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Poster de présentation de l'infrastructure nationale AnaEE France pour le département Ecodiv INRAE en 2023

International audience; Life history strategies of most organisms are constrained by resource allocation patterns that follow a 'slow-fast continuum'. It opposes slow growing and long-lived organisms with late investment in reproduction to those that grow faster, have earlier and larger reproductive effort and a short longevity. In plants, the Leaf Economics Spectrum (LES) depicts a leaf-level trade-off between the rate of carbon assimilation and leaf lifespan, as stressed in functional ecology from interspecific comparative studies. However, it is still unclear how the LES is connected to the slow-fast syndrome. Interspecific comparisons also impede a deep exploration of the linkage between Les variation and adaptation to climate. Here, we measured growth, morpho-physiological and life-history traits, at both the leaf and whole-plant levels, in 378 natural accessions of Arabidopsis thaliana. We found that the Les is tightly linked to variation in whole-plant functioning, and aligns with the slow-fast continuum. A genetic analysis further suggested that phenotypic differentiation results from the selection of different slow-fast strategies in contrasted climates. slow growing and long-lived plants were preferentially found in cold and arid habitats while fast growing and short-lived ones in more favorable habitats. Our findings shed light on the role of the slow-fast continuum for plant adaptation to climate. More broadly, they encourage future studies to bridge functional ecology, genetics and evolutionary biology to improve our understanding of plant adaptation to environmental changes. Investigations of the genetic and phenotypic differentiation of plant lineages along environmental gradients is crucial for the understanding of plant evolutionary responses to current and future climate variations. As plants cannot simultaneously optimize competing eco-physiological functions, an important question is how plant adaptation occurs under the influence of major trade-offs between traits. The slow-fast continuum is a pervasive trade-off between resource allocation to growth, reproduction and survival , spread across the tree of life 1. The slow end of this continuum is characterized by slow growing, long-lived species and low reproductive output, while species at the fast end reach reproductive maturity faster and produce more offsprings. In plants, the leaf economics spectrum (LES hereafter) 2-4 is thought to reflect the physiological basis of the slow-fast continuum 4. The LES arrays plant species along a continuum of leaf trait syndromes going from short-lived leaves with fast metabolism to the reverse syndrome 3. Core LES traits include leaf dry mass per area (LMA), leaf lifespan (LLS) and net photosynthetic rate per mass unit (A mass) 3,5-7. LES traits are widely used in comparative ecology to infer whole-plant ecological strategies 4,8-12. However, the extent to which leaf-level resource economics reflects whole-plant physiology, performance, and ultimately fitness, is still under debate 13. Many processes can lead to a mismatch between LES and whole-plant functioning 14 , including the impact of self-shading among leaves and resource allocation patterns, such as carbon investment in non-photosynthetic tissues 15,16. To gain insights into the robustness of the slow-fast continuum at different organizational levels, we need

National audience; La restauration de la continuité écologique du fleuve Sélune (Manche) est un projet d’arasement de deux grands barrages (h. 36 et 16m) hydroélectriques sans précédent en Europe. Il est suivi par un programme scientifique (Selune-river-restoration.inra.fr) comprenant une analyse du reverdissement spontané d’un tronçon de 19km de long et 151ha (dimensions du premier lac de retenue disparu). Dès 2015, des baisses de niveaux successives ont dénoyé progressivement les plages de sédiments de l’ancienne vallée. Des travaux de gestion sédimentaire ont été conduits conjointement (creusement du lit mineur, stockage des sédiments par reprofilage localisé des berges) pour prévenir l’emportement des 700 000m3 de sédiments mobilisables. De fait, les vases exondées constituent des milieux pionniers ouverts à la recolonisation végétale. Les 4 années de suivi (2015-2018), état initial avant arasement, visaient à observer le patron spatial et la trajectoire des communautés végétales spontanées des points de vue structurel, taxonomique et fonctionnel. L’échantillonnage spécifique d’un site ayant subi une baisse de niveau automnale (2014), printanière (2017) et un remaniement artificiel automnal (2017) permet de comparer les réponses de la végétation (i) à la saison de la baisse de niveau et (ii) au remaniement. Dans tous les cas, la recolonisation est rapide, mais, les choix de gestion semblent influencer la composition et certaines fonctions des communautés. Ainsi, si des espèces pouvant fixer les rives sont présentes après chaque baisse, les communautés sont plus riches, diversifiées et les espèces de berges, plus abondantes suite à une baisse printanière. Le remaniement par le génie civil favorise une homogénéisation des communautés dominées par des annuelles ne se dispersant pas végétativement et restreint l’établissement d’espèces forestières. Cette perturbation forte (mélange des horizons, talutage, compactage) tardive est un retour à un état sensible (remise à nu) bouleversant le gain, après 2,5 ans de successions spontanées, de communautés typiques de berges aptes au maintien des sédiments. Les implications en matière de potentialités de restauration écologique passive de la vallée sont discutées.

Bocage is one of the essential elements of the landscape in the preservation of water resources, both in terms of quality and quantity. In this article, the authors review the scientific knowledge on the functioning and role of hedges on water. Their analysis concerns mainly the West of France, a region with a dense hydrographic network and groundwater tables exposed at the level of the talwegs., Le bocage constitue un des éléments essentiels du paysage dans la préservation de la ressource en eau, tant sur le plan qualitatif que quantitatif. Dans cet article, les auteures font le point des connaissances scientifiques sur le fonctionnement et le rôle des haies sur l’eau. Leur analyse concerne surtout l’Ouest de la France, une région à réseau hydrographique dense et nappes affleurant au niveaux des talwegs.

Résumé en français : La considération de la biodiversité et de ses rôles dans le fonctionnement et la durabilité des agroécosystèmes correspond à un changement de paradigme. Quelles sont les avancées dans la compréhension de ces rôles et dans la mise en place de systèmes agricoles basés sur la biodiversité ? Des progrès méthodologiques en biologie moléculaire et intelligence artificielle ont permis de révéler la biodiversité cachée, des sols en particulier, et de reconstituer des réseaux d’interactions biotiques. Les concepts d’écologie fonctionnelle renouvellent la compréhension du fonctionnement des communautés de plantes des agroécosystèmes et le choix et la sélection de plantes de service ou de génotypes à cultiver en mélange. Avec la montée en puissance du concept de service écosystémique qui aide à finaliser les rôles de la biodiversité, on voit apparaître des travaux, encore trop rares, reliant biodiversité, fonctions et services, parfois à grande échelle (étude EFESE-EA). Des principes de pilotage de la biodiversité planifiée à plusieurs échelles d’espace et de temps pour la fourniture de services multiples ont été explicités et mis à l’épreuve dans des modèles ou des expérimentations système innovantes. La conception et l’évaluation de systèmes agroécologiques basés sur la biodiversité requiert d’amplifier les recherches et la coopération entre acteurs. Résumé en anglais : The consideration of biodiversity and its roles in the functioning and sustainability of agroecosystems is a paradigm shift. What progress has been made in understanding these roles and in setting up agricultural systems based on biodiversity? Methodological advances in molecular biology and artificial intelligence have made it possible to reveal hidden biodiversity, particularly of soils, and to reconstitute networks of biotic interactions. Functional ecology concepts renew the understanding of how agroecosystem plant communities work and the choice and selection of service plants or genotypes to be grown in a mixture. With the rise of the concept of ecosystem services, which helps to finalize the roles of biodiversity, work is emerging, which is still too rare, linking biodiversity, functions and services, sometimes on a large scale (EFESE-EA study). Principles for managing planned biodiversity at multiple spatial and temporal scales for the provision of multiple services have been clarified and tested in innovative system models or experiments. The design and evaluation of biodiversity-based agro- ecological systems requires increased research and cooperation between stakeholders., The consideration of biodiversity and its roles in the functioning and sustainability of agroecosystems is a paradigm shift. What progress has been made in understanding these roles and in setting up agricultural systems based on biodiversity? Methodological advances in molecular biology and artificial intelligence have made it possible to reveal hidden biodiversity, particularly of soils, and to reconstitute networks of biotic interactions. Functional ecology concepts renew the understanding of how agroecosystem plant communities work and the choice and selection of service plants or genotypes to be grown in a mixture. With the rise of the concept of ecosystem services, which helps to finalize the roles of biodiversity, work is emerging, which is still too rare, linking biodiversity, functions and services, sometimes on a large scale (EFESE-EA study). Principles for managing planned biodiversity at multiple spatial and temporal scales for the provision of multiple services have been clarified and tested in innovative system models or experiments. The design and evaluation of biodiversity-based agroecological systems requires increased research and cooperation between stakeholders

The ensemble of biological, geochemical, and physical processes that occur within ecosystems is driven by the interplay between biological communities and the abiotic environment. Explaining the spatial and temporal dynamics of biological communities in relation to environmental conditions is therefore essential for understanding ecosystem functioning, and ultimately for achieving sustainable development. In marine ecosystems, fish communities are key to ecosystem functioning, and fisheries provide livelihoods for over 10% of the world’s population. However, understanding the processes structuring fish communities remains difficult because community structure varies with both natural environmental fluctuations and, increasingly, human pressures. Effectively managing fisheries and marine ecosystems under global change therefore requires better characterizing fish community dynamics over time and space and disentangling the underlying drivers and mechanisms. While fish ecologists have traditionally relied on species-based approaches (i.e., taxonomic approaches) to study community structure, trait-based approaches (i.e., functional approaches) are increasingly used because they can provide better insight into community assembly and the mechanisms driving community responses. To meet this need for a better understanding of biodiversity dynamics, the present thesis took advantage of long-term scientific monitoring data to characterize the functional responses of fish communities to environmental gradients in the North Sea, Eastern English Channel, and Bay of Somme. All three ecosystems experienced temperature rises and oceanographic changes associated with a warming phase of the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO), which rapidly impacted fish community structure. Consistent biological responses were observed across the three ecosystems despite their different spatial scales, demonstrating that fish communities were affected by environmental change through bio-ecological traits associated with habitat preference and life history. In the North Sea and Eastern Channel, pelagic species were the most responsive and contributed largely to community dynamics, which is likely explained by their greater mobility, higher dispersal rates, and fewer habitat requirements. However, beyond habitat preference, species with r-selected life histories (e.g., low size and age at maturity, low parental investment, small offspring) had the fastest environmental responses whether or not they were pelagic, likely due to their rapid population turnover and generation time. Importantly, the way these species’ responses shaped community structure depended on environmental context. R-selected, pelagic species rapidly declined in the Bay of Somme and Eastern Channel, but rapidly increased in the North Sea. This likely reflects environmental suitability, indicating that after the phase change of the AMO, the Eastern Channel became a less favorable environment for these species, while the North Sea became more favorable. Thus, species with high mobility and fast life history cycles appear capable of rapidly tracking environmental conditions, shifting in abundance in response to environmental suitability. Additionally, as these ecosystems have warmed over the last 30 years, community responses were characterized by increases in mean thermal preference. Importantly, the amplitude of community changes was partially determined by communities’ initial structure and redundancy of bio-ecological traits, showing that community responses depended not only on environmental changes but also on biodiversity itself. Lastly, while fish community responses were consistently associated with climatic changes, historical fishing pressure on large-bodied, demersal species appeared to render fish communities more sensitive to environmental changes by increasing the relative of abundance of pelagic and r-selected species., Il est essentiel de décrire la dynamique spatiale et temporelle des communautés de poissons pour comprendre le fonctionnement et les services des écosystèmes marins. Cette thèse a utilisé des données de surveillance scientifique à long terme pour caractériser les réponses fonctionnelles des communautés de poissons aux gradients environnementaux en baie de Somme, Manche orientale et mer du Nord. Les trois écosystèmes ont connu des hausses de température associées à une phase de réchauffement de l'oscillation multidécennale de l'Atlantique, ce qui a eu des impacts rapides sur la structure des communautés. Dans les trois écosystèmes, les réponses des communautés ont été médiées par des traits associés à l’habitat et à l’histoire de vie. Dans la mer du Nord et la Manche Est, les espèces pélagiques étaient les plus sensibles, ce qui s'explique probablement par leur mobilité et leur dispersion plus élevés. Cependant, au-delà de l'habitat, les espèces à stratégie démographique r (faible taille et âge à maturité, faible investissement parental, etc.) ont eu des réponses environnementales plus rapides. La pression historique de la pêche semble d’avoir rendu les communautés plus sensibles aux changements environnementaux en augmentant l'abondance relative des espèces pélagiques et à stratégie r. De plus, comme ces écosystèmes se sont réchauffés au cours des 30 dernières années, les réponses des communautés ont été caractérisées par une augmentation de la préférence thermique moyenne, ce qui suggère que le réchauffement climatique favorisera des espèces mieux adaptées aux conditions chaudes et que les espèces ayant des cycles de vie rapides seront les premières à répondre.

National audience; le cadre de ses missions de prospective et de conseil stratégique auprès de la FRB, le conseil scientifique a conduit en 2016 et 2017 un travail de réflexion et d’expertise sur les « fronts de sciences » dans le champ de la recherche sur la biodiversité. Le travail présenté ici permet de faire le point sur l’évolution du paysage de la recherche depuis les prospectives réalisées par le CS et publiées en 2009 et 2015. Ces deux rapports qui ont marqué les premières années de la FRB dressaient un tableau d’ensemble des grands enjeux et chantiers scientifiques dans le domaine de la biodiversité. Tout en s’inscrivant dans le prolongement de ces travaux structurants, le conseil scientifique souhaite mettre en lumière les évolutions parfois très rapides de la science dans certains domaines. Il s’agit donc d’analyser l’état de la recherche sur certains « fronts de science » qui ont émergé depuis, qui ont progressé rapidement, ou qui pourraient prendre de l’ampleur dans les années à venir. Ce travail, qui se poursuivra chaque année, n’a pas une visée exhaustive, ni ne constitue en soi une proposition d’orientation des stratégies de recherche. Il vise avant tout à donner un aperçu de quelques sujets en plein développement ou d’enjeux appelant de nouvelles recherches, ainsi qu’à éclairer l’actualité de la recherche sur la biodiversité pour un public non spécialiste. Certains des sujets choisis s’inscrivent clairement dans des enjeux et débats de société, mais d’autres relèvent de problématiques conceptuelles et méthodologiques de nature plus fondamentale.

Plant adaptation to drought has been extensively studied at many scales from ecology to molecular biology across a large range of model species. However, the conceptual frameworks underpinning the definition of plant strategies, and the terminology used across the different disciplines and scales are not analogous. 'Drought resistance' for instance refers to plant responses as different as the maintenance of growth and productivity in crops, to the survival and recovery in perennial woody or grassland species. Therefore, this paper aims to propose a unified conceptual framework of plant adaptive strategies to drought based on a revised terminology in order to enhance comparative studies. Ecological strategies encapsulate plant adaptation to multidimensional variation in resource variability but cannot account for the dynamic and short-term responses to fluctuations in water availability. Conversely, several plant physiological strategies have been identified along the mono-dimensional gradient of water availability in a given environment. According to a revised terminology, dehydration escape, dehydration avoidance, dehydration tolerance, dormancy, and desiccation tolerance are clearly distinguishable. Their sequential expression is expressed as water deficit increases while cavitation tolerance is proposed here to be a major hydraulic strategy underpinning adaptive responses to drought of vascular plants. This continuum of physiological strategies can be interpreted in the context of the ecological trade-off between water-acquisition vs. water-conservation, since growth maintenance is associated with fast water use under moderate drought while plant survival after growth cessation is associated with slow water use under severe drought. Consequently, the distinction between 'drought resistance' and 'drought survival', is emphasized as crucial to ensure a correct interpretation of plant strategies since 'knowing when not to grow' does not confer 'drought resistance' but may well enhance 'drought survival'. This framework proposal should improve cross-fertilization between disciplines to help tackle the increasing worldwide challenges that drought poses to plant adaptation.

During its assembly, a plant community will be strongly modified: immigration of new plant species with new traits, disappearance of particular species with other traits, immigration of new plant-associated organisms (insects, fungi…), trait changes in existing species… All these changes are likely to drive the decomposition of litter produced by the plant community. Litter decomposition is indeed controlled by plant traits, activity of decomposer community, and adaptation of decomposer organisms to plant traits. However, the consequences of plant-community assembly on plant litter decomposition remain entirely unknown. This thesis aims at determining the consequences of plant-community assembly on plant litter decomposition, at distinct scales. First of all, we studied, locally, the consequences of neighboring plants on litter decomposition of plant individuals (i.e. intraspecific scale). We distinguished the case where litter of plant individuals was alone from the case where litter of plant individuals was mixed with litter from other species. Then we studied, more globally, the consequences of plant-community assembly on decomposition at the scale of the entire plant community (i.e. interspecific scale). Finally, we investigated whether plant litter decomposition feedbacks on plant-community assembly. We used two experimental approaches, the first one using a long-term mesocosm experiment for manipulating the local plant neighborhood of plant individuals, and the second one using of Long Term Ecological Research network involving grasslands with different time for assembly. At the local scale, our results indicate that plant individuals grown in functionally dissimilar neighborhood produce a more decomposable litter, and can also harbor more efficient decomposers. When the litter of these individuals is mixed with litter from other species, the decomposition of the litter mixture is accelerated by synergistic effects when neighboring plants are phylogenetically diverse, and functionnally dissimilar to the litter mixture. At the scale of whole plant community, our results show that numerous trait changes occur during assembly (leaf C:N ratio, leaf dry matter content…), as well as changes in the composition of the decomposer community (soil microbial C:N ratio). These changes strongly affect litter decomposition but offset each other, maintaining litter decomposition constant. Finally, our result show that the faster the decomposition of mixed-litter from two species is, the more both species coexist. This thesis demonstrates the major influence of plant-community assembly on plant litter decomposition in grassland ecosystems, from the scale of plant individuals to the scale of entire plant community. Plant-community assembly hence affects after-life ecosystem processes like litter decomposition. This influence occurs through plant traits and decomposer activity. In turn, litter decomposition feedbacks on plant-community assembly. Consequently, litter decomposition does not seem to be a collateral consequence of plant traits, but rather an important part of their ecological strategies and biotic interactions, participating to a feedback loop involving community assembly processes., Au cours de son assemblage, une communauté végétale va subir de nombreux changements : immigration de nouvelles espèces de plantes possédant de nouveaux traits, disparition de certaines espèces de plantes avec d’autres traits, immigration de nouveaux organismes associés aux plantes (insectes, champignons…), changements de traits chez les espèces présentes… Tous ces changements sont susceptibles de modifier la décomposition de la litière produite par la communauté végétale. En effet, la décomposition de la litière est gouvernée par les traits des espèces végétales, par l’activité des organismes décomposeurs, et par le degré d’adaptation de ces organismes aux traits des espèces végétales. Cependant, les conséquences de l’assemblage de la communauté végétale pour la décomposition de la litière demeurent inconnues. L’objectif de cette thèse est de déterminer les conséquences de l’assemblage des communautés végétales prairiales sur la décomposition de leur litière, et ce à différentes échelles. Tout d’abord, nous avons étudié, très localement, les conséquences des plantes voisines que possèdent un individu pour la décomposition de sa litière (i.e. échelle intraspécifique). Nous avons distingué le cas où la litière de l’individu était seule, du cas où sa litière était mélangée à de la litière provenant d’autres espèces végétales. Puis, nous avons étudié les conséquences de l’assemblage sur la décomposition de la litière au niveau plus global de l’ensemble de la communauté végétale (i.e. échelle interspécifique). Enfin, nous avons exploré la rétroaction de la décomposition sur l’assemblage de la communauté. Deux grandes démarches expérimentales ont été développées, la première utilisant un dispositif de mésocosmes permettant de manipuler le voisinage local des individus, la seconde utilisant un dispositif Long Term Ecological Research (LTER) impliquant un vaste réseau de prairies avec différentes durées d’assemblage. À l’échelle locale, nos résultats indiquent qu’un individu qui possède des plantes voisines fonctionnellement dissemblables produit une litière plus décomposable et peut également abriter des décomposeurs plus efficaces. Lorsque la litière de cet individu est mélangée avec de la litière d’autres espèces, la décomposition du mélange est accélérée par des effets synergiques lorsque les plantes voisines sont évolutivement dissemblables et fonctionnellement éloignées du mélange. À l’échelle globale de l’ensemble de la communauté, nos résultats indiquent que tout au long de l’assemblage, de nombreux changements de traits fonctionnels des espèces végétales ont lieu (ratio C:N foliaire, teneur en matière sèche des feuilles, etc.) ainsi que des changements dans la composition de la communauté de décomposeurs (ratio C:N microbien). Ces changements impactent fortement la décomposition de la litière de la communauté prairiale mais s’annulent, maintenant le même taux global de décomposition. Enfin, nos résultats indiquent que plus la litière de couples d’espèces se décompose vite, notamment via des effets synergiques, plus ces espèces coexistent entre elles. Cette thèse met en évidence l’influence majeure de l’assemblage des communautés végétales prairiales sur la décomposition de leur litière, de l’invidu jusqu’à la communauté végétale toute entière. L’assemblage des communautés végétales peut donc influencer les processus écosystémiques d’après-vie tels que la décomposition de la litière. Cette influence se produit via les traits des plantes et l’activité de leurs décomposeurs. En retour, la décomposition de la litière impacte l’assemblage de la communauté végétale. La décomposition de la litière ne semble donc pas une conséquence collatérale des traits des espèces végétales, mais bien un élément important de leur stratégie écologique et de leurs interactions biotiques, situé au coeur d'une boucle de rétroaction avec les processus d'assemblage des communautés.

Despite their reduced sizes, headwater streams play important roles in the functioning of downstream ecosystems and provide numerous ecological services. Since the River Continuum Concept, the functioning of these streams has been considered as mainly relying on allochthonous supplies of detrital organic matter for their functioning, in contrast with downstream ecosystems of larger size where primary production is considered to be predominant. Despite that detritus represent, by definition, a resource of lower quality for its consumers than living plants, the nature of the factors limiting the biological production and functional processes in these detrital ecosystems remains sparsely explored. First, the lack of essential elements (in particular nitrogen and phosphorus) in detritus could be a major constraint for the development of living organisms in streams. As a result, the availability of mineral elements in the water column, by stimulating the growth and activity of decomposers, but also by increasing the elemental quality of resources through microbial immobilization, could control ecological processes in a higher extent than previously believed in these ecosystems. By studying in situ, the response of microorganisms to nutrients availability along a land-use gradient, our results have shown a positive effect of the dissolved elements (N and P) on the decomposition of leaf litters and the enzymatic activities of the decomposers, even for the highest nutrient levels of the gradient, for which adverse effects were expected. Independently, in streams formerly subjected to acidification, we observed a recovery of the process of leaf litter decomposition. Nevertheless, this recovery was accompanied by a marked N reduction in the ecosystem, huge changes in stream functioning might be expected in the medium to long term. The role of autochthonous primary production was then questioned. Indeed, while being quantitatively minor, this contribution of high quality carbon may play a significant role in the functioning of headwater streams. In particular, the importance and role of polyunsaturated fatty acid (PUFA) intakes via phototrophic biofilms was questioned. Based on a field survey of 15 rivers in the Vosges Mountains along an acidification gradient, our results first showed the presence of diatomic biofilms rich in PUFA, despite these streams are clearly in a forested context. In a second step, an experimentation carried out under controlled conditions permitted to observe the positive role of diatomic resources, even in low concentrations, on the growth and survival of the crustacean amphipod Gammarus fossarum. Without this input, these organisms were unable to maintain their internal levels of PUFAs, suggesting that the consumption of autochthonous primary producers might be essential for these detritivore organisms. All our results permit to highlight the fundamental roles that can be played by the availability of dissolved elements (N and P) and the carbon quality of the resources on the biological production and on leaf litter decomposition in headwater streams. These results stress the need for more profound investigation of the interactions between these two limiting factors, and for understanding in which contexts one factor could supplement the other. In particular, it will be interesting to investigate to what extent various anthropogenic disturbances (xenobiotics, global warming, etc...) could affect the intensity or the nature of these limitations, Les cours d’eau de tête de bassin versant, malgré leurs tailles réduites, jouent des rôles importants pour le fonctionnement des milieux situés en aval, et rendent de nombreux services écologiques. Depuis l’émergence du River Continuum Concept, le fonctionnement de ces cours d’eau est considéré comme reposant principalement sur les apports allochtones de matière organique détritique par opposition aux écosystèmes aval de plus grande taille dans lesquels la production primaire autochtone est considérée comme prépondérante. Bien que les détritus soient, par définition, des ressources de moindre qualité pour leurs consommateurs que les végétaux vivants, le rôle des facteurs qui limitent la production biologique et les processus fonctionnels dans ces écosystèmes détritiques reste encore peu exploré. Par exemple la carence en éléments minéraux essentiels (notamment en azote et en phosphore) dans les détritus peut limiter le développement des organismes vivants dans les cours d’eau. De ce fait, la disponibilité en éléments minéraux dans la colonne d’eau, en stimulant la croissance, l’activité des décomposeurs et la qualité élémentaire des ressources par le processus d’immobilisation microbienne, pourrait contrôler pour partie les processus écologiques en jeu dans ces écosystèmes. En étudiant in situ la réponse des communautés microbiennes aux nutriments le long d’un gradient d’occupation des sols, nos travaux ont mis en évidence un effet positif des éléments dissous (N et P) sur la décomposition des litières et les activités enzymatiques des décomposeurs, et ce même pour les niveaux en nutriments les plus élevés du gradient, pour lesquels des effets inverses étaient attendus. Indépendamment, dans des cours d’eau anciennement soumis à de forts dépôts acidifiants, nous avons pu observer une récupération du processus de décomposition des litières. Néanmoins, cette restauration s’accompagnant d’un appauvrissement marqué en N, des perturbations du fonctionnement de ces cours d’eau pourrait se manifester à terme. Le rôle de la production primaire dans les cours d’eau de tête de bassin versant a ensuite été questionné. En effet, bien qu’étant mineur quantitativement, l’apport de carbone de forte qualité pourrait jouer un rôle non négligeable sur le fonctionnement des cours d’eau de tête de bassin versant. En particulier, l’importance et le rôle des apports en acides gras polyinsaturés (AGPI) via les biofilms phototrophes ont été questionnés. En se basant sur un suivi de terrain sur 15 cours d’eau des Vosges le long d’un gradient d’acidification, nos recherches ont tout d’abord pu mettre en évidence la présence de biofilms diatomiques riches en AGPI, malgré le caractère très forestier de ces cours d’eau. Dans un second temps, une expérience en conditions contrôlées a permis d’observer le rôle positif des apports, mêmes faibles, de ressources diatomiques sur la croissance et la survie du crustacé amphipode Gammarus fossarum. Sans cet apport, ces organismes se sont avérés incapables de maintenir leurs niveaux internes d’AGPI, suggérant qu’une consommation de producteurs primaires autochtones était indispensable à ces organismes détritivores. Nos résultats ont ainsi pu mettre en évidence les rôles fondamentaux que peuvent jouer la disponibilité en éléments dissous (N et P) et la qualité du carbone dans les ressources sur la production biologique et sur le processus de décomposition des litières dans les cours d’eau de tête de bassin versant. Ces résultats appellent désormais à investiguer plus profondément les interactions entre ces deux facteurs limitants, et à comprendre dans quels contextes l’un des facteurs pourrait suppléer l’autre. En particulier, il sera intéressant de rechercher comment diverses perturbations anthropiques (xénobiotiques, réchauffement climatique etc…) pourraient affecter l’intensité ou la nature de ces limitations

Alpine grasslands are home to large populations of wild herbivores and are often exposed to additional grazing by domestic herbivores. This study aims to investigate the metabolic response of subalpine plant species to herbivory and to identify the ecosystem functional consequences via the alteration of litter decomposability. For this purpose, we set up a two-year experimental design using exclosures on the Armenaz subalpine grassland from the Bauges massif, under two mammalian herbivory regimes: intensive grazing by domestic heifers (Bos taurus) and extensive grazing by wild chamois (Rupicapra rupicapra). We measured leaf functional traits representative of growth and defense metabolisms on about twenty plant species grown in presence or absence of herbivores, and estimated litter decomposability of some of these species. Contrary to the hypothesis of a growth/defense tradeoff, our results show that the allocation of defensive compounds (polyphenols and lignin) in plants is not related to their nutrient acquisition strategy. In our study, plant responses to grazing exclusion vary according to: (1) herbivory context, plant response being more pronounced in the case of intensive grazing by heifers than extensive grazing by chamois, (2) plant species, suggesting that they rely on different defensive strategies, (3) environmental conditions, which may reflect the interactive effects with grazing treatment. One of the observed responses of plants to grazing exclusion is the decrease of their phenolic content, and more specifically flavonoids, which can be explained by the relaxation of the production of plant defenses when herbivores are no longer present. Chamois exclusion has no influence on chemical composition and decomposability of litters, the latter being best explained by its phenolic content. Revealing the contrasted effects of wild and domestic mammalian herbivores on vegetation and related soil processes allow us to improve our understanding of subalpine grasslands functioning. This should help us to better predict the effects of potential demographic variations of herbivore populations on environment., Les prairies subalpines abritent de grandes populations d’herbivores sauvages et sont souvent soumises au pâturage domestique. Le but de cette thèse est d’analyser la réponse métabolique des plantes subalpines à l’herbivorie, et d’identifier les conséquences fonctionnelles sur l’écosystème via la décomposabilité des litières. Pour cela, nous avons établi un dispositif d’exclusion des herbivores sur l’alpage d’Armenaz dans le massif des Bauges, dans deux contextes de pâturage différents : extensif par des herbivores sauvages (chamois, Rupicapra rupicapra) et intensif par des herbivores domestiques (génisses, Bos taurus). Nous avons caractérisé une vingtaine d’espèces végétales par des traits fonctionnels foliaires reflétant leur métabolisme de croissance et de défense, en présence ou en absence d’herbivores, et avons estimé la décomposabilité des litières de certaines d’entre elles. Contrairement à l’hypothèse du compromis entre croissance et défense, nos résultats montrent que la présence de composés de défense (polyphénols et lignine) chez les plantes n’est pas reliée à leur stratégie d’acquisition des ressources. Dans notre étude, la réponse des plantes à l’exclusion des herbivores dépend essentiellement : (1) du contexte d’herbivorie, la réponse étant d’avantage marquée dans le contexte du pâturage intensif par les génisses qu’extensif par les chamois, (2) des espèces végétales, suggérant l’existence de différentes stratégies de défense, (3) des conditions environnementales, pouvant être le reflet d’effets d’interaction avec le traitement d’herbivorie. Parmi les réponses observées, l’exclusion des herbivores entraîne chez certaines espèces une diminution de la teneur en composés phénoliques, et plus particulièrement en flavonoïdes, pouvant refléter la relaxation de la synthèse de ces composés de résistance en absence d’herbivores. L’exclusion des chamois n’influence pas la composition chimique des litières ni leur décomposabilité. Cette dernière, parmi les composés étudiés, dépend majoritairement de sa composition en polyphénols. L’identification d’effets contrastés de différents contextes d’herbivorie sur la réponse des plantes et des fonctions écosystémiques qui en découlent nous permet d’améliorer notre compréhension du fonctionnement des prairies subalpines. Ce sont autant d’éléments pour nous aider à mieux appréhender les effets sur l’environnement d’éventuels changements démographiques des populations de grands herbivores.

National audience

International audience; AbstractGrassland covers about one quarter of the Earth’s land area and is currently estimated to contribute to the livelihoods of over 800 million people. Grassland provides ecosystem goods and services, mainly through the provisioning of milk and meat. Therefore, the proper use of grasslands will be essential for feeding the nine billion people that will inhabit planet Earth by 2050. In the context of a changing climate, we should better understand the interactions of environment, management and grass crop at individual, community and ecosystem levels. Functional ecology focuses on the roles and functions that species play in the community or ecosystem in which they occur. Functional ecology thus aims to understand how plant species adapt to environmental conditions and how management can alter this adaptation. Here, we review the latest advances in plant functional traits research and on species strategies to the main environmental factors occurring in grassland ecosystems: nutrient availability, grazing, cutting and shading. Functional ecology also provides a framework to better understand how species strategies interact with the species composition at the community level. Therefore, the literature on community assembling theories in relation to ecosystem processes most relevant to grassland management and services is also reviewed. Finally, future research questions and some new orientations for grassland experts are offered in order to meet the challenge of maintaining productivity and preservation of these semi-natural environments in the face of global change.

Comprendre les relations entre écohydrologie et structure fonctionnelle des communautés végétales est une problématique croissante en écologie. Cette thèse a pour objectif d'analyser les effets d'un gradient de ressource édaphique sur la structure et le fonctionnement de parcours herbacés dans le sud de la France, en intégrant les niveaux de l'écosystème à la plante. Par modélisation du bilan hydrique, les différences d'utilisation de l'eau au niveau de l'écosystème ont été quantifiées pour cinq années contrastées révélatrices de la variabilité des propriétés des sols et du fonctionnement végétal. Utilisation de l'eau et productivité des plantes sont proportionnelles à la réserve utile des sols et à son taux de remplissage, suggérant un équilibre fonctionnel entre les communautés végétales et la disponibilité de l'eau locale. Par une approche ‘traits', nous avons ensuite montré que le ratio entre surface foliaire et surface racinaire totales de la communauté est le facteur déterminant une relation 'allométrique' entre évapotranspiration potentielle et capacité de prélèvements hydriques. La coordination entre les compartiments racinaire et aérien de la végétation dépend d'une suite d'adaptations architecturales et morphologiques. Des modifications d'abondances relatives spécifiques et le turn-over d'espèces génèrent une variabilité de morphologie et de fonctionnement des communautés permettant leur adaptation à des ressources limitées. Au niveau plante, une expérimentation de transplantation a permis de quantifier l'importance relative de la disponibilité hydrique et des interactions entre plantes sur la productivité individuelle de trois espèces-cibles. L'importance de la compétition s'est révélée plus élevée sous fort niveau de ressource et dépendait plus des relations hiérarchiques entre traits que de la biomasse. La compétition entre plantes affecte les axes de niche fonctionnelle des espèces de façon indépendante, avec une convergence de la ‘teneur en matière sèche des feuilles' pour des faibles valeurs mais une plus forte divergence fonctionnelle pour la ‘hauteur des plantes'. Cette approche fonctionnelle a permis d'éclairer le rôle de la diversité végétale dans la réponse des systèmes écologiques à des ressources hydriques variables. De plus, ces résultats sur les propriétés écohydrologiques des communautés naturelles peuvent contribuer à la conception d'agro-écosytèmes complexes mieux adaptés aux sécheresses intenses prévues dans le contexte actuel de changement climatique., Understanding the relationships between ecohydrology and functional structure of plant communities is a timely issue in plant ecology. From ecosystem to species levels, this works investigated the effects of a resource availability gradient on the structure and functioning of Mediterranean rangelands in Southern France. Using a water-balance modeling approach, differences in water-use at the ecosystem level were quantified across five contrasting years, accounting for the variability in both soil characteristics and vegetation functioning. Plant water-use and productivity scaled with soil water storage capacity and its filling rate, suggesting a functional equilibrium between plant communities and local water availability. Using a trait-based approach, we then showed that the ratio of total leaf area of the community on total root area determined an allometric relationship between potential evapotranspiration and water uptake capacity. The “coordination” between above- and belowground compartment of the vegetation was achieved by a suite of architectural and morphological adaptations. Modifications of species relative abundances and species turn-over explained morphological and functioning adaptations to cope with limiting resources. Finally at species level, a removal experiment allowed to quantify the relative importance of water limitations and effects of plant-plant interaction on individual plant productivity of three target species of graminoïds. The importance of competition increased with soil resource availability and depended more on trait-trait hierarchical distances among species than standing biomass. Competition among plants affects the axes of the functional niche of species independently, leading to the convergence of leaf dry matter content towards low values but to greater functional divergence for plant height. Overall, this functional approach provided an integrative understanding of the role of plant diversity in the response of ecological systems to changes in water availability. Furthermore, these results on ecohydrological properties of natural communities can contribute to the design of complex agro-ecosystem better adapted to intense droughts predicted under climate change.

National audience

Sediment evaluation and monitoring is an essential part of ecosystem monitoring since sediments represent an important component of aquatic habitats and are also a potential source of contamination. Current methodologies of their ecotoxic risk assessment do not encompass ecosystemic responses and do not take into account multiple abiotic and biotic stressors. Run-of-river reservoirs entrap a large amount of sediments and constitute an opportunity to develop original risk assessment methodologies that integrate biological responses in situ and their potential effects for river ecosystem functioning. Six run-of-river reservoirs were selected to study the effects of sediment contamination at several spatial and biological scales, thanks to structural and functional approaches. Our results evidenced a selection in faunistic assemblages in response to contamination, associated with low taxonomic and functional diversity. Our results also evidenced sublethal responses, with niches shifts of invertebrate population and modification of biotic interactions. Sediment contamination has also impacted metabolic functional diversity of bacterial communities and fungal richness and biomass. These biocenotic alterations have resulted in disturbances in ecosystemic processes such as leaf breakdown and benthic flux at the water-sediment interface. Ecosystems downstream dams were also impacted, through resuspension of contaminated sediments, alteration of water quality and cascading effects related to structural and functional responses of reservoirs communities. Our findings evidenced challenges of the sediment quality preservation and the need to develop risk assessment methodologies based on the vulnerability at each biological scale in order to understand and elucidate ecological status and trajectories of aquatic ecosystems, A la fois témoins et acteurs de contamination, les sédiments constituent un élément essentiel des écosystèmes aquatiques qu'il convient de surveiller, évaluer et protéger. Les méthodes actuelles d'évaluation de leurs risques écotoxiques restent peu transférables aux écosystèmes, et ne rendent pas compte de la présence de multiples facteurs de stress abiotiques et biotiques. Les sédiments stockés par les seuils et barrages offrent l'opportunité de développer des méthodes originales de diagnose des réponses biologiques in situ. Six retenues au fil de l'eau dont les sédiments présentent un gradient de contamination métallique et organique ont été étudiées. Les effets de la contamination ont été explorés à différentes échelles spatiales et biologiques via des approches structurelles et fonctionnelles. Dans les retenues, en réponse à l'augmentation de la perturbation chimique, nos résultats montrent une sélection de cortèges faunistiques associée à une réduction de la diversité taxonomique et fonctionnelle. Des réponses sublétales des macroinvertébrés ont été identifiées, notamment sur les niches spatiales, les régimes alimentaires ou la compétition interspécifique. La contamination des sédiments impacte aussi le potentiel métabolique bactérien et la richesse et la biomasse fongique. L'ensemble de ces altérations biocénotiques se traduisent au niveau écosystémique par la rupture du processus de décomposition des litières et la modification des flux benthiques à l'interface eau-sédiment. Les écosystèmes en aval sont également perturbés via la remise en suspension des sédiments contaminés, l?altération de la qualité de l'eau et les effets en cascades des réponses structurelles et fonctionnelles des communautés des retenues. L'ensemble de nos résultats soulignent les enjeux de préservation de la qualité des sédiments et la nécessité de développer des méthodologies intégratives de la vulnérabilité à chaque niveau d'organisation biologique pour mieux appréhender l'état et les trajectoires écologiques des écosystèmes aquatiques

[Departement_IRSTEA]Territoires [TR1_IRSTEA]SEDYVIN; International audience; The rhizosphere is a key zone for pollutant removal in treatment wetlands; therefore, studies on microbial activity may provide helpful information for a better understanding of purification processes. We studied microbial activity in a vertical-downflow constructed wetland system treating waste activated sludge with high organic matter concentrations, under Mediterranean climate. The aims of the work were to study the influence of (i) the presence of plants, (ii) the plant species (Phragmites australis Cav., Typha latifolia L., Iris pseudacorus L.), and (iii) the plant growth stage (plant senescence and plant fast growing stage) on total respiration rate and phosphatase activity in the substrate (intented here as the solid support on which the plants grow). The presence of plants had a positive influence on microbial activity, since substrate respiration and both acid and alkaline phosphatase activity were always higher in planted than in unplanted mesocosms. Among the three tested species, Phragmites was the one that most stimulated both substrate respiration rate and phosphatase activity, followed by Typha and Iris. These differences of microbial activity between mesocosms were corresponding to differences of removal efficiency. Substrate respiration and phosphatase activity were of similar magnitude at the two growth stages, while the stimulating effect of plants seemed to have been delayed and microbial activity showed higher fluctuations at plant fast growing stage than at plant senescence.

La végétation d’une prairie peut se caractériser par la structure d’abondance de ses espèces (diversité taxonomique), et/ou encore par la distribution statistique des valeurs de traits des plantes (identité et diversité fonctionnelle) qui la composent. La structure de végétation d’une prairie présente également une composante spatiale qui se manifeste le plus souvent sous la forme d’agrégations d’individus conspécifiques (i.e. de la même espèce) et/ou de la moyenne/diversité des valeurs de traits. Cette présentation propose un tour d’horizon des connaissances relatives à l’émergence des patrons spatiaux de végétation et à leurs rôles potentiels dans le maintien de la diversité des communautés végétales, le fonctionnement de l’écosystème prairial et sa stabilité. Nous analyserons comment l’hétérogénéité spatiale des conditions de milieu et les pratiques agricoles influencent la structuration de la végétation dans l’espace (Herben & Hara 2003). Nous porterons ici une attention particulière au rôle joué par les herbivores (Rossignol et al. 2010). Nous nous pencherons également sur l’influence de processus biologiques propres aux plantes pérennes comme la propagation végétative (Lafarge, Mazel, & Hill 2005). Dans un second temps nous aborderons le rôle de ces structures spatiales dans les mécanismes de coexistence des espèces (Wilson 2011). Nous verrons plus particulièrement l’importance de la ségrégation des espèces ou de stratégies écologiques à échelle fine dans l’assemblage des communautés végétales d’un paysage alpin. Nous discuterons ensuite d’effets observés de l’agrégation spatiale des espèces sur la productivité des prairies et leur stabilité (Monzeglio & Stoll 2005). Les besoins de recherches visant à une meilleure compréhension des mécanismes qui sous-tendent l’apparition et le rôle des structures spatiales végétales dans les prairies permanentes seront discutés. Nous conclurons sur l’intérêt de considérer explicitement les structures spatiales végétales dans une démarche agro-écologique de gestion des prairies.

L’objectif de cet article est de montrer comment, partant des concepts et méthodes de l’écologie fonctionnelle, le travail en partenariat au cours d’une décennie avec des éleveurs et des conseillers agricoles a permis de construire pas à pas une boîte à outils pour caractériser la valeur d’usage des prairies permanentes. La base commune aux cinq outils de cette boîte est la caractérisation de la composition fonctionnelle de la végétation. Nous montrons comment les différents types de partenariat, et la mise en situation des connaissances avec les partenaires, ont orienté les choix faits et permis de passer d’un concept à plusieurs prototypes, puis à un ensemble d’outils actionnables. Les différents types d’apprentissage pour les chercheurs et les praticiens sont analysés. Enfin, sont discutés des enseignements méthodologiques pour coconstruire des outils pour l’action lorsque les connaissances scientifiques et pratiques sur les processus à piloter font défaut., Environmental services provided by permanent grasslands are well acknowledged but the agricultural services they provide remain difficult to assess with conventional methods. Our objective is to present the step-by-step approach which was used to build a toolbox. Methodologies and concepts developed in functional ecology were mobilized together with long-term partnership with farmers, advisors and teachers. The five tools rely on a common base, the functional characterization of vegetation. These tools make it possible to characterize the agronomic potential of the grassland, to define the range of practices compatible with a vegetation type, to model different scenarios for learning purposes and to estimate room for manoeuvring for a better valorisation of available forage resources. We demonstrate how the different partnerships and the real life situation of knowledge with partners orientated the choices we made and allowed us to pass from a concept with several prototypes to a combination of actionable, ie easily mobilized, tools. We analyze the different types of training available for scientists and practitioners in this work. Finally, we discuss methodological teachings for tool co-construction in action when scientific and practical knowledge on processes are missing.

Lack of data standards in functional ecology inhibits the most efficient use of long-term observational data. Such data standards however, would be accepted by the whole community if they reflect the opinion and experience of the majority. Here we propose an approach to this problem that is based on models, which integrate web of data resources to guide a community of experts in the collaborative and joint construction of a generally accepted thesaurus. Our practical approach is based on the design of a vocabulary that is dedicated to functional traits in plants. Once the thesaurus has been stabilized, it will be mobilized on the web of data, with the expectation that this approach will lead to a domain ontology in functional ecology., L'écologie fonctionnelle manque de standards de données, pour pouvoir pleinement faire usage des données, issues des observations menées sur le long terme. Ces standards ne seront acceptés par l'ensemble de la communauté, que si ils reflètent la perception du plus grand nombre. Nous proposons une approche centrée sur les modèles, qui exploite les ressources généralistes du web de données afin de guider une communauté d'experts dans la construction collective d'un thésaurus. La démarche est mise en pratique au travers de la construction du thésaurus dédié aux traits fonctionnels chez les plantes. Le thésaurus, une fois stabilisé, sera à son tour mobilisable sur le web et viendra amorcer la construction d'une ontologie de domaine en écologie fonctionnelle.

The aims of the present thesis was to improve our knowledge on (i) the relationships between humus morphology and mineral nitrogen (N) production, (ii) N cycle and its regulation within the different soil layers and (iii) the environmental factors responsible for the development of humus forms and controlling soil N pathways along a chronosequence of 130 years of pure beech. The nitrogen cycle. Potential net ammonification increases with stand age in the organic horizons, whereas both potential and net in situ nitrification decrease in OL and A horizons. Potential net nitrification takes mainly place in the OF and OH horizons with ammonification always higher in the organic horizons. The fungal N transformations clearly dominate in the OL horizon while bacterial processes appear to be mainly localized in the A horizon. In general, it appears that the intensity of the first steps of the cycle (i.e. N input and ammonification) are favored during the maturation of pure stands of beech while the latter process of the cycle (i.e. nitrification and denitrification) decrease along the chronosequence. Leaching of nitrate did not differ along the chronosequence, while the uptake of mineral N by roots (especially ammonium), and the leaching of ammonium significantly increased. We also observed several significant correlations between morphological variables and net nitrification or nitrate content within the organic horizons. Therefore, several morphological variables, such as the thickness of OF, density of earthworm casts, the structure of the A horizon or the percentage of bleached leaves in OLv, were found to be good predictors of in situ mineral N production. Furthermore, the morphological variables specific to the horizon OLv were also depicted as robust indicators of ex situ mineral N production. This work demonstrates that the shift mull-moder occurring along the chronosequence means an increase of ammonium production but a decrease in nitrification. The driving factors. We did not find significant differences in litter production along the chronosequence, in opposite, the rate of litter decomposition decreased during the aggradation phase. Furthermore, litter decay rate was strongly correlated with the thickness of OF and OH layers. Thus, the decrease in litter decay rate appears to be responsible for the mull-moder shift observed during the chronosequence, while litter production would rather play a secondary role but may contribute to the second shift observed from hemimoder to dysmoder humus forms. The decrease in litter decomposition rate is partly explained by changes in both the structural and functional profiles of soil microbial communities. At the structural level, the fungal biomass in OL decreased from young to old stands. However, in OF and OH layers, the fungal to bacterial biomass ratio increased. Functional diversity of microbial community in organic horizons is higher in the oldest stands. Parallel to these changes, similar modifications were observed in litter quality. The results highlighted two major shifts. The first after 15 years corresponds to a decrease in Mg, hemicellulose, cellulose, lignin and N, and an increase in Mn content, lignin, C/N and lignin/N. The second after 95 years corresponds to a decrease in lignin, cations and N contents, lignin N, and an increase in cellulose N and hemicellulose N. An experimental approach allowed us to test the effects of beech litter (supply and quality), and roots (mycorhizal or not) on N cycling and soil microbial communities. Litter, regardless of initial quality, inhibits autotrophic nitrification and promotes fungal community. The roots promote ammonification potential while mycorhizal roots inhibit autotrophic nitrification. Therefore we hypothesized that litter quality may drive the soil microbial assemblages both at the functional and the structural level., L'objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension (i) des relations morphologie/cycle de l'azote au sein de l'épisolum humifère, (ii) du cycle de l'azote au sein des différents horizons de l'épisolum humifère et (iii) des facteurs écologiques responsables du développement des formes d'humus et régulant le cycle de l'azote dans l'épisolum le long d'une chronoséquence de 130 ans en hêtraies pures. Le cycle de l'azote. L'ammonification potentielle nette augmente avec l'âge des peuplements au sein des horizons organiques alors que la nitrification potentielle et in situ nette diminue au sein des horizons OL et A. La nitrification potentielle nette est essentiellement localisée au sein des horizons OF et OH et l'ammonification est toujours plus élevée au sein des horizons organiques. Les transformations fongiques dominent nettement au sein de l'horizon OL alors que les processus bactériens sont principalement localisés dans l'horizon A. Les résultats montrent que les processus en amont du cycle (apport d'azote, ammonification) sont favorisés au cours de la maturation des peuplements alors que les processus en aval du cycle (nitrification, dénitrification) diminuent le long de la chronoséquence. Le lessivage des nitrates varie peu le long de la chronoséquence alors que le prélèvement de l'azote minéral (surtout l'ammonium) et le lessivage de l'ammonium augmentent significativement. Nous avons également observé des corrélations significatives entre les variables morphologiques et la nitrification nette ou la teneur en nitrate au sein des horizons organiques. Certaines variables morphologiques (i.e. l'épaisseur de l'OF, le nombre de turricules de vers de terre, la structure de l'horizon A ou le pourcentage de feuilles blanchies au sein de l'horizon OLv) présentent un potentiel indicateur de production in situ d'azote minéral. Les variables morphologiques spécifiques { l'horizon OLv pourraient constituer des indicateurs robustes de production potentielle d'azote minéral. Les facteurs de contrôle. Nous n'avons pas observé de variabilité significative des retombées de litière le long de la chronoséquence alors que la vitesse de décomposition de la litière diminue durant la phase de croissance des peuplements. De plus, la vitesse de décomposition de la litière est fortement corrélée à l'épaisseur des horizons OF et OH. La chute de la vitesse de décomposition de la litière serait donc responsable du changement mull-moder observé le long de la chronoséquence, alors que la production de litière jouerait un rôle secondaire mais contribuerait à un changement hemimoder-dysmoder. La chute de la vitesse de décomposition de la litière est en partie expliquée par des changements du profil structurel et fonctionnel des communautés microbiennes du sol le long de la chronoséquence. La biomasse fongique dans l'OL diminue le long de la chronoséquence. Le ratio biomasse fongique/biomasse bactérienne au sein des horizons OF et OH augmente le long de la chronoséquence. La diversité fonctionnelle des communautés bactériennes dans les horizons organiques est plus élevée dans les peuplements âgés. Ces changements fonctionnels au sein de l'épisolum humifère pourraient être sous le contrôle de la qualité de la litière de hêtre qui varie considérablement le long de la chronoséquence. Les résultats mettent en avant deux changements majeurs de la qualité de la litière. Le premier après 15 ans de vieillissement correspond à (1) une diminution des teneurs en Mg, en hémicellulose, en cellulose, en azote dans la lignine et (2) une augmentation des teneurs en Mn, en lignine, du C/N et du lignine/N. Le second après 95 ans de vieillissement correspond { (1) une baisse de la teneur en lignine, des cations et de l'azote dans la lignine et (2) une augmentation de la cellulose et de l'azote dans l'hémicellulose. Une approche expérimentale nous a permis de tester les effets de la litière de hêtre (apport et qualité) mais également des racines de hêtre (mycorhizées ou non) sur le cycle de l'azote et les communautés microbiennes du sol. La litière de hêtre, indépendamment de sa qualité initiale, inhibe la nitrification autotrophe et favorise la communauté fongique. Les racines, mycorhizées ou non, favorisent l'ammonification potentielle et les racines mycorhizées inhibent la nitrification autotrophe.

To predict the consequences of environmental change on biodiversity, it is necessary to have some knowledge about the response of species to changes in their environment. Mountain ecosystems are particularly affected by environmental changes. In particular, in the French Alps, meadows are important plant communities in terms of their heritage and biodiversity in animal and plant species they contain. To estimate the ability of species to adapt / adjust to new environmental conditions, different experiments have been implemented to estimate the role of genetic variability and phenotypic plasticity in the variation of functional traits. The results highlight the importance of phenotypic plasticity as a source of variation in functional traits, genetic variability explains a significant but weaker response. This coexistence of two mechanisms indicates that the species studied are able to acclimatize and in the longer term, will adapt to new conditions. However, different levels of plasticity and constraints have been observed within and between species, which may lead to different answers depending on species and populations. Different results have highlighted the complexity of the response of species to their environment. The various aspects and the origin of the response are important to predict the response of species to global changes in the environment, and thus the evolution of biodiversity., Afin de prévoir les conséquences des changements environnementaux sur la biodiversité, une approche est de mieux comprendre la réponse des espèces à une modification de leur environnement. Les écosystèmes de montagne sont particulièrement concernés par ces changements environnementaux. En particulier, dans les Alpes françaises, les pelouses et prairies constituent des formations végétales importantes, du point de vue de leur intérêt patrimonial et de la biodiversité en espèce animales et végétales qu'elles renferment. Pour estimer la capacité des espèces à s'adapter/s'acclimater à de nouvelles conditions environnementales, différentes expériences ont été mises en place afin d'estimer le rôle de la variabilité génétique et de la plasticité phénotypique dans la variation des traits fonctionnels. Les résultats mettent en évidence l'importance de la plasticité phénotypique comme source de variation des traits fonctionnels, la variabilité génétique expliquant une part significative mais plus faible de la réponse. Cette coexistence des deux mécanismes indique que les espèces étudiées sont capables de s'acclimater et, à plus long terme, pourront s'adapter. Toutefois, des niveaux différents de plasticité et de contraintes ont été observés au sein et entre les espèces, pouvant conduire des réponses différentes selon les espèces et les populations. Les différents résultats ont permis de mettre en évidence la complexité de la réponse des espèces à leur environnement. Les différents aspects ainsi que l'origine de la réponse sont donc des éléments clés pour prévoir la réponse des espèces aux changements globaux de l'environnement, et donc l'évolution de la biodiversité.

Des travaux récents, associant des approches issues de l’écologie fonctionnelle aux démarches agronomiques traditionnelles, ont permis des avancées significatives dans la manière de caractériser les prairies permanentes riches en espèces. Dans cet article nous présentons la notion de types fonctionnels de plantes identifiés sur la base de traits biologiques communs, et leurs liens avec les caractéristiques agronomiques des espèces, caractéristiques qui définissent la valeur d’usage de la prairie. Les résultats des études menées sur des dispositifs expérimentaux très variés (collection d’espèces natives, essais de fertilisation, réseaux de parcelles chez des éleveurs) montrent qu’il existe des relations stables entre les types d’espèces dominantes dans la prairie et les modes de conduites (intensité de défoliation et fertilisation). Ces résultats sont discutés dans la perspective d’une application aux prairies à flore complexe. Des propositions sont faites concernant les règles d’assemblage des espèces et les modes de conduites à mettre en œuvre pour les pérenniser une fois implantées., Recent studies, associating approaches taken from functional ecology and traditional agronomical processes, have resulted in significant progress in the way multi-specific permanent pastures can be characterized. In this paper we put forward the notion of functional plant types, which are identified on the basis of common biological features and by their links to the agricultural characteristics of the species; these characteristics are those that define the use value of the pasture. The results from many studies, with a vast array of experimental designs (collection of native species, fertilisation trials, network of experimental plots on individual farms) show the existence of stable relationships between the types of dominant species in a pasture and the methods of management (intensity of defoliation and fertilisation). These results are discussed in view of an application to pastures with a complex floristic composition. Suggestions are made concerning the rules for the association of species and the methods of management to apply in order to ensure the perenniality of the pastures after sowing.

International audience; The aim of this paper is to illustrate how some extreme events could affect forest ecosystems. Forest tree response can be analysed using dendroecological methods, as tree-ring widths are strongly controlled by climatic or biotic events. Years with such events induce similar tree responses and are called pointer years. They can result from extreme climatic events like frost, a heat wave, spring water logging, drought or insect damage... Forest tree species showed contrasting responses to climatic hazards, depending on their sensitivity to water shortage or temperature hardening, as illustrated from our dendrochronological database. For foresters, a drought or a pest disease is an extreme event if visible and durable symptoms are induced (leaf discolouration, leaf loss, perennial organs mortality, tree dieback and mortality). These symptoms here are shown, lagging one or several years behind a climatic or biotic event, from forest decline cases in progress since the 2003 drought or attributed to previous severe droughts or defoliations in France. Tree growth or vitality recovery is illustrated, and the functional interpretation of the long lasting memory of trees is discussed. A coupled approach linking dendrochronology and ecophysiology helps in discussing vulnerability of forest stands, and suggests management advices in order to mitigate extreme drought and cope with selective mortality.; Cet article illustre comment des événements extrêmes peuvent affecter les écosystèmes forestiers. La réponse des arbres peut être étudiée par des méthodes dendroécologiques, les largeurs de cernes étant étroitement contrôlées par les contraintes climatiques ou biotiques. Ces contraintes induisent des réponses similaires des arbres, lors d’années dites « années caractéristiques ». Elles traduisent les réponses de la croissance à un événement climatique ou biotique extrême : gel intense,canicule, excès d’eau printanier, sécheresse, ravageur. . . comme l’illustre notre base de données dendrochronologiques. Pour le forestier, une sécheresse ou un aléa biotique sont considérés comme extrêmes s’ils induisent des dysfonctionnements visibles et durables (coloration anormale du feuillage, perte foliaire, mortalité de branches, dépérissement, mortalités anormales). De tels impacts, souvent différés de quelques années après l’aléa, sont illustrés à partir d’études de dépérissements forestiers avérés depuis 2003, ou attribués à des sécheresses ou des défoliations plus anciennes en France. La récupération de la croissance ou la vitalité des arbres est illustrée et des éléments fonctionnels d’interprétation des effets différés sont discutés. Enfin, en couplant dendroécologie et écophysiologie, nous abordons la vulnérabilité des peuplements forestiers et suggérons des recommandations de gestion forestière permettant d’atténuer l’intensité des sécheresses extrêmes et d’anticiper les mortalités sélectives des espèces ou des individus les moins résistants.

N° d’ordre : 2368 Diplôme : Dr. Ing.; Les prairies naturelles représentent en France une part importante de la surface agricole totale. Ces écosystèmes herbacés multifonctionnels et plurispécifiques, à dominante de graminées, sont maintenus en équilibre dynamique par les pratiques des agriculteurs (fertilisation, utilisation par la fauche et/ou le pâturage). Les pratiques modifient les communautés végétales et génèrent ainsi une diversité interparcellaire permettant de remplir des fonctions agricoles différentes. Ces fonctions sont associés à des caractéristiques agronomiques (production, qualité de l'herbe), rassemblées sous le terme "valeur d'usage". La diversité spécifique intraparcellaire importante, couplée à la diversité interparcellaire, complexifie la caractérisation des prairies naturelles. De ce fait, les relations entre pratiques et fonctionnement du couvert végétal sont difficiles à établir. Cette difficulté se retrouve au niveau des outils de diagnostic utilisés par les professionnels du conseil agricole. Dans une optique de construction de nouveaux outils, la question de la caractérisation de la végétation prairiale est donc centrale. Ce travail se propose de tester, dans un contexte agricole, la pertinence d'une approche d'écologie fonctionnelle permettant de rendre compte du fonctionnement de la végétation via les traits biologiques des plantes. Cette pertinence est évaluée par rapport à deux principaux objectifs. Il s'agit, d'une part, d'améliorer la compréhension du fonctionnement écologique et agronomique de l'écosystème prairial en lien avec les principaux facteurs agissant sur sa dynamique (disponibilité des ressources minérales et utilisation de l'herbe). D'autre part, il s'agit de savoir si cette approche permet d'identifier des indicateurs répondant à différents critères (spécificité, sensibilité, robustesse et facilité d'utilisation); ces indicateurs devant servir de base pour définir des pistes pour la construction d'outils simples, informatifs et généralisables. Les résultats de ce travail reposent sur 2 années d'expérimentation menées sur un dispositif de 18 parcelles agricoles (Pyrénées Ariégeoises). Ce dispositif in situ est représentatif des pratiques agricoles de la zone. Les parcelles se répartissent suivant deux gradients écologiques: la fertilité (N et P) et l'utilisation (mode et régime). Les mesures de traits relatifs à la partie aérienne des plantes ont permis de rendre compte des principaux mécanismes de réponse de la végétation à ces deux facteurs, notamment de l'importance relative du gradient de fertilité sur la structuration des communautés. Quel que soit le mode d'utilisation, les situations les plus fertiles présentent une certaine homogénéité (composition fonctionnelle et spécifique, croissance), en lien avec la forte compétition pour la lumière. Le mode d'utilisation semble jouer un rôle plus important lorsque la fertilité est faible. Les diversités spécifique et fonctionnelle varient conjointement et augmentent nettement depuis les parcelles fertiles vers les pacages peu fertiles. Les traits végétatifs, en particulier la hauteur et la teneur en matière sèche des feuilles (LDMC), se révèlent être des traits pertinents de réponse aux pratiques et d'effet sur la valeur d'usage. Ces traits rendent compte de l'importance du trade-off capture-conservation des ressources, impliqué à la fois dans la réponse à la fertilité et à l'utilisation. Cette convergence de réponse, en lien avec le couplage partiel des gradients étudiés, explique en partie pourquoi il est difficile de dissocier les effets respectifs des 2 facteurs. La phénologie apparaît comme un indicateur spécifique de l'utilisation et de la dynamique de croissance. Les proportions relatives des types de graminées, établis sur la base de la LDMC en conditions non limitantes, permettent de classer efficacement les parcelles en fonction de leurs caractéristiques agronomiques mesurées in situ. Elles rendent ainsi compte des variations de digestibilité des limbes ou de composition de la biomasse (rapport feuille/tige)au moment du pic de production. Les indices de nutrition minérale constituent un meilleur indicateur de la qualité de biomasse produite au pic du taux de croissance du couvert. Ces deux modes de caractérisation de la végétation, simples et robustes, permettent d'organiser l'ordre dans lequel les parcelles pourront être exploitées, en respectant leur caractéristiques. Un travail d'enquête, réalisé en parallèle de ces expérimentations pour connaître les pratiques des utilisateurs d'outils de diagnostic et leurs attentes éventuelles, montre que la contrainte de temps est un facteur essentiel à considérer. Les outils doivent donc être simples et rapides à mettre en oeuvre. En outre, cette enquête confirme le manque d'outils permettant de faire le lien entre pratiques et valeur d'usage. La caractérisation fonctionnelle de la végétation permet de répondre à ces attentes, facilitant la lecture de la végétation tout en apportant des informations sur son fonctionnement. Des voies de simplification de cette approche sont testées et discutées. Des tests doivent être étendus à d'autres contextes afin de confirmer la généricité de la méthode proposée.

National audience

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Trees interact with diverse microbial communities that influence their fitness and the functioning of terrestrial ecosystems. Unlike microorganisms associated with roots and soil, microorganisms that colonize the forest canopy are still poorly understood. The objective of this thesis is to better understand the functions of microorganisms associated with the aerial parts of trees (leaves, stems, seeds) as well as their vertical (from the plant to its offspring) and horizontal (emission from the plant to the atmosphere) transmission dynamics, by combining molecular ecology and plant ecophysiology analyses. The first chapter [P1] shows a vertical stratification of fungal and foliar bacterial communities within the beech canopy (Fagus sylvatica). This stratification is more pronounced for epiphytic microorganisms than for endophytes. It also decreases during the growing season in bacteria and appears to be related to morphology rather than foliar physiology. Vertical stratification of microbial functions is being analyzed. The second chapter [P2] highlights the presence of fungi in the internal tissues of the acorns of sessile oak (Quercus petraea), including the embryo, suggesting that the microbiota can be transmitted vertically from the mother tree to its offsprings and influence forest regeneration. Acorns contain in particular several fungal pathogens, in association with their mycoparasites. These fungal communities vary significantly depending on the mother tree and the oak population. Finally, the third chapter [P3] tests a prototype for measuring bacterial emission fluxes over plant cover. It shows that half of the species captured in the atmosphere are present on the leaf surface and suggests that the composition of bioaerosols is strongly influenced by the locally dominant cultivated plant, the grapevine (Vitis vinifera). Complementary measures, including a wider range of forest and non-forestry habitats, will have to be carried out to better understand the origin of emissions, which are known to influence the water cycle. This thesis therefore provides elements for modelling the dynamics and evolution of the tree-microbiota-atmosphere system, which will need to be strengthened and integrated into knowledge of the soil system in order to respond to the challenges raised by climate change, Les arbres interagissent avec des communautés microbiennes diversifiées qui influencent leur fitness et le fonctionnement des écosystèmes terrestres. Contrairement aux micro-organismes associés aux racines et au sol, les micro-organismes qui colonisent la canopée forestière sont encore mal connus. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre les fonctions des micro-organismes associés aux parties aériennes des arbres (feuilles, tiges, graines) ainsi que leur dynamique de transmission verticale (de l’arbre à ses descendants) et horizontale (émission de l’arbre vers l’atmosphère), en combinant des analyses d’écologie moléculaire et d’écophysiologie végétale. Le premier chapitre [P1] montre une stratification verticale des communautés fongiques et bactériennes foliaires au sein de la canopée du hêtre (Fagus sylvatica). Cette stratification est plus marquée chez les micro-organismes épiphytes que chez les endophytes, elle s’atténue au cours de la saison végétative chez les bactéries et semble être liée à la morphologie plutôt qu’à la physiologie foliaire. La stratification verticale des fonctions microbiennes est en cours d’analyse. Le deuxième chapitre [P2] met en évidence la présence de champignons dans les tissus internes des glands du chêne sessile (Quercus petraea), y compris l’embryon, suggérant que le microbiote peut être transmis verticalement de l’arbre mère à ses descendants et influencer la régénération forestière. Les glands contiennent en particulier plusieurs espèces de champignons pathogènes, en association avec leurs mycoparasites. Ces communautés fongiques varient significativement en fonction de l’arbre mère et de la population de chêne. Enfin, le troisième chapitre [P3] teste un prototype de mesure des flux d’émissions bactériennes au-dessus des couverts végétaux. Il montre que la moitié des espèces capturées dans l’atmosphère est présente sur la surface des feuilles et suggère que la composition des bioaérosols est fortement influencée par la plante cultivée dominante localement, la vigne (Vitis Vinifera). Des mesures complémentaires, incluant une plus large gamme d’habitats forestiers et non-forestiers, devront être réalisées pour mieux cerner l’origine des émissions, qui sont connues pour influencer le cycle de l’eau. Cette thèse apporte donc des éléments pour modéliser la dynamique et l’évolution du système arbre-microbiote-atmosphère, qu’il conviendra de renforcer et d’intégrer aux connaissances sur le système sol afin de répondre aux défis posés par le changement climatique