Affectation : UMR CBGP – Montpellier

Date de début : 1er octobre 2022

Résumé du projet de thèse : Cette thèse a pour objectif l’étude des patrons de diversité des coléoptères (diversité spécifique et fonctionnelle) dans les bordures de parcelles le long d’un gradient d’intensification des pratiques agricoles au niveau national en France (financement ANR ; projet AgriBiodiv 2022-2025). La thèse bénéficiera d’un réseau de surveillance déjà existant (réseau 500-ENI, avec plus de 500 parcelles suivies depuis 2012) pour créer une librairie de barcodes moléculaires pour l’application d’une approche de métabarcoding permettant d’identifier les espèces de coléoptères associés aux paysages agricoles et étudier les effets potentiels des pratiques agricoles sur la diversité des coléoptères. Ce projet fait partie d’une ANR plus large qui inclue la diversité de plantes dans les mêmes suivis. Les coléoptères sont un groupe très diversifié au niveau taxonomique et fonctionnel. Cette thèse vise à faire le pont entre l’identification moléculaire à haut débit des communautés (volet méthodologique), la composition des communautés (volet écologie des communautés), et les pratiques agricoles dans les paysages agricoles environnants (volet agronomie). La personne recrutée devra donc combiner des interprétations d’analyses moléculaires avec des analyses statistiques à large échelles en appliquant des connaissances en entomologie, agroécologie, biologie moléculaire et écologie statistique. Le ou la candidat.e devra donc avoir de fortes compétences en statistiques multivariées ainsi que de l’expérience de programmation sous R et en écologie des communautés, et une forte motivation pour se former en entomologie et en analyse de données moléculaires pour pouvoir faire le lien entre caractéristiques écologiques des espèces, gestion agricole et biodiversité à échelle nationale. Cette personne sera co-encadrée par trois chercheurs basés au CBGP (https://www6.montpellier.inra.fr/cbgp/) à Montpellier, travaillant en étroite collaboration sur des approches complémentaires : Christine Meynard (INRAe), Gael Kergoat (INRAe) et Julien Haran (Cirad). Elle ou il bénéficiera d’un vaste réseau de collaborateurs en France, dans le domaine scientifique aussi bien que sur le plan de la gestion agricole. Le CBGP compte également avec d’autres experts taxonomiques, une collection entomologique importante, un plateau de biologie moléculaire, ainsi que des ressources informatiques, et de tous les moyens nécessaires au bon déroulement de ce travail de thèse. Le.a candidat.e devra intégrer un groupe de travail collaboratif et divers ; une attention particulière sera donc portée sur sa capacité à évoluer en groupe sur les principes de base d’inclusion.

Mots clés : barcoding, biovigilance, coléoptères, écologie des communautés, écologie fonctionnelle, metabarcoding, pratiques agricoles.

Contexte : L’impact de l’agriculture sur l’environnement est devenu une préoccupation majeure de notre société dans un contexte de changements globaux et de crise de la biodiversité. Depuis 2008, les différentes versions du plan national « Ecophyto » visent à une réduction de l’usage des produits phytosanitaires (PPP) et à un meilleur suivi post-homologation des produits autorisés, notamment en évaluant leurs effets non-intentionnels (ENI). Outre le développement de populations résistantes, l’utilisation de PPP peut se traduire par des effets négatifs sur des organismes non-cibles des traitements (e.g. oiseaux, insectes auxiliaires ou pollinisateurs) et sur l’environnement voisin des parcelles. A ce titre, la flore et faune des bordures herbacées des champs agricoles constitue un bon modèle d’étude. Il s’agit du milieu semi-naturel le plus immédiatement en contact avec les parcelles et le plus susceptible d’être impacté par les pratiques agricoles. La végétation des bordures de champs joue un rôle fonctionnel important dans l’agrosystème, une zone refuge pour de nombreux organismes et elle est à la base du réseau trophique (Marshall & Moonen 2002). Les coléoptères jouent également un rôle important dans les agroécosystèmes, comme auxiliaires potentiels (e.g. cantharides, coccinelles), ravageurs (e.g. charançons, chrysomèles) ou espèce floricoles (e.g. mordellides, oedemerides). Malgré leur importance, les coléoptères sont rarement identifiés à l’espèce en raison d’un manque de compétences taxonomiques, ce qui limite notre compréhension des mécanismes qui structurent la biodiversité dans différents groupes. Dans le cadre des suivis dans le réseau 500 ENI par exemple, les coléoptères sont classés dans 14 catégories de morphogroupes par des observateurs avec des compétences variées en entomologie, et nous n’avons pas une bonne compréhension des liens entre la diversité et abondance des groupes suivis par rapport à la richesse spécifique et/ou la diversité fonctionnelle des coléoptères présents. Dans le cadre de ce projet nous souhaitons fiabiliser et accélérer les identifications des communautés de coléoptères au moyen d’approches reposant sur des barcodes moléculaires adossés à une base de données de référence fiable et validée par des spécialistes.
La structure et la composition des communautés des bordures de champs dépendent aussi bien des pratiques agricoles de la parcelle voisine que de la nature des habitats voisins (Aavik & Liira 2010). Une dérive de produits herbicides peut affecter la reproduction ou la survie de certaines espèces végétales, ainsi que des animaux qui en dépendent (Pellissier et al. 2014; Bohnenblust et al. 2016). D’autres pratiques peuvent avoir une influence, comme la fertilisation, qui peut augmenter la quantité de ressources disponibles par ruissellement, ou un labour débordant à l’extérieur de la parcelle. La végétation des bords de champs dépend aussi de la gestion directe dont elle peut faire l’objet (fauches) et d’une dynamique interne (compétition interspécifique), ce qui impacte à son tour les organismes qui en dépendent. Enfin, un paysage diversifié avec une part importante d’habitats semi-naturels peut faciliter la recolonisation des bordures par une dynamique source-puits.
La capacité à identifier des ENI de PPP sur les coléoptères nécessite donc de mieux comprendre le rôle respectif des processus écologiques (compétition, dispersion depuis les milieux voisins et filtres environnementaux à diverses échelles), des pratiques agricoles, et de leurs interactions sur la dynamique des communautés des bords de champs. Depuis 2012, le Ministère de l’Agriculture (DGAL) a mis en place un réseau de 500 parcelles (dit réseau « 500 ENI ») couvrant la France métropolitaine. L’enregistrement de toutes les pratiques agricoles et des conditions environnementales et paysagères doit permettre de mesurer des ENI sur quatre taxons indicateurs de biodiversité : les vers de terre, les oiseaux, les coléoptères et la flore des bordures de champs. Ce sujet de thèse utilisera ce jeu de données pour analyser l’effet des pratiques agricoles sur l’abondance et diversité de coléoptères.

Objectifs :
Les objectifs scientifiques sont d’identifier la nature et le poids relatifs des différents déterminants agricoles et écologiques qui régissent l’assemblage des communautés de coléoptères des bordures de champs, avec pour objectif plus particulier d’isoler les effets non-intentionnels des pratiques agricoles. Pour ce faire, nous utiliserons une statistique spatiale à large échelle qui cherchera à contrôler les effets climatiques pour mieux comprendre les effets des pratiques agricoles locales. Dans le contexte de cette thèse, nous aurons occasion de (1) implémenter une stratégie de suivi à base d’identification moléculaire à l’échelle nationale ; (2) contraster les liens de diversité et abondances des 14 morphotypes de coléoptères suivis dans le réseau 500 ENI par rapport à leur richesse spécifique et diversité fonctionnelle déduite de l’approche par métabarcoding ; et (3) relier les patrons de diversités taxonomique et fonctionnelle des coléoptères avec les pratiques agricoles au niveau national.
Les enjeux pratiques sont de développer des outils d’analyses et des indicateurs écologiques robustes et fiables pour un suivi à long-terme des effets non-intentionnels sur les coléoptères à l’échelle du territoire (Alignier et al. 2018). Ceci permettra également de mieux comprendre et d’utiliser les régulations biologiques dans un contexte de gestion d’agroécosystèmes.

Avancées attendues par rapport à l’état de l’art :
S’il existe un certain nombre d’études éco-toxicologiques expérimentales mesurant l’effet d’une matière active sur quelques espèces modèles, elles restent localisées, et leur portée est réduite (Bohnenblust et al. 2016). A l’inverse, si des réseaux de suivi de la biodiversité à grande échelle se mettent en place dans les agrosystèmes (e.g. Observatoire Agricole de la Biodiversité) ils n’ont pas accès aux pratiques agricoles. Le réseau 500 ENI est inédit en Europe en ce qu’il permet pour la première fois de combiner la mesure des effets des pratiques agricoles sur une large gamme d’espèces et sur un large territoire, en conditions réelles.
D’un point de vue fondamental, le projet de thèse permettra d’appliquer une stratégie de métabarcoding dans un contexte de biovigilance à l’échelle nationale pour élucider le poids respectif des processus écologiques (compétition, dispersion, filtres environnementaux à large échelle, stochasticité), des pratiques agricoles, et de leurs interactions sur la composition et la diversité des communautés des bords de champs. Cet effort permettra de mieux comprendre les liens entre diversité et pratiques agricoles pour un groupe (les coléoptères) qui est souvent mal représenté dans les études de ce type. Enfin l’analyses des données moléculaires devrait permettre de mettre en avant des complexes d’espèces dans des groupes d’intérêt, pour lesquels il sera possible d’approfondir nos connaissances au moyen d’approches intégratives et itératives (e.g. analyses génétiques multi-marqueurs, taxonomie intégrative ; voir par exemple Haran et al. 2020 ; Le Ru et al. 2020).

Plan de travail :
Le travail se déroulera sur trois étapes :
(1) Affiner le pouvoir résolutif des analyses de communauté par métabarcoding par la complétion d’une base de données de ‘barcode’ des coléoptères des parcelles agricoles de France métropolitaine.
(2) Relier les sorties des analyses de métabarcoding avec la composition des communautés et les 14 morphogroupes identifiés dans le réseau 500 ENI, et compléter une base de données sur certains traits fonctionnels des coléoptères retrouvés dans le réseau (e.g. habitat, régime alimentaire, taille corporelle, etc) pour caractériser la diversité fonctionnelle de ces communautés ;
(3) Relier les patrons de diversités taxonomique, fonctionnelle et des morphotypes des coléoptères avec les pratiques agricoles au niveau national

Matériel et méthodes :
Le projet de thèse reposera sur un jeux de données national, le réseau 500 ENI (Andrade et al. 2020). Au niveau national, le réseau 500 ENI assure le suivi de 500 parcelles agricoles (350 grandes cultures, 100 vignes, 50 cultures maraîchères). Un certain nombre de données sur les pratiques agricoles des parcelles adjacentes sont enregistrées chaque année (gestion du sol, de la bordure, utilisation de produits phytosanitaires, rotations de culture, etc). Dans chaque bordure, les coléoptères sont échantillonnés dans la même bordure que la flore avec la méthode du filet-fauchoir sur trois passages chaque année au printemps. Ils sont identifiés au niveau de 14 groupes fonctionnels qui correspondent aux 13 principales familles de coléoptères plus un groupe mixte. Les données sont donc disponibles au niveau famille/groupe fonctionnel pour les coléoptères annuellement depuis 2012. De plus, dans le contexte de ce projet, à peu près la moitié des sites nous envoient leurs échantillons de coléoptères pour identification et séquençage depuis 2021. Ce travail est en cours, mais permettra d’obtenir la composition des communautés de coléoptères au niveau espèce à travers un travail de métabarcoding. Pour ce dernier une base de données de référence sera progressivement mise en place pour les coléoptères de France. Les données de séquençage seront générées au moyen d’approches de séquençage haut-débit, et l’étudiant.e sélectionné.e participera au traitement et à l’analyse des données ainsi générées. Ceci nous permettra de relier les données par morphotype disponibles à travers le réseau 500 ENI avec des indices de diversité spécifiques et fonctionnels calculés sur la base des identifications moléculaires. Cette comparaison est fondamentale pour évaluer l’utilité et pertinence du réseau de biovigilance mis en place, et permettra également d’évaluer la valeur ajoutée de mettre un place une stratégie d’identification à haut débit.
Ces données seront aussi analysées en utilisant des approches complémentaires pour étudier les liens entre pratiques agricoles et biodiversité. Nous aborderons des analyses de métacommunautés basée sur les co-occurrences des espèces, des analyse de régressions partielles combinée avec l’analyse de la structure spatiale pour séparer le rôle de l’environnement (incluant climat, sol et pratiques agricoles), la dispersion, et leur interaction (Meynard et al. 2013; Moritz et al. 2013; Henckel et al. 2019), et l’application des analyses antérieures par groupe fonctionnel de coléoptère et/ou en incluant des indices de diversité fonctionnelle. Nous utiliserons ces approches pour identifier des traits associés à la vulnérabilité des espèces en milieu agricole, et pour essayer de comprendre au mieux le rôle des traits fonctionnels sur la composition des communautés le long de ce gradient naturel-cultivé (voir par ex. Fried et al. 2018).

Collaborations nationales ou internationales sur le sujet : le ou la doctorant.e pourra interagir au sein du GTP STEP 500 ENI qui réunit des biostatisticiens, des agronomes et des écologues de l’INRAE, du MNHN et des universités, ainsi qu’avec le GDR Biostatistique au niveau national. L’étudiant ou étudiante sera par ailleurs encouragé.e fortement à solliciter le réseau de collaborations élargi des partenaires, qui inclue des experts en agroécologie, en biologie moléculaire, en entomologie, ainsi que des experts en analyses multivariées et/ou métacommunautés.

Candidatures
Envoyez votre CV, lettre de motivation, relevés de notes de M1 et M2, ainsi que le nom et adresse courriel de trois personnes pouvant servir de référence, avant le 15 juillet 2022 à christine.meynard@inrae.fr en indiquant en objet « candidature thèse doctorale ». Les dossiers de candidature reçus après le 15 juillet seront considérés à mesure de leur réception si la position n’est pas encore pourvue.

Références
Aavik, T. and Liira, J. 2010. Quantifying the effect of organic farming, field boundary type and landscape structure on the vegetation of field boundaries. – Agric. Ecosyst. Environ. 135: 178–186.
Alignier, A. et al. 2018. Ecobordure: A flora-based indicator to assess vegetation patterns of field margins and infer its local drivers. Design in Brittany (France). – Ecol. Indic. 85: 832–840.
Andrade, C. et al. 2020. A real-world implementation of a nationwide, long-term monitoring program to assess the impact of agrochemicals and agricultural practices on biodiversity. – Ecol. Evol.: ece3.6459.
Bohnenblust, E. W. et al. 2016. Effects of the Herbicide Dicamba on Nontarget Plants and Pollinator Visitation. – Environ. Toxicol. Chem. 35: 144–151.
Fried, G. et al. 2018. Assessing non-intended effects of farming practices on field margin vegetation with a functional approach. – Agric. Ecosyst. Environ. 261: 33–44.
Haran, J. et al. 2020. Description of five new species in the genus Phlyctinus Schoenherr (Coleoptera, Curculionidae): a first step in deciphering the P. callosus complex. – Eur. J. Taxon. 669.
Henckel, L. et al. 2019. On the relative importance of space and environment in farmland bird community assembly. – Plos One 14: e0213360.
Le Ru, B., et al.  2020. Toward an understanding of the systematics and evolution of the genus Acrapex Hampson, 1894 (Lepidoptera, Noctuidae, Apameini, Sesamiina): molecular phylogenetics of the genus and review of the species-rich Acrapex aenigma (Folder & Rogenhofer, 1874) group. – Ann. Soc. entomol. Fr. 56: 29–91.
Marshall, E. J. R. and Moonen, A. C. 2002. Field margins in northern Europe: their functions and interactions with agriculture. – Agric. Ecosyst. Environ. 89: 5–21.
Meynard, C. N. et al. 2013. Disentangling the drivers of metacommunity structure across spatial scales. – J. Biogeogr. 40: 1560–1571.
Moritz, C. et al. 2013. Disentangling the role of connectivity, the environment, and spatial structure in a marine metacommunity. – Oikos 122: 1401–1410.
Pellissier, L. et al. 2014. Herbicide and fertilizers promote analogous phylogenetic responses but opposite functional responses in plant communities. – Environ. Res. Lett. 9: 024016.

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