Les paramètres estimés par les deux approches sont en général très corrélés, à l'exception d'une population montrant des problèmes d'identification des individus. L'ensemble de cette thèse est replacé dans le cadre de la biologie de la conservation des espèces végétales, notamment en suggérant de prendre en compte leur capacité de réponse au changement climatique. / Mediterranean region is a biodiversity hot-spot with a high endemism rate and is classified among the areas most sensitive to climate change. Deep understanding of demography and evolution following these changes is a necessity for species conservation. During this thesis, two rare Mediterranean plant species have been studied, Centaurea corymbosa and Brassica insularis, using recent mathematical models to analyse long term demographic datasets (22 and 18 years). In the first part of this thesis, matrix projection models have been used to analyse spatio-temporal variation in population growth rate in C. corymbosa. Major climatic parameters that impact population growth rate and survival, flowering and fecundity have been identified. A population viability analysis has been performed under various climatic scenarios. In a second part, an analysis of the population ability of C. corymbosa to response to these climatic changes has been performed using integral projection models. Temporal variation of life-history traits showed that the realized flowering strategy varied with climatic conditions following the same direction than the optimal flowering strategy. It can thus be concluded that the studied populations can adapt to climatic changes. Finally, capture-recapture models have been applied on the Brassica insularis dataset to analyse the effect of plant detectability on demographic parameter estimations. Survival probabilities obtained with the classical approach are lower than the ones estimated using the CR models. However, the parameters estimated using both methods are highly correlated, except for one population where individual identification is problematic. Results of this thesis are linked to some considerations in conservation biology of plants, particularly in link to their ability to respond to climatic changes.

Les agroécosystèmes sont des mosaïques d’espaces cultivés, d’espaces naturels et semi-naturels et d’infrastructures humaines fortement imbriqués et donc intrinsèquement liés et dépendants. Les espaces semi-naturels sont confinés généralement aux bordures de champs et aux bordures de route où se côtoient biodiversités végétales cultivées et sauvages. Cette thèse se concentre principalement sur la dispersion des graines de colza (Brassica napus L.) vers ces espaces qui peut conduire à la formation de populations de colza dites férales. A l’échelle d’un agroécosystème, l’étude de données génotypiques couplées à des méthodes d’assignations aux variétés commerciales existantes, a permis de mettre en évidence un lien entre la diversité variétale des champs de colza cultivés et la diversité variétale des populations férales de l’année suivante. De surcroît, l’étude de ces diversités variétales a montré que les champs ne sont pas des entités uniformes comportant des plantes d’une seule variété et que les populations férales accumulent les variétés au fil des années grâce aux apports annuels des champs récoltés, à la survie dans la banque de graines et à l’autorecrutement au sein des populations férales. La modélisation des flux efficaces de graines par une méthode de maximum de vraisemblance a permis d’identifier des dynamiques de dispersion locales au sein des agroécosystèmes. Suivant la zone considérée et les axes de circulation vers le silo de récolte, les sources locales de graines varient et les apports extérieurs de graines sont plus ou moins importants. Nos données nous ont permis d’estimer que les semis de la même année (n), les champs récoltés l’année antérieure ou même les années précédentes (jusqu’à n-2) pouvaient contribuer de manière significative à la présence de populations férales (l’année n). Les distances moyennes de dispersion estimées varient de la dizaine de mètres au kilomètre. Enfin, une expérimentation in-situ nous a permis de quantifier les pertes de graines pendant la récolte liées aux bennes de récolte. Nous avons évalué ces pertes à 400 graines par m2 et nous avons mis en évidence de rares évènements de pertes massives de graines. L’analyse statistique des résultats de ces pertes nous a permis de les mettre en relation avec des caractéristiques du paysage, notamment les surfaces des champs et les axes de circulations principaux et secondaires. Dans le contexte de mise en culture de plantes transgéniques, ces résultats impliquent de prendre en compte la complexité du paysage dans les modèles qui prédisent les flux de transgènes à l’échelle des agroécosystèmes. / Agroecosystems are mosaics of cultivated areas where natural and semi-natural areas and human infrastructures are strongly nested and intrinsically linked and dependent. Semi-natural areas are generally confined to field edges and roadsides where wild and cultivated plants biodiversity are combined. This thesis focuses mainly on seed dispersal of oilseed rape (Brassica napus L.) towards semi-natural areas which can lead to establishment of feral oilseed rape populations. At the agroecosystem scale, the study of genotypic data coupled with assignment methods to existing commercial cultivars has highlighted the link between diversity of cultivars of oilseed rape cultivated fields with diversity of cultivar of feral populations the following year. Furthermore, the study of cultivar diversity revealed that fields are not uniformly composed of plants of a unique cultivar and that feral populations accumulate different cultivars over years consecutive of annual seeds rain of harvested fields, survival in the seed bank and self-recruitment in feral populations. Modeling the effective seed flow with maximum likelihood method revealed local dispersal dynamics within the agroecosystem. Local and extern sources of seeds differ according the area studied and the traffic roads to the silo. Our data have shown that both sowing of the same year (n), the fields harvested the previous year or even in previous years (up to n-2) could significantly contribute to the presence of feral populations (year n). The average dispersal distances estimated range from ten meters to kilometers. Finally, an in-situ experiment enabled us to quantify seed losses during harvest related to grain trailers. We evaluated these losses to 400 seeds per m2 and we highlighted rare events of massive seed deposition. Statistical analysis of these losses enabled us to relate them with landscape elements, including the traffic roads and. In the context of GM crops cultivation in agroecosystems, these results emphasize the need to introduce the landscape complexity in models predicting the presence and persistence of GM OSR feral populations.

Dans cette thèse, j'ai étudié le rôle des sRNAs dérivés de l'hôte et du virus lors de l'infection du colza (Brassica napus, Canola) par la souche UK1 du virus de la mosaïque du navet (TuMV-UK1). En utilisant un dérivé de TuMV fusionné avec un gène codant pour la protéine fluorescente verte (TuMV-GFP), deux cultivars de colza (‘Drakkar’ et ‘Tanto’) qui diffèrent par leur susceptibilité à ce virus ont été identifiés. Le profil transcriptionnel des foyers d'infection locale, dans les feuilles de Drakkar et de Tanto, par séquençage nouvelle génération (NGS) a révélé de nombreux gènes exprimés de manière différentielle. Les mêmes échantillons d'ARN provenant de feuilles de Drakkar et de Tanto, traitées par des virus ou utilisées en contrôle, ont également servi à établir le profil NGS des sRNAs (sRNAseq) et de leurs cibles potentielles d'ARN (PAREseq). Les analyses bioinformatiques et leur validation in vivo, ont permis d’identifier les événements de clivage de transcrits impliquant des micro ARN (miRNA) connus et encore inconnus. Fait important, les résultats indiquent que TuMV détourne la voie du RNA silencing de l’hôte avec des siRNAs issus de son propre génome (vsiRNA) pour cibler les gènes de l’hôtes. Le virus déclenche également le ciblage à grande échelle des ARN messagers (ARNm) de l’hôte par l’activation de la production de siRNAs secondaires en phase, à partir de locus PHAS. À leur tour, les vsiRNAs et les siRNAs dérivés de l'hôte (hsRNAs) ciblent et clivent l'ARN viral par le complexe RISC. Ces observations éclairent le rôle des siRNAs dérivés de l'hôte et du virus dans la coordination de l'infection virale. Un autre chapitre de cette thèse est consacré à l'analyse des maladies induites par des virus en utilisant comme modèle de plante Arabidopsis, infectée par un tobamovirus, le virus de la mosaïque du colza (ORMV). De plus, ces observations ont permis de proposer un modèle dans lequel cette guérison dépend d’un adressage important de vsiRNAs secondaires antiviraux depuis leur source de production jusqu’à leurs tissus de destination, et l'établissement d'un apport en vsiRNAs capable de bloquer l'activité VSR impliquée dans la formation des feuilles symptomatiques. / In this thesis, I investigated the role of host- and virus-derived sRNAs during infection of Rapeseed (Brassica napus, Canola) by the UK1 strain of Turnip mosaic virus (TuMV-UK1). By using a TuMV derivative tagged with a gene encoding green fluorescent protein (TuMV-GFP), two rapeseed cultivars (‘Drakkar’ and ‘Tanto’) that differ in susceptibility to this virus were identified. Transcriptional profiling of local infection foci in Drakkar and Tanto leaves by next generation sequencing (NGS) revealed numerous differentially expressed genes. The same RNA samples from mock- and virus- treated Drakkar and Tanto leaves were also used for the global NGS profiling of sRNAs (sRNAseq) and their potential RNA targets (PAREseq). The bioinformatic analysis and their in vivo validation led to the identification of transcript cleavage events involving known and yet unknown miRNAs. Importantly, the results indicate that TuMV hijacks the host RNA silencing pathway with siRNAs derived from its own genome (vsiRNAs) to target host genes. The virus also triggers the widespread targeting of host messenger RNAs (mRNAs) through activation of phased, secondary siRNA production from PHAS loci. In turn, both vsiRNAs and host-derived siRNAs (hsRNAs) target and cleave the viral RNA by the RISC-mediated pathway. These observations illuminate the role of host and virus-derived sRNAs in the coordination of virus infection. Another chapter of this thesis is dedicated to the analysis of virus-induced diseases by using Arabidopsis plants infected with the Oilseed rape mosaic tobamovirus (ORMV) as a model. Initially, the infected plants develop leaves with strong disease symptoms. However, at a later stage, disease-free, “recovered” leaves start to appear. Analysis of symptoms recovery led to the identification of a mechanism in which the VSR and virus derived-siRNAs play a central role. I used Arabidopsis mutants impaired in transcriptional and post-transcriptional silencing pathways (TGS and PTGS respectively) and a plant line carrying a promoter-driven GFP transgene silenced by PTGS (Arabidopsis line 8z2). Using various techniques able to monitor virus infection, small and long viral RNA molecules, VSR activity, as well as phloem-mediated transport with in these lines, this study led to the identification of genes required for disease symptoms and disease symptom recovery. Moreover, the observations allowed to propose a model in which symptoms recovery occurs upon robust delivery of antiviral secondary vsiRNAs from source to sink tissues, and establishment of a vsiRNA dosage able to block the VSR activity involved in the formation of disease symptoms.

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