Le signal RMN de relaxation transversale de la feuille de colza permet de révéler la mise en place des changements structuraux et de distribution de l’eau dans le mésophylle au cours du développement foliaire. A la transition puits-sources, ces modifications sont susceptibles d’altérer la réponse adaptative au stress hydrique. L’objectif de la thèse était d’interpréter les variations du signal RMN et de comprendre l’effet de ces changements sur la régulation des flux d'eau en réponse à la sécheresse. En combinant des approches de relaxométrie RMN, diffusiométrie, IRM, physiologie, microscopie et multi-omiques, il a été possible de caractériser les structures cellulaires, les solutés impliqués dans l’ajustement osmotique, les relations hydriques à l’échelle des tissus ou de l’ensemble du limbe sur des plantes de colza en conditions hydrique optimales, stressées ou réhydratées. Les résultats obtenus ont montré le rôle de la plasticité structurelle et métabolique dans la réponse adaptative des feuilles. L’imagerie IRM a révélé l’hétérogénéité des structures et de l’état hydrique à l’échelle du limbe, tandis que les résultats de la mesure du coefficient d’autodiffusion vacuolaire soutiennent un accroissement de la teneur en eau dans les vacuoles des cellules du parenchyme palissadique à la transition puits-source et sa diminution en réponse au stress hydrique. Ces résultats pourront alimenter les modèles existants sur le fonctionnement hydraulique foliaire.

La sélection de la plante hôte pour l'alimentation dépend de la stratégie nutritionnelle de l'insecte. Identifier les facteurs qui déterminent ces stratégies est une question fondamentale pour comprendre les interactions plantes-insectes, mais est aussi d'un intérêt pour la recherche appliquée visant à améliorer la résistance des cultures. Nous avons combiné des approches de l'écologie nutritionnelle et chimique et de la génétique quantitative pour élucider les déterminants de la stratégie nutritionnelle du méligèthe, un ravageur majeur du colza. Nos résultats suggèrent que, bien que les méligèthes soient généralistes, ils semblent s’être spécialisés sur le contenu en macronutriments et métabolites des fleurs ouvertes du colza, leur principale ressource. Dans ce contexte, nous avons cherché à comprendre les bases du rejet connu de la moutarde blanche par le méligèthe, qui pourraient avoir des applications agronomiques prometteuses pour protéger les cultures de colza. Nous avons montré que le contenu en macronutriments du pollen n'explique pas ce rejet, contrairement aux métabolites du périanthe des boutons floraux. Nous avons identifié les premiers déterminants génétiques de la résistance de la moutarde blanche, avec l'identification de trois QTL de résistance. Le pyramidage de multiples gènes souhaitables et de traits de résistance chimiques, tel qu'il peut être envisagé à partir de ce travail, offre des perspectives prometteuses pour les programmes de sélection visant à introduire des résistances durables de la moutarde blanche dans les cultivars de colza. Dans l'ensemble, ce travail met en évidence la nécessité d'intégrer des approches provenant de différents domaines de recherche afin d'élucider les pressions de sélection qui influencent le choix de la ressource par les insectes. Comme nous l'avons démontré ici, cette intégration est d’intérêt à la fois pour une meilleure compréhension des processus de sélection des plantes-hôtes et pour le développement de programmes durables de protection des cultures.

Chez les insectes phytophages, la nature des signaux à l’origine de la reconnaissance d’un hôte est largement décrite dans la littérature, contrairement à leur implication dans les préférences inter- et intraspécifiques. Nous avons étudié les signaux impliqués dans la reconnaissance et l’acceptation de trois espèces (Brassica rapa, B. oleracea et Sinapis alba) et populations de Brassicaceae hôtes par les femelles et les larves de la mouche du chou (Delia radicum). Les composés volatils ubiquistes émis par la partie aérienne de la plante semblent être impliqués dans la discrimination interspécifique. Nous avons également montré que selon leur combinaison, ils agissent indépendamment sur des comportements pré- et post-atterrissage des femelles. De plus, les composés de surface foliaire ne semblent pas être un signal de reconnaissance commun à tous les hôtes de la gamme, et sont impliqués dans les préférences intraspécifiques seulement chez B. rapa. Enfin, nous avons montré que les choix effectués par les femelles ne sont pas toujours corrélés avec la performance de leurs larves, qui peuvent rejeter, sur la base des composés racinaires, l’hôte préféré par les femelles mais seulement à l’échelle intraspécifique chez S. alba. L’ensemble de ces résultats mettent en lumière la grande complexité de la nature et des effets des signaux qui sont impliqués dans les préférences de l’hôte, en soulignant la nécessité d’intégrer une certaine diversité végétale dans les études sur les interactions entre les plantes et les insectes phytophages.

La pourriture racinaire précoce du pois, due à l’oomycète Aphanomyces euteiches, est une maladie majeure du pois en France et dans le monde. Cette thèse a visé à évaluer la diversité génétique et phénotypique des populations françaises d’A. euteiches vis-à-vis de légumineuses cultivées et de QTL de résistance chez le pois, en vue de contribuer au développement de connaissances pour l’étude de la durabilité de la résistance partielle du pois à A. euteiches. Afin d’étudier la diversité génétique des populations d’A. euteiches, des marqueurs microsatellites ont été développés, parmi lesquels 14 marqueurs hautement polymorphes ont été identifiés. Le génotypage de 94 isolats a montré une diversité génétique entre des populations américaines et françaises, confirmant le pouvoir discriminant de ses marqueurs. L’analyse génétique d’une collection de 205 isolats français a mis en évidence une faible structuration des populations et un faible niveau de diversité génétique. De plus, l’analyse phénotypique de 34 de ces isolats français sur une gamme de 8 génotypes de 4 légumineuses hôtes a montré que la plupart des isolats était virulent sur pois, fèverole, luzerne et vesce et présentait un niveau élevé et peu diversifié d’agressivité sur pois. Enfin, le niveau d’agressivité de 43 isolats français vis-à-vis de 8 NILs de pois porteuses de QTL de résistance a été étudié. Les résultats ont identifié 3 groupes d’isolats présentant une variabilité d’agressivité et 3 groupes de NILs avec des spectres d’efficacité plus ou moins larges sur les isolats d’A. euteiches étudiés. Cette thèse ouvre de nouvelles perspectives pour mieux connaître la diversité génomique des populations d’A. euteiches et le rôle de la plante comme « driver » d’évolution des populations de l’agent pathogène.

Les WSCPII, spécifiques des Brassicaceae, sont des protéines hydrosolubles non-photosynthétiques, qui peuvent se lier aux chlorophylles (Chls). Ces protéines font partie des inhibiteurs de protéases (IP) de type Kunitz et certaines sont surexprimées en réponse à des contraintes abiotiques. L’existence de telles protéines avec une double fonctionnalité de liaison aux Chls et/ou IP reste un sujet à débat et leurs rôles dans les processus physiologiques sont à ce jour très peu documentés. L’objectif de cette thèse est d’apporter des connaissances nouvelles sur ces protéines particulières par leur caractérisation fonctionnelle. Nous avons montré que BnD22, WSCPII majeure foliaire de colza, est une protéine bifonctionnelle capable d’inhiber les Cys protéases et de se lier aux Chls avec une affinité pour la Chla. Ces deux fonctions peuvent être simultanées avec un pouvoir d’inhibition accru lorsque les protéines sont complexées aux Chls. De plus, BnD22 n’est pas localisée dans le chloroplaste mais dans le réticulum endoplasmique et la vacuole. Par ailleurs, nos études phylogénétiques ont révélé chez le colza l’existence d’une famille multigénique divisée en groupes distincts en fonction de leur capacité ou non à se lier aux Chls. La présence des multicopies s’expliqueraient par des profils d'expression différents selon les organes et les stades de développement, et des propriétés fonctionnelles diverses ou redondantes. L’ensemble de ces travaux a permis de valider la diversité fonctionnelle naturelle (IP et/ou liaison aux Chls) des WSCPII du colza ce qui permettra à l’avenir de mieux appréhender les propriétés fonctionnelles des WSCPII et de comprendre leurs rôles physiologiques.

Les associations symbiotiques entre un hôte eucaryote et un ou plusieurs partenaires microbiens sont ubiquistes. La symbiose est souvent associée à la modification de nombreux phénotypes de l’espèce hôte, on parle alors de phénotypes étendus. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre en quoi les phénotypes étendus et en particulier la modification des comportements engendrés par les symbiotes microbiens peuvent influencer les interactions biotiques des insectes-hôtes. Plus particulièrement, nous nous sommes intéressés à l’incidence des bactéries symbiotiques facultatives d’un insecte phytophage, le puceron du pois Acyrthosiphon pisum, sur ses relations avec sa plante hôte et un de ses ennemis naturels principaux, le parasitoïde Aphidius ervi. Nos études menées sur des lignées de pucerons différant par leur composition symbiotique suggèrent une influence limitée de Hamiltonella defensa et de Regiella insecticola sur les comportements d’exploration et de choix lors des interactions entre les pucerons et leur plante hôte. En revanche, nos résultats montrent que les microorganismes symbiotiques jouent un rôle important dans les relations puceron-ennemi naturel. Les pucerons infectés par H. defensa présentent généralement moins de comportements de défense, alors que le phénotype de protection et les coûts associés au symbiote varient d’une espèce et d’une souche à l’autre. Ces différents travaux montrent que l’incidence des symbiotes sur les comportements est très variable et dépend de l’association hôte-symbiote considérée. Ce travail de thèse permet de mieux appréhender les forces évolutives impliquées dans la dynamique des symbiotes dans les populations d’hôte et apporte de nouveaux éclairages sur le rôle des microorganismes symbiotiques dans l’écologie et l’évolution des espèces hôtes.

Ces travaux de thèse reposent sur le double objectif de proposer des approches innovantes pour l’étude des relations entre un hôte et son microbiote, et de les appliquer à la description fine de l’holobionte du puceron du pois par des données métagénomiques. Les relations symbiotiques façonnent le fonctionnement et l’évolution de tous les organismes, mais restent décrites de manière imparfaite, notamment à cause de la difficulté à caractériser la diversité génomique des partenaires microbiens constitutifs des holobiontes. L’essor des technologies de séquençage métagénomique révolutionne l’étude de ces systèmes, mais pose également des problèmes méthodologiques pour analyser les jeux de données métagénomiques. La métagénomique est ici appliquée au puceron du pois, un modèle d’étude des relations symbiotiques qui abrite une communauté bactérienne d’une complexité modérée, idéale pour développer de nouvelles approches de caractérisation de la diversité microbienne. Cette thèse vise à mieux décrire la communauté de symbiotes qu’abrite cet holobionte, notamment en distinguant les différents niveaux de variabilité génomique en son sein. Nous présentons une démarche pour l’analyse métagénomique d’holobiontes, qui repose d’abord sur l’assignation taxonomiques des lectures par alignement à des génomes de référence ou préalablement assemblés, puis sur la recherche de variants génomiques. L’étude de génotypes complets de symbiotes permet de retracer l’histoire évolutive des relations hôte-microbiote avec une résolution élevée. Chez le puceron du pois, nous mettons en évidence des niveaux et structures de diversité génomique différents selon les symbiotes, que nous proposons d’expliquer par les modalités de transmission ou l’histoire évolutive propre à chacun des partenaires microbiens. Cette approche repose sur la disponibilité d’un génome de référence adapté, qui est souvent difficile à obtenir en métagénomique. Dans un second temps, nous présentons donc une méthode d’assemblage guidé par référence en contexte métagénomique. Cette méthode se déroule en deux temps : le recrutement et l’assemblage de lectures par alignement sur un génome de référence distant, puis l’assemblage de novo ciblé des régions manquantes, permis par des développements complémentaires apportés au logiciel MindTheGap. Comparativement à un assembleur métagénomique, cette méthode permet l’assemblage d’un seul génome en un temps réduit, et permet de détecter d’éventuels variants structuraux sur le génome ciblé. Appliqué au puceron du pois, MindTheGap a réalisé l’assemblage du symbiote obligatoire Buchnera en un seul contig, et a permis d’identifier différents variants structuraux du bactériophage APSE. Ces travaux ouvrent la voie à la fois à une caractérisation plus précise des relations hôte-microbiote chez le puceron du pois par des approches fonctionnelles et métaboliques, ainsi qu’à l’application des outils présentés à des systèmes plus complexes.

Les symbiotes d'insectes peuvent considérablement influencer leurs hôtes de diverses manières. Nous avons étudié ici la communauté de microbes de la mouche du chou (Delia radicum) et plus particulièrement le rôle de son microbiote intestinal et de Wolbachia, une bactérie intracellulaire. La transmission verticale et maternelle de Wolbachia était de 100% et nous n’avons trouvé aucune preuve de manipulation de la reproduction telles que l’incompatibilité cytoplasmique, la parthénogenèse thélytoque, la féminisation ou la dégénérescence des embryons mâles. Les effets de Wolbachia sur D. radicum étaient significatifs mais modérés, et se compensaient mutuellement (réduction du taux d’éclosion, meilleure survie larvo-nymphale, temps de développement plus long et augmentation de la mortalité des femelles en conditions de stress), ce qui suggère une infection quasi neutre chez cette espèce, même si nous avons observé une augmentation de la fréquence d’infection en conditions idéales. L'influence du microbiote intestinal a été étudiée en utilisant un antibiotique, la tétracycline, avec un protocole sur trois générations, ce qui a permis de discerner l’effet direct (toxique) de la tétracycline de ses effets indirects (perte de symbiotes) sur l’hôte. Le traitement antibiotique de D. radicum a eu de multiples effets, généralement négatifs, sur les traits d’histoire de vie des descendants, ces effets pouvant être détectés jusqu'à deux générations après le traitement. La perturbation du microbiote intestinal semble avoir un rôle plus important qu'un simple effet toxique de la tétracycline elle-même. De plus, l’étude suggère que le microbiote semble avoir un rôle bénéfique chez cette espèce, et qu’il est au moins partiellement hérité de la mère. Pour finir, nous avons étudié si Wolbachia pouvait modifier le dialogue plante-insecte entre D. radicum et l’une de ses plantes-hôtes, le colza (Brassica napus). La présence du symbiote a diminué les concentrations de glucosinolates dans les feuilles, ce qui suggère que Wolbachia pourrait améliorer la fitness de son hôte en diminuant les signaux chimiques de la plante pouvant être utilisés par les conspécifiques et/ou ennemis naturels de D. radicum. Cette étude a montré le potentiel d'une bactérie intracellulaire à influencer les relations plantes-insectes et a permis de discuter des interactions tri-trophiques entre les symbiotes, leurs insectes-hôtes et un troisième niveau trophique : la plante. Cette thèse démontre qu'il est maintenant nécessaire de prendre en compte les symbiotes dans de prochaines études, afin de mieux comprendre les relations possibles entre différents partenaires, ainsi que leurs implications écologiques ou évolutives.

Une alternative prometteuse à la lutte chimique pour la régulation des ravageurs de culture consiste à favoriser les populations de leurs prédateurs en jouant sur la structure du paysage agricole. L'identification de structures spatio-temporelles favorables aux ennemis naturels peut se faire par l'exploration de scénarios paysagers via une modélisation couplée de paysages et de dynamiques de population. Dans cette approche, les dynamiques de populations sont simulées sur des paysages virtuels aux propriétés structurales contrôlées, et l'observation des motifs de populations associés permet l'identification de structures favorables. La modélisation des dynamiques de populations repose cependant sur une connaissance fine des processus écologiques et de leur variabilité entre les différentes unités du paysage. L'état actuel des connaissances sur les mécanismes écologiques régissant les dynamiques des ennemis naturels de la famille des carabidés demeure l'obstacle majeur à la recherche in silico de scénarios paysagers favorables. La littérature sur les liens entre motifs de population de carabes et variables paysagères permet de formuler un ensemble d'hypothèses en compétition sur ces mécanismes. Réduire le nombre de ces hypothèses en analysant les convergences entre les motifs de population qui leur sont associés, et étudier la stabilité de ces convergences le long d'un gradient paysager apparaît comme une première étape nécessaire vers l'amélioration de la connaissance sur les processus écologiques. Dans une première partie, nous proposons une heuristique méthodologique basée sur la simulation de modèles de réaction-diffusion porteurs de ces hypothèses en compétition. L'étude des motifs de population a permis d'effectuer une typologie des modèles en fonction de leur réponse à une variable paysagère, via un algorithme de classification, réduisant ainsi le nombre d’hypothèses en compétition. La sélection de l'hypothèse la plus plausible parmi cet ensemble irréductible doit s'effectuer sur la base d'une observation des motifs de population sur le terrain. Cela implique que ces derniers soient caractérisés à des résolutions spatiales et temporelles suffisantes pour sélectionner une unique hypothèse parmi celles en compétition. Dans la deuxième partie, nous proposons une heuristique méthodologique permettant de déterminer a priori des stratégies d'échantillonnage maximisant la robustesse de la sélection d'hypothèses écologiques. Dans un premier temps, la simulation de modèles de réaction-diffusion représentatifs des hypothèses écologiques en compétition permet de générer des données biologiques virtuelles en tout point de l'espace et du temps. Ces données biologiques sont ensuite échantillonnées suivant des protocoles différant dans l'effort total d'échantillonnage, le nombre de dates, le nombre de points par unité d'espace et le nombre de réplicats de paysages. Les motifs des populations sont caractérisés à partir de ces échantillons. Le potentiel des stratégies d'échantillonnage est évalué via un algorithme de classification qui classe les modèles biologiques selon les motifs de population associés. L'analyse des performances de classification, i.e. la capacité de l'algorithme à discriminer les processus écologiques, permet de sélectionner un protocole d'échantillonnage optimal. Nous montrons également que la manière de distribuer l'effort d'échantillonnage entre ses composantes spatiales et temporelles est un levier majeur sur l'inférence des processus écologiques. La réduction du nombre d'hypothèses en compétition et l'aide à l'échantillonnage pour la sélection de modèles répondent à un besoin fort dans le processus d'acquisition de connaissances écologiques pour l'exploration in silico de scénarios paysagers favorisant des services écosystémiques. Nous discutons dans une dernière partie des implications de nos travaux et de leurs perspectives d'amélioration.

Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés à l’influence des conditions locales et paysagères sur la structuration des communautés d’arthropodes en agroécosystèmes, ceci grâce à un dispositif de suivi situé en Ille-et-Vilaine (Bretagne, France), et comprenant des parcelles conduites en agriculture biologique et conventionnelle spatialement appariées. Notre première étude a mis en évidence que l’hétérogénéité paysagère, parfois en interaction avec le système local de culture, conditionne la diversité et l’abondance des groupes trophiques, à la fois pour les arthropodes au sol comme pour ceux de la végétation. Dans un second temps, nous avons pu montrer l’importance du contexte paysager dans la structuration des assemblages d’arthropodes prédateurs, et émis l’hypothèse que les mécanismes déterminant la distribution des espèces diffèrent fortement entre araignées et carabiques. Enfin, il est apparu la nécessité de distinguer les individus résidents (émergeants) des individus mobiles (circulants) lorsque l’on s’intéresse au rôle différentiel des facteurs locaux vs. paysagers dans la structuration des communautés de carabiques. D’une façon générale, nos résultats montrent donc une influence importante et positive de l’agriculture biologique sur les populations, assemblages d’espèces et communautés d’arthropodes, que ce soit à des échelles locales et paysagères comme en interaction avec d’autres variables paysagères. Nous avons également montré la pertinence de l’utilisation de différents niveaux d’organisation et variables réponses associées pour évaluer finement la structure et le fonctionnement de communautés d’Arthropodes en agroécosystèmes.