Ecologie comparative des organismes, des communautés et des écosystèmes

Germain MONTAZEAUD

Germain Montazeaud

Doctorant/Ph.D. Student - Montpellier SupAgro

Contact

CEFE UMR 5175

1919 Route de Mende

34293 Montpellier cedex 05 FRANCE

&

AGAP UMR 1334

2 Place Pierre Viala

34060 Montpellier cedex 02 FRANCE

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Période/Period:

Oct. 2017 – Oct. 2019

Financement/Funding:

Bourse doctorale ministérielle/doctoral scholarship from the French Ministry for Higher Education and Research

Encadrement/Supervisors:

Hélène Fréville (UMR AGAP), Cyrille Violle (UMR CEFE) et Florian Fort (UMR CEFE)

Keywords: agriculture, genetic diversity, crop mixtures, niche complementarity, functional traits, resource-use strategy, kin selection, plant breeding

Research:

Revisiting crop mixtures: insights from ecological and evolutionary theories.

The recent decline of biodiversity has strongly stimulated ecological studies on the relationship between biodiversity and ecosystem functioning (Cardinale et al., 2012). Results from various types of plant communities suggest that ecosystems function better when they contain high levels of biodiversity (Tilman et al., 2001; Loreau et al., 2001, Craven et al., 2016). Genetic diversity, a key facet of biodiversity, has been left behind much of these works (Crutsinger et al., 2006; Bolnick et al., 2011). However, investigating intra-specific diversity could help to understand the underlying mechanisms as well as the evolutionary bases and outcomes of such a relationship. This is a major challenge for both theoretical and applied fields. Indeed, agrosystems are experiencing important changes such as reduction of chemical inputs, and limitation in the use of natural resources such as fuel, water or land (FAO, 2017). Considering results from natural ecosystems, re-introducing genetic diversity in the fields could allow to maintain productivity in such agrosystems where human interventions are reduced (Østergård et al., 2009). Even if intra-specific diversity has been widely investigated in the agricultural context since the 60’s (e.g. reviews by Smithson & Lenné 1996 and Kiaer et al. 2009), results are very contrasted. Much remains to be done to design mixtures of varieties that ensure to combine productivity and sustainability (Litrico & Violle 2015).

My Ph.D. aims to understand the mechanisms of plant-plant interactions at the intra-specific level in crops. Such understanding would enable to formulate assembly rules to design crop mixtures. I use two crop species: rice (Oryza sativa) and durum wheat (Triticum turgidum ssp. durum). Based on both experimental work and modelling, I investigate how two major theories, niche complementarity and kin selection, could help to better understand intra-specific interactions in crops. The first theory, developed in ecology, states that plant with different phenotypes experience a reduced competition, optimizing the global use of resources in the community. In contrast, the kin selection theory developed in evolutionary biology shows that high levels of relatedness can benefit to the whole group of related individuals through the maintenance of altruistic phenotypes. Considering different above and belowground traits related with resource-use as well as their plasticity between monoculture and mixture, I investigate how those two mechanisms could explain the relationship between genetic diversity and productivity in crops.

 

Mots clés : agriculture, diversité génétique, mélanges variétaux, complémentarité de niche, traits fonctionnels, stratégie d’utilisation des ressources, sélection de parentèle, amélioration des plantes

Recherche :

Un nouveau regard sur les mélanges génotypiques : apports des théories de l’écologie et de la biologie évolutive

L’actuelle érosion de la biodiversité a stimulé les travaux de recherche visant à évaluer la relation entre le fonctionnement des écosystèmes et leur niveau de biodiversité (Cardinale et al., 2012). Les résultats obtenus sur différents écosystèmes végétaux suggèrent que ceux-ci fonctionnent mieux lorsque leur niveau de biodiversité est élevé (Tilman et al., 2001; Loreau et al., 2001, Craven et al., 2016). Cependant, ces travaux s’intéressent peu à la diversité génétique intra-spécifique, alors même que celle-ci est une composante clé de la biodiversité (Crutsinger et al., 2006 ; Bolnick et al., 2011). Les recherches portant sur la diversité intra-spécifique pourraient permettre de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents de la relation biodiversité-fonctionnement des écosystèmes ainsi que les origines et conséquences évolutives d’une telle relation sur les communautés végétales. Il s’agit d’un défi majeur à la fois pour la recherche fondamentale, mais également pour le champ appliqué. En effet, les agrosystèmes connaissent actuellement des changements importants avec la réduction de l’utilisation des produits chimiques et l’optimisation de l’utilisation des ressources naturelles comme l’eau, le pétrole ou les terres arables (FAO, 2017). Les résultats obtenus en étudiant les écosystèmes naturels suggèrent qu’il pourrait être intéressant de réintroduire de la variabilité génétique dans de tels agrosystèmes où les interventions humaines seront réduites (Østergård et al., 2009). Même si la diversité intra-spécifique a été largement abordée par la littérature agronomique depuis les années 60 (e.g. revues de Smithson & Lenné 1996 et Kiaer et al. 2009), les résultats obtenus sont très contrastés. Les recherches doivent donc être poursuivies afin de concevoir des mélanges variétaux permettant d’assurer une productivité suffisante dans des agrosystèmes durables (Litrico & Violle 2015).

Le but de mes travaux de thèse est de comprendre les mécanismes régulant les interactions entre les plantes au niveau intra-spécifique chez les espèces cultivées. Cette compréhension pourrait ainsi permettre de formuler des règles d’assemblage pour les mélanges variétaux. J’utilise deux espèces modèles : le riz (Oryza sativa) et le blé dur (Triticum turgidum ssp. durum). Avec une approche basée à la fois sur les expérimentations et la modélisation, j’essaye de comprendre comment deux théories majeures, la complémentarité de niche et la sélection de parentèle, peuvent éclairer notre compréhension des interactions entre les plantes cultivées au sein de la même espèce. La première théorie, développée en écologie, supposent que les individus ayant un phénotype différent pour les traits liés à l’utilisation des ressources entrent moins en compétition les uns avec les autres, ce qui optimise l’utilisation des ressources au niveau de la communauté. Au contraire, la sélection de parentèle suppose qu’un fort niveau d’apparentement peut maximiser la productivité d’un groupe d’individus à travers l’évolution de phénotypes altruistes. En me focalisant sur différents traits aériens et racinaires liés à l’utilisation des ressources ainsi qu’à leur plasticité entre une situation de monoculture et de mélange, j’utilise ces deux cadres théoriques afin de comprendre la relation entre diversité génétique et productivité dans les mélanges variétaux.

Publications:

  1. Montazeaud, H. Karatogma, I. Ozturk, P. Roumet, M. Ecarnot, J. Crossa, E. Ozer, F. Ozdemir, M.S. Lopes (2016). Predicting wheat maturity and stay-green parameters by modeling spectral reflectance measurements and their contribution to grain yield under rainfed conditions. Field Crop Research. 196, 191-198, doi: 10.1016/j.fcr.2016.06.021
  1. Montazeaud, C. Violle, H. Fréville, D. Luquet, N. Ahmadi, B. Courtois, I. Bouhaba, F. Fort (2017). Crop mixtures: does niche complementarity hold for belowground resources? An experimental test using rice genotypic pairs. Plant and Soil. 424, 187-202, doi: 10.1007/s11104-017-3496-2