demande de bourse pre – doctorale
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PROPOSITION DE DOCTORAT DANS LE CADRE D’UNE BOURSE CIFRE ACTA - INRA Recu le 07 fevrier 2008 Sujet de thèse : Typologie fonctionnelle des maladies et ravageurs des principales cultures et modélisation des effets du changement climatique sur leur évolution à l’échelle de l’ensemble du territoire français. 1/ Introduction Le réchauffement climatique observé depuis la fin des années 80, lié à l’activité anthropique, influence l’apparition (ou la disparition), le développement et la croissance des maladies et ravageurs des cultures, comme l’attestent des études menées sur la rouille du soja aux USA ou sur le pathosystème Bemisia – TYLCV sur la tomate de serre dans le bassin Rhône-Méditerranée. Cette influence peut se faire directement par le biais du climat et indirectement par les modifications induites sur la culture, support physique et trophique de ces organismes pathogènes. Clarifier, pour un panel de pathosystèmes variés, quelles sont les grandes tendances d’évolutions des pathogènes en climat futur, est une préoccupation agronomique majeure, de nature à faciliter l’adaptation de l’agriculture au changement climatique annoncé. 2/ Objectifs scientifiques Partant d’un potentiel d’infestation donné, des modèles épidémiologiques existent qui décrivent les dynamiques des organismes pathogènes en réponse au climat (exemple du modèle Asphodèle pour le phomopsis du tournesol), ou au microclimat (exemple des modèles botrytis et oïdium de la vigne) ; quelques uns tiennent compte de l’influence de l’état de développement et de croissance de la culture sur la dynamique de la maladie (exemple du modèle septoriose du blé). Or ce dernier point, permettant de raisonner simultanément l’impact du changement climatique sur les deux biologies que représentent la plante et le pathogène, semble essentiel pour apprécier à sa juste mesure l’impact sur l’ensemble du système. Il est tout aussi indispensable de prendre en compte l’impact du changement climatique sur la modification des pratiques (dates de semis, choix variétaux, fertilisation azotée, irrigation) qui peut aboutir à des phasages différents entre hôtes et pathogènes. Or nous manquons d’un cadre de travail générique permettant de réaliser des études prospectives sur l’évolution des pathogènes de nos cultures dans les conditions du climat futur. Par ailleurs, tout en reconnaissant la spécificité biologique des systèmes pathogènes, il est possible de définir des constantes fonctionnelles, paramétrables à partir d’approches s’apparentant à l’écologie fonctionnelle (lois de réponses aux variables climatiques, organes servant de support physique ou trophique…). Réaliser une typologie de ces constantes et les intégrer dans le modèle de culture STICS nous fournirait ce cadre de travail. Tel est le projet que nous souhaitons mettre en œuvre en collaboration avec des collègues, spécialistes de santé des plantes. Marie Launay & Nadine Brisson AGROCLIM 1 PROPOSITION DE DOCTORAT DANS LE CADRE D’UNE BOURSE CIFRE ACTA - INRA Le travail de thèse reposera sur une approche intégrative des effets du changement climatique sur l’évolution des organismes pathogènes, sur la dynamique du système sol-plante, et sur la modification des pratiques. L’introduction de l’influence de la plante sur le développement du pathogène, en complément de sa réponse microclimatique sera au cœur du travail. 3/ Contexte méthodologique La modélisation du système sol-plante et du microclimat associé sera prise en charge par le modèle de culture STICS (Brisson et al., 2003). Le modèle ARPEGE de Météo France fournira des scénarios de climats futurs à large échelle (Terray et Braconnot, 2007). Ces scénarios seront ensuite régionalisés au moyen de méthodes éprouvées : anomalies (Huard, 2007), corrections variables (Déqué, 2006), régimes de temps (Boe et al., 2007) ; ou d’outils en cours d’élaboration dans notre unité (thèse de C. Flecher). Cet ensemble sera fourni par le biais d’un projet ANR que l’unité coordonne (CLIMATOR : Brisson et al., 2007). La typologie fonctionnelle des organismes pathogènes s’appuiera sur les modèles et les travaux existants comme à l’ACTA, au SPV, à l’INRA (Aubertot et al., 2004) et à l’IRD (Bonato et al., 1999). La mise en équation proposée pour les relations plantepathogène pourra s’inspirer des modèles à retard distribué (Baumgartner et Bonato, 1991, Meikle et al., 2003). Les pathosystèmes que nous considérerons seront choisis de façon à balayer une large de gamme 1) de la sensibilité du pathogène au climat (T°C et/ou humidite) 2) de ses besoins trophiques prélevés sur l'hôte à différents niveaux (feuilles, racines) et 3) de support qu'offre la plante à son développement (tiges, feuilles). La mise en application du cadre générique ainsi constitué se fera sur un sousensemble de pathosystèmes par un paramétrage approprié et des simulations en climat actuel et futur sur l’ensemble de la France. 4/ Eléments du programme de travail Explicitation des hypothèses de travail Dans la chaîne des processus (Fig. 1) allant de l’infestation initiale aux dommages entraînés sur la culture, nous avons choisi de nous intéresser aux déterminants du développement du pathogène en interaction avec son environnement biotique, abiotique et technique. Ces déterminants, dont on considèrera la dynamique journalière, seront simulés par le modèle STICS, lui-même alimenté en scenarios de climats futurs par des méthodes appropriées issue du projet CLIMATOR. L’évolution du pathogène, sous l’effet de ces déterminants, et en interaction avec son hôte, fera l’objet d’un travail de modélisation qui pourra s’appuyer sur les formalismes des modèles à retard distribué. Marie Launay & Nadine Brisson AGROCLIM 2 PROPOSITION DE DOCTORAT DANS LE CADRE D’UNE BOURSE CIFRE ACTA - INRA Dynamique journalière Potentiel initial d’infestation Développement du bioagresseur Déterminisme sous influence de: - microclimat - supports physiques - prélèvements trophiques - ambiance physique du sol Dégâts Dommages Fournis par STICS Figure 1 Le programme de recherche sera basé sur les hypothèses et choix suivants : 1- Le développement du pathogène est supposé déterminé par le microclimat dans le couvert, les prélèvements trophiques sur la plante hôte, le support physique (feuille, tige, racine, etc.) et l’ambiance physique du sol (dans le cas des pathogènes souterrains). 2- On considère l’évolution dynamique du microclimat dans le couvert, de la disponibilité en carbone et en azote dans les organes cibles de la plante hôte, du support physique du pathogène et de l’état physique du sol, sous l’effet des changements climatiques et des techniques culturales (Fig. 2). 3- Pour établir la typologie fonctionnelle, on essaie d’être complet avec des couples plante hôte-pathogène contrastés quant à leur fonctionnement écophysiologique, et pour les cas d’étude, nous retiendrons des cas pour lesquels l’un des facteurs de développement est identifié comme limitant (par exemple microclimat aérien, humidité du sol, feuillage de la plante). Evolution dynamique des déterminants du développement du pathogène Les variables journalières simulées par le modèle de culture STICS (Fig. 2), caractérisent l’évolution du microclimat dans le couvert, du support physique du pathogène, des ressources trophiques (C et N) disponibles pour le pathogène, et de l’ambiance physique du sol. Marie Launay & Nadine Brisson AGROCLIM 3 PROPOSITION DE DOCTORAT DANS LE CADRE D’UNE BOURSE CIFRE ACTA - INRA MICROCLIMAT température de surface, humidité SUPPORTS PHYSIQUES caractérisation selon le type d’organe C C teneur en eau teneur en eau biomasse feuilles vertes et biomasse sénescentes, structurale structurale et nonstructurale répartition profil densité foliaire, hauteur exubérance LAI feuilles bilan hydrique bilan radiatif C N (pérennes) C biomasse non structurale biomasse structurale biomasse non structurale biomasse structurale - profil densité racinaire, profondeur - - - grains/ enveloppes réserves fruits des grains/ non fruits récoltées nature quantité racines organes croissance, développement structure plantation CLIMAT Scénarios climatiques AMBIANCE PHYSIQUE DU SOL température sol, teneur en eau C et N teneur en eau - tiges PRELEVEMENTS TROPHIQUES assimilats disponibles selon le type d’organe irrigation paillage fertilisation (plastique, végétal) albedo texture TECHNIQUES SOL Générateur climatique Figure 2 Ces variables biophysiques sont simulées par STICS de la façon suivante : le modèle accepte en entrée des scénarios climatiques (actuels ou futurs), les itinéraires techniques et les caractéristiques permanentes des sols préalablement définis. Il calcule de façon dynamique l’évolution du bilan hydrique, azoté et carboné dans le système sol-plante, ainsi que le développement et la croissance de la plante en considérant sa biomasse aérienne totale, ses feuilles, tiges, grains (ou fruits), racines et réserves non récoltées (qui selon les espèces peuvent être localisées dans les tiges, les feuilles, les racines, etc…). Le microclimat est caractérisé par la température et l’humidité de l’air dans le couvert, ces variables étant déterminées par le bilan hydrique, le bilan radiatif et l’exubérance du feuillage (via l’indice foliaire LAI). Les supports physiques du pathogène (feuilles ou racines) sont caractérisés par leur répartition (hauteur ou profondeur, et profil de densité). Le modèle simule la quantité d’assimilats disponibles pour les prélèvements du pathogène via la biomasse des différents organes (structurale et/ou non-structurale), ainsi que la nature de ces assimilats (suivant les organes considérés il peut fournir la quantité de carbone et/ou d’azote de ces assimilats, ainsi que la teneur en eau). Enfin, le modèle simule l’évolution de l’ambiance physique du sol, à travers la température du sol et sa teneur en eau. La Figure 2 Marie Launay & Nadine Brisson AGROCLIM 4 PROPOSITION DE DOCTORAT DANS LE CADRE D’UNE BOURSE CIFRE ACTA - INRA ne s’attache à présenter que les entrées (dans le cadre en bas de la Figure 2), les sorties (dans le cadre en haut de la Figure 2) et les relations du modèle (au centre de la Figure 2), qui ont été identifiées comme pertinentes pour notre étude. Nous serons cependant en mesure d’ajouter la prise en compte de nouvelles variables et/ou de modifier les formalismes du modèle lorsque cela apparaîtra pertinent de le faire pour mieux représenter le fonctionnement du système en lien avec le pathogène. Modélisation de la croissance et du développement du pathogène en interaction avec son hôte. Notre approche se veut générique, et le formalisme choisi pour décrire l’évolution du pathogène en relation avec son hôte doit donc pouvoir représenter des couples plante- pathogène très variés. Une approche candidate pourrait être l’approche démographique développée par Gutierrez et Wang (1976) et revue par Baumgartner et Gutierez (1989) : elle permettrait de traiter la démographie du pathogène sous l’influence des déterminants fournis par le modèle STICS, ainsi que de caractériser les interactions avec l’hôte grâce à des formalismes proches de ceux déjà introduits dans le modèle STICS pour traiter des relations trophiques au sein de la plante. 5/ Encadrement et profil recherché Le thésard sera encadré par Marie Launay (ingénieur de recherche, agronome modélisatrice, spécialiste du fonctionnement écophysiologique des agrosystèmes) et Nadine Brisson (directrice de recherche, agronome modélisatrice, spécialiste du fonctionnement abiotique des agrosystèmes et de l’impact du changement climatique sur ces systèmes). Il sera inséré dans l’équipe STICS (3 permanents, 1 thésard, 1 CDD, 2 stagiaires par an) et l’unité AGROCLIM dont les programmes de recherche sont centrés sur l’impact du changement climatique sur les agrosystèmes (13 permanents, 2 thésards, 3 CDD ou post-doctorants, 4à 5 stagiaires par an). Des collaborations spécifiques seront mises en place avec l’ACTA, partenaire de la thèse et spécialiste des modèles épidémiologiques, l’UMR ARCHE de l’INRA de Toulouse et l’UMR UMR Agronomie de l’INRA de Grignon. Un comité de pilotage sera mis en place au bout de 6-8 mois impliquant 5 à 6 personnes aux champs de compétences complémentaires. Le thésard devra avoir suivi une formation d’ingénieur agronome. Contacts : Marie Launay (tel : 04 32 72 23 67 ; mail : [email protected]) Nadine Brisson (tel : 04 32 72 23 83 ; mail : [email protected]) Marie Launay & Nadine Brisson AGROCLIM 5 PROPOSITION DE DOCTORAT DANS LE CADRE D’UNE BOURSE CIFRE ACTA - INRA 6/ Bibliographie citée Aubertot, J.N., Pinochet, X., Dore, T., 2004. The effects of sowing date and nitrogen availability during vegetative stages on Leptosphaeria maculans development on winter oilseed rape. Crop Protection, 23 (7), 635-645. Baumgartner, J., Bonato, O., 1991. Analyse et gestion des agroécosystèmes: Utilisation d’une approche démographique. Schweiz. Landw. Fo., 31 (4), 177-191. Baumgartner, J., Gutierrez, A.P., 1989. Simulation techniques applied to crops and pest models. In: CAVALLORO, R. & DELUCCHI, V. (Eds). Parasitis 88. Proc. Sci. Congr., Barcelona, 25-28 Oct. 1988. Bol. Sanid. Veg., Fuera Ser., 17: 175-214. Boé J. et al. 2007. J. Geophys. Res., in revision. Bonato, O., Schulthess, F., Baumgärtner, J., 1999. Simulation model for maize crop growth based on acquisition and allocation processes for carbohydrate and nitrogen. Ecological modelling, 124, 11-28. Brisson, N., Gary, C., Justes, E., Roche, R., Mary, B., Ripoche, D., Zimmer, D., Sierra, J., Bertuzzi, P., Burger, P., Bussière, F., Cabidoche, Y.M., Cellier, P., Debaeke, P., Gaudillère, J.P., Maraux, F., Seguin, F. B., Sinoquet, H., 2002. An overview of the crop model STICS. European Journal of Agronomy, 18, 309-332. Déqué M., 2006: Climate Research, submitted Gutierrez, A.P., Wang, Y., 1976. Applied population ecology: models for crop production and proceedings series. In: NORTON, G.A. & HOLLING, C.S. (Eds). Pest Manage. IIASA Proc. Ser. 4, Pergamon Press, Oxf., 4: 255-280. Huard, F. 2007. Note techynique Agroclim n°2 Meikle, W.G., Jaronski, S.T., Mercadier, G., Quimby, P.C., 2003. A distributed delay routine-based simulation model of Beauveria bassiana conidial stability in response to environmental stressors. Biocontrol, 48, 561-578. Terray et Braconnot, 2007. Livre Blanc Escrime (INSU-ONERC-IDDRI). Paris, 70 pp. Marie Launay & Nadine Brisson AGROCLIM 6
