demande de bourse pre – doctorale

PROPOSITION DE DOCTORAT
DANS LE CADRE D’UNE BOURSE CIFRE
ACTA - INRA
Marie Launay & Nadine Brisson AGROCLIM
1
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.

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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 plante-
pathogène 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 sous-
ensemble 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.

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Potentiel initial
d’infestation
Déterminisme sous
influence de:
- microclimat
- supports physiques
-prélèvements trophiques
- ambiance physique du sol
Développement du
bioagresseur Dégâts Dommages
Dynamique journalière
Fournis
par STICS
Potentiel initial
d’infestation
Déterminisme sous
influence de:
- microclimat
- supports physiques
-prélèvements trophiques
- ambiance physique du sol
Développement du
bioagresseur Dégâts Dommages
Dynamique journalière
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.

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MICROCLIMAT
température de surface,
humidité
SUPPORTS PHYSIQUES
caractérisation selon
le type d’organe
PRELEVEMENTS
TROPHIQUES
assimilats disponibles
selon le type d’organe
AMBIANCE PHYSIQUE
DU SOL
température sol, teneur en eau
C C C et N
teneur en eau teneur en eau teneur en eau
biomasse feuilles
vertes et
sénescentes,
structurale et non-
structurale
biomasse
structurale
biomasse non
structurale
biomasse
structurale
biomasse non
structurale
biomasse
structurale
profil densité
foliaire, hauteur
profil densité
racinaire,
profondeur
LAI - - - - -
C
N (pérennes)
C
feuilles tiges grains/
fruits enveloppes des grains/
fruits
réserves
non
récoltées
racines
exubérance
répartition
quantité
nature
bilan
hydrique bilan radiatif organes croissance, développement
Scénarios
climatiques Générateur climatique
TECHNIQUESCLIMAT SOL
structure
plantation irrigation fertilisation paillage
(plastique, végétal) albedo texture
MICROCLIMAT
température de surface,
humidité
SUPPORTS PHYSIQUES
caractérisation selon
le type d’organe
PRELEVEMENTS
TROPHIQUES
assimilats disponibles
selon le type d’organe
AMBIANCE PHYSIQUE
DU SOL
température sol, teneur en eau
MICROCLIMAT
température de surface,
humidité
SUPPORTS PHYSIQUES
caractérisation selon
le type d’organe
PRELEVEMENTS
TROPHIQUES
assimilats disponibles
selon le type d’organe
AMBIANCE PHYSIQUE
DU SOL
température sol, teneur en eau
C C C et N
teneur en eau teneur en eau teneur en eau
biomasse feuilles
vertes et
sénescentes,
structurale et non-
structurale
biomasse
structurale
biomasse non
structurale
biomasse
structurale
biomasse non
structurale
biomasse
structurale
profil densité
foliaire, hauteur
profil densité
racinaire,
profondeur
LAI - - - - -
C
N (pérennes)
C
feuilles tiges grains/
fruits enveloppes des grains/
fruits
réserves
non
récoltées
racines
exubérance
répartition
quantité
nature
bilan
hydrique bilan radiatif organes croissance, développement
C C C et N
teneur en eau teneur en eau teneur en eau
biomasse feuilles
vertes et
sénescentes,
structurale et non-
structurale
biomasse
structurale
biomasse non
structurale
biomasse
structurale
biomasse non
structurale
biomasse
structurale
profil densité
foliaire, hauteur
profil densité
racinaire,
profondeur
LAI - - - - -
C
N (pérennes)
C
feuilles tiges grains/
fruits enveloppes des grains/
fruits
réserves
non
récoltées
racines
exubérance
répartition
quantité
nature
bilan
hydrique bilan radiatif organes croissance, développement
Scénarios
climatiques Générateur climatique
TECHNIQUESCLIMAT SOL
structure
plantation irrigation fertilisation paillage
(plastique, végétal) albedo texture
TECHNIQUESCLIMAT SOL
structure
plantation irrigation fertilisation paillage
(plastique, végétal) albedo texture
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

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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 : [phone] ; mail : [email protected])
Nadine Brisson (tel : [phone] ; mail : [email protected])