Les invasions biologiques, deuxième cause de perte de biodiversité à l’échelle mondiale, représentent un risque majeur auquel nos sociétés doivent faire face. On parle d’invasion biologique lorsque des activités humaines permettent à une espèce de franchir des barrières qui jusqu’alors limitaient sa dispersion ou sa multiplication, entrainant une explosion géographique et démographique de l’espèce dans un nouvel écosystème et s’accompagnant éventuellement d’impacts économiques, sociétaux ou écologiques. La façon la plus efficace et la moins coûteuse de limiter les impacts causés par les espèces envahissante et de les prévoir en amont afin de mettre en place des mesures de prévention ciblées et efficaces et d’essayer de les éviter.L’objectif de cette thèse est de démontrer qu’il est possible d’améliorer la prédiction des invasions biologiques en développant et combinant différentes approches de modélisation de façon innovante. Les questions posées sont de savoir s’il est possible de prévoir quelles pourraient-être ces espèces, où elles pourraient devenir envahissantes et quels impacts elles pourraient avoir. Toutes les méthodes développées dans cette thèse ont été appliquées à des hyménoptères sociaux ; nombreuses espèces de fourmis (famille des Formicidés) ou frelon asiatique (famille des Vespidés, vespa Velutina nigrithorax), mais elles sont généralisables et réutilisables pour tout autre taxa.Je montre dans cette thèse qu’il est possible de développer un outil statistique de détection des espèces risquant de devenir envahissantes. J’applique cet outil aux fourmis, je fournis une liste de 15 espèces de fourmis risquant de devenir envahissantes à travers le monde et je cartographie les zones du globe risquant d’être envahies par ces espèces. Chacun des continents est menacée par au moins une de ces invasions potentielles. Dans un deuxième temps, je mets au point d’un cadre méthodologique permettant d’améliorer les prédictions d’aires de distribution des espèces en combinant leurs exigences climatiques et d’habitat, tout en respectant l’échelle géographique à laquelle ces facteurs agissent sur la distribution des espèces. J’applique cette méthode au frelon asiatique, ce qui me permet d’identifier les habitats qui lui sont les plus favorables et d’utiliser ces informations pour raffiner la prédiction de son aire favorable. En combinant le climat et l’habitat, je prédis une aire potentielle de distribution 56% plus restreinte par rapport aux estimations basées sur le climat uniquement. Enfin, dans un troisième temps, je m’intéresse au développement d’une méthode permettant de prédire spatialement les impacts causés par une invasion biologique. Pour ce faire, je prédis d’abord l’abondance potentielle du frelon asiatique en France. Je couple ensuite cette prédiction avec des données de présence de ruches et un modèle présidant l’impact du frelon asiatique sur la survie des colonies d’abeilles. J’estime enfin que cette invasion peut conduire à l’effondrement de 41% des colonies d’abeilles domestiques en France.Cette thèse met en lumière l’utilité d’intégrer la modélisation dans la construction du savoir autour des invasions biologiques, approche relativement nouvelle dans ce champ disciplinaire. De plus, elle illustre comment la modélisation et l’élaboration de prédictions peuvent aider à objectiver la prise de décision concernant la gestion des espèces envahissantes et optimiser leur efficacité en ciblant les habitats, les régions et les espèces d’action prioritaires. / Biologicals invasions, the second cause of biodiversity loss worldwide, represent a major threat that our societies have to face. Invasive species correspond to species that, due to human activities, cross geographic and reproduction barriers and expand into new areas in large numbers. This spread into new ecosystems may have severe socio-economic or ecological impacts. The most efficient way to limit these impacts is to predict and avoid biological invasions before they occur by setting up appropriate management plans.The aim of this PhD thesis is to demonstrate that existing predictive models can be further developed and combined together to improve biological invasion predictions. All of the methods developed in this thesis have been applied to social Hymenoptera: ant species (Formicidae) and the Asian hornet (Vespa velutina nigrithorax), but they are generalizable to any other taxa. The questions asked are: can we predict future invader species? Can we improve the spatial predictions of their distribution? Can we predict invasive species impact?First, I show in this thesis that it is possible to develop a model that detects future invasive species, even before they have had the chance to be moved outside their native range. I apply this screening tool to more than 2000 ant species, provide a list of the 15 ant species that are highly likely to become invasive and map their global suitability to highlights the area the most at risk from these invasions. All continents are threatened by at least one of these potential invasions. Second, I set up a methodological framework to improve species distribution predictions by combining multi-scale drivers. I apply this method to the invasive Asian hornet, identify its high affinity habitats, and use this information to refine suitability maps. I show that integrating multiple drivers, while still respecting their scale of effect, produced a potential range 55.9% smaller than that predicted using a climatic model alone. Finally, I propose a method to predict invasive species impacts in a spatially explicit way and I apply it to the estimate the Asian hornet’s impact on honeybee colonies in France. To do so, I estimate the Asian hornet nest density across France and combine it with an agent-based hive model to estimate honeybee mortality risk. I show that up to 41% of the honeybee colonies are likely to collapse due to the Asian hornet.Overall, these studies demonstrate how modelling techniques can provide valuable inputs to improve invasive species management decision by offering tools to optimize prevention strategies and target areas, species or habitats where action is needed in priority. Biological invasions involve our scientific, political and cultural perceptions in an intricate way; this PhD thesis highlights the usefulness of bringing together modelling techniques and the rest of biological invasion knowledge to better grasp invasion science complexity.

Comme presque tous les êtres vivants, les insectes et autres arthropodes terrestres évoluent dans des environnements dynamiques et hétérogènes relativement à de multiples facteurs abiotiques incluant le rayonnement ultraviolet (UV). L’absorption de ces photons peut affecter le fitness des individus à travers différents types d’effets physiologiques et comportementaux. Certaines stratégies de lutte intégrée manipulent l’exposition au rayonnement UV en contexte agricole de façon à prendre avantage de son aspect attractif pour de nombreux ravageurs et de leur susceptibilité aux photodommages qu’il induit. Considérant le manque de connaissances sur les conséquences potentielles de telles approches sur les ennemis naturels, j’ai étudié dans cette thèse l’influence du rayonnement UV au fil du cycle de vie de deux espèces de guêpes parasitoïdes d’œufs, Telenomus podisi Ashmead, 1893 et Trissolcus utahensis Ashmead, 1893 (Hymenoptera : Scelionidae), et d’une de leurs punaises hôtes, Podisus maculiventris (Say, 1832) (Hemiptera : Pentatomidae), une espèce prédatrice qui pond des œufs de différents niveaux de pigmentation photoprotectrice. De façon à examiner divers paramètres d’histoire de vie de ces associations hôtes-parasitoïdes ainsi que certains des comportements liés à la recherche et à l’exploitation d’hôtes chez les parasitoïdes, j’ai réalisé une série d’expériences sous exposition naturelle et artificielle au rayonnement UV à l’aide de matériaux transmettant ou absorbant ces photons. Je démontre qu’une exposition réaliste au rayonnement UV peut entraîner des conséquences négatives sur le fitness des punaises et de leurs parasitoïdes d’œufs, et ce qu’ils y soient exposés durant leur développement ou comme adultes. L’exposition soutenue à un rayonnement UV-A de faible intensité a réduit la survie et la longévité des parasitoïdes adultes, tandis que chez les punaises, elle a induit des effets reportés négatifs sur la survie des nymphes jusqu’au stade adulte. Les conséquences immédiates et ultérieures de l’exposition des œufs de P. maculiventris au rayonnement UV ont été atténuées avec l’augmentation de leur niveau de pigmentation, et ce tant pour l’hôte que son parasitoïde. Au niveau comportemental, j’ai décrit comment les microhabitats exposés au rayonnement UV attirent les femelles parasitoïdes tout en réduisant leur activité locomotrice. Néanmoins, un taux de parasitisme élevé a été observé à diverses intensités d’exposition au rayonnement UV sur des plants de soya en cages de terrain, révélant que l’atténuation de ces signaux ne réduit pas nécessairement la performance de mes parasitoïdes. Dans l’ensemble, ces différentes études expérimentales ont révélé des effets similaires du rayonnement UV chez les trois espèces testées. Elles fournissent d’importantes réponses quant aux interactions complexes entre des insectes bénéfiques et un facteur abiotique associé aux changements climatiques et qui agit simultanément comme source de stress et d’information relativement à l’environnement. / Like most living things, insects and other terrestrial arthropods navigate environments that are dynamic and heterogenous with regards to various abiotic factors including ultraviolet (UV) radiation. Absorbing those photons can affect arthropod fitness via different types of physiological and behavioural effects. Some integrated pest management strategies manipulate UV exposure in agricultural settings to take advantage of its attractiveness to pests and of their susceptibility to UV damage. Considering the lack of knowledge on how such techniques could affect natural enemies, I studied the influence of UV radiation throughout the lifecycles of two egg parasitoid species, Telenomus podisi Ashmead, 1893 and Trissolcus utahensis Ashmead, 1893 (Hymenoptera: Scelionidae), and one of their potential stink bug hosts, Podisus maculiventris (Say, 1832) (Hemiptera: Pentatomidae), a predatory species that lays eggs of different photoprotective qualities. To examine various life history parameters in these host-parasitoid associations as well as some of the parasitoids’ host location and exploitation behaviours, I conducted a series of experiments under natural and artificial UV exposure, using UV-transmitting and UV-absorbing materials. I showed that realistic doses of UV radiation can have negative consequences for the fitness of stink bugs and their egg parasitoids, whether they were exposed during their development or their adult stage. Long-term exposure to mild UV-A intensities reduced parasitoid emergence and longevity, while inducing negative carryover effects on stink bug nymph survival to adulthood. Immediate or delayed consequences of exposing P. maculiventris eggs to UV radiation lessened with increasing egg pigmentation levels, both for the hosts and their parasitoids. As for behavioural responses to UV radiation, UV-exposed microhabitats were attractive to foraging female parasitoids but also reduced their walking activity. Nonetheless, high parasitism rates were observed under different intensities of UV exposure on soybean plants in field cages, revealing that UV attenuation does not necessarily impede these parasitoids’ performance. Together, these different experimental studies revealed similar effects of UV radiation on the three species tested. They provide important insight on the complex interactions between beneficial insects and an abiotic factor that is involved in climate change and that can act both as an environmental hazard and a visual cue.

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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.

Resumo: Recentemente as abelhas têm sido devidamente valorizadas como importantes polinizadoras de flores silvestres e cultivadas. A densidade populacional de muitos polinizadores tem diminuído devido, principalmente, à intensificação agrícola e ao uso de pesticidas, prejudicando os serviços de polinização. A metodologia clássica para estimar a toxicidade dos produtos químicos para insetos é determinar a dose letal média (DL50) ou a concentração letal média (CL50), podendo então estabelecer doses que sejam mais seguras aos organismos não-alvo ou benéficos. Além dos efeitos de toxicidade aguda, levando a morte das abelhas, doses subletais dos inseticidas podem provocar alterações comportamentais e fisiológicas nos indivíduos, que ao longo do tempo acarretarão em sérios prejuízos na manutenção da colônia. Um dos inseticidas amplamente utilizado é o fipronil, este atua ligando-se aos receptores do ácido gama-aminobutírico (GABA), interrompendo os canais de cloro, resultando na perda de sinalização inibitória neural. Na literatura pode-se encontrar diversos trabalhos que utilizam como modelo principal a abelha Apis mellifera, porém, é importante ressaltar a diversidade existente entre as abelhas nativas no Brasil, os meliponíneos, e sua participação na conservação da biodiversidade, assim como na polinização de áreas de cultivo, o que torna extremamente importante estudos com essa abelha. Com a finalidade de entender como o fipronil interfere morfo e fisiologicamente em abelhas sem ferrão, a região de interesse deste estudo foram os corpos pedunculados, já que estes são centros cerebrais complexos e tidos como local de convergência multisensorial. Para auxiliar no mapeamento metabólico, utilizou-se como marcador a enzima citocromo oxidase e a enzima caspase-3, técnicas utilizadas na observação de atividade neural... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: A few decades the bees are considered an important indicator of high environmental sensitivity, and appreciated as important pollinators of wildflowers and cultivated. The population density of many pollinators have declined to harmful levels to pollination services manly due to agricultural intensification and the use of pesticides. The classic methodology of estimating the effects of chemicals for insects is to determine the median lethal dose (LD50) or median lethal concentration (LC50) that can then establish doses that do not harm non-target organisms or beneficial. Besides the effects of acute toxicity, leading to death bees, sublethal doses of insecticides can cause physiological and behavior changes of individuals over time, resulting in serious harm to maintain the colony. One of the widely used insecticides is fipronil, its acts by binding to gamma-aminobutyric acid (GABA) disrupting chloride channels, resulting in loss of inhibitory neural signaling. In the literature one can find several works using as main bee model Apis mellifera, however, it is important to highlight the diversity of Brazilian native bees, the stingless bees, and their participation in biodiversity conversation, as well as in the pollination of cultivated land. In order to understand how fipronil affect morpho and physiologically the stingless bee S. postica, the region of interest in this study were the mushroom bodies, since these are complex brain centers and used as a place of multisensory convergence. This work established the contact LD50 and Ingestion LC50 to the fipronil insecticide for foragers workers stingless bee Scaptotrigona postica in 0.54ng/bee and 0.24ng/μL of the food after 24 hours, respectively, confirming the high toxicity of this phenylpyrazole, in the groups submitted to contact contamination, were identify morphological... (Complete abstract click electronic access below) / Orientador: Osmar Malaspina / Coorientador: Roberta Cornélio Ferreira Nocelli / Banca: Elaine Cristina Mathias da Silva Zacarin / Banca: Thaisa Cristina Roat / Mestre

Cette thèse porte sur l’analyse des dimensions spatiale et temporelle du fonctionnement et de la diversité taxonomique et fonctionnelle d’une guilde. Au sein d’une guilde, les espèces exploitent un même type de ressources; pour cette raison, les niches écologiques fondamentales des membres d’une guilde sont similaires et une relation de compétition interspécifique se met en place si la ressource partagée est limitante. Quatre questions principales sur le fonctionnement d’une guilde ont été abordées : (1) à quelles échelles spatio-temporelles se structurent la guilde et les ressources exploitées, (2) quelles sont les influences respectives des filtres environnementaux et des interactions interspécifiques sur les traits fonctionnels des membres de la guilde, (3) quelle est la stratégie d’exploitation de ressources d’un membre de la guilde face à une faible disponibilité de ressources et (4) quel est l’impact du contexte climatique sur la structure d’une guilde et de son réseau trophique, et sur le degré de spécialisation écologique des espèces de la guilde sur la ressource. Le modèle biologique de cette étude a été une guilde de parasitoïdes de pucerons de céréales (Hymenoptera : Braconidae : Aphidiinae). Ces parasitoïdes s’attaquent aux pucerons (Homoptera : Aphididae) inféodés aux céréales dans les agroécosystèmes. Les variations d’abondance relative des parasitoïdes et de leurs hôtes ont été importantes aux échelles interrégionale et interannuelle, mais très faibles à l’échelle intra-régionale. La divergence des traits fonctionnels des parasitoïdes s’est maintenue sur trois régions et deux années, et le contexte local a influencé les traits de la guilde dans son ensemble. Pendant la saison hivernale, une période marquée par une faible densité de pucerons, le parasitoïde Aphidius rhopalosiphi a présenté des stratégies contrastées pour maximiser sa fitness en exploitant les hôtes Sitobion avenae et Rhopalosiphum padi, mais une forte spécialisation écologique sur le terrain a été observée en présence d’une espèce compétitrice : Aphidius avenae. Cette présence a pu être corrélée à une hausse des températures hivernales. / This thesis is an analysis of the spatial and temporal dimensions of the functioning and taxonomic and functional diversity of a guild. In a guild, species exploit the same type of resources; consequently, fundamental ecological niches of guild members are similar and an interspecific competitive relationship is established if shared resources are limiting. Four main questions on the functioning of a guild are addressed: (1) the spatiotemporal scales to which guilds the guild and its exploited resources are structures, (2) the respective weight of environmental filtering and interspecific interactions on the configuration of realized niches of guild members, (3) the strategy of resource exploitation in a guild member facing low resource availability and (4) the impact of climatic context on the structure of a guild and its food web, and the degree of specialisation on resources. The biological model chosen in this study was a cereal aphid parasitoid guild (Hymenoptera: Braconidae: Aphidiinae). Those parasitoids attack aphids (Homoptera: Aphididae) in agroecosystems, which are anthropised environments marked by high disturbance rates and in which host resources are variable in density and in quality. Relative abundance variations in parasitoids and in their hosts were considerable at interregional and interannual scales, but weak at the intra-regional scale. Functional trait divergence in parasitoids was maintained across three regions and two years, and regional and annual environmental contexts influenced guild traits as a whole. In winter, a period marked by low aphid density, the parasitoid Aphidius rhopalosiphi presented contrasted strategies to maximise fitness whilst exploiting Sitobion avenae and Rhopalosiphum padi hosts, but a high degree of ecological specialisation in the field was observed in the presence of a competitive species, Aphidius avenae. This presence was correlated to an increase in winter temperatures.

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