Diversity vs uniformity˸ mixing ecological and evolutionary approaches to design sustainable cropping systems

Une grande partie de la production alimentaire mondiale repose sur des variétés génétiquement homogènes, c’est-à-dire composées d’un seul génotype. Cependant, les patrons observés dans les écosystèmes naturels suggèrent qu’une diversité génétique plus importante pourrait rendre les agrosystèmes plus durables. Une façon simple d’augmenter la diversité dans les agrosystèmes consiste à cultiver plusieurs variétés d’une même espèce en mélange. A ce jour, cette pratique a fourni des résultats contrastés, et la performance des mélanges variétaux reste difficile à prédire. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre la relation entre la diversité génétique et la performance agronomique à la lumière des théories écologiques et évolutives. Nous combinons des approches expérimentales et théoriques, et nous utilisons le riz (Oryza sativa) et le blé dur (Triticum turgidum ssp. durum) comme espèces modèles. Dans une première expérience en conditions contrôlées, nous montrons que les différences de profondeurs racinaires entre des variétés de riz cultivées en mélange ne génèrent pas une productivité supérieure en mélange, comme cela pourrait être attendu sous l’hypothèse de complémentarité d’utilisation des ressources. Dans une deuxième expérience conduite au champ avec des mélanges de blé dur, nous montrons qu’une description multivariée de la niche écologique des génotypes permet de mieux comprendre les effets de la diversité génétique sur plusieurs composantes de la performance agronomique. Ensuite, nous testons les théories écologiques et évolutives au niveau génomique. Sur la base des données acquises dans les mélanges de blé dur, nous identifions un locus auquel une plus grande diversité allélique est associée à des rendements plus faibles et à une incidence plus forte de la septoriose. Le patron génétique identifié est compatible avec un effet « barbe verte », classiquement décrit en biologie évolutive pour caractériser un gène capable de favoriser sa propre transmission en rendant les individus qui le portent plus coopératifs envers les individus partageant ce même gène. Enfin, nous nous intéressons aux effets temporels de la diversité génétique dans le contexte d’une gestion dynamique de la diversité cultivée. Comme formalisé par le concept de la Tragédie des Communs, les phénotypes les plus compétitifs dans un mélange sont en effet amenés à augmenter en fréquence au fil des générations, entraînant une diminution de la performance du groupe. Nous développons donc un modèle théorique afin d’identifier des méthodes de sélection permettant d’empêcher les variétés les plus compétitives d’augmenter en fréquence. Dans l’ensemble, l’approche interdisciplinaire développée dans cette thèse permet de progresser dans la détection, la compréhension, et la sélection des effets issus des interactions plante-plante, ouvrant ainsi des opportunités stimulantes dans le domaine appliqué et dans le domaine théorique.Most of the worldwide food production is based on genetically homogeneous crop varieties, that is single-genotype varieties. However, the patterns observed in natural ecosystems suggest that higher levels of genetic diversity could increase agricultural sustainability. A straightforward method to increase diversity in agrosystems is to grow varietal mixtures. So far, the results accumulated on varietal mixtures are very contrasted and it remains difficult to predict mixture performance. The aim of the thesis is to better understand the relationship between genetic diversity and agronomic performance in light of ecological and evolutionary theories. We combine experimental and theoretical approaches, using rice (Oryza sativa) and durum wheat (Triticum turgidum ssp. durum) as model species. A first experiment in controlled conditions fails to demonstrate any productivity benefit associated with root depth differences in rice mixtures, contrasting with the pattern expected under the resource-use complementarity theory. In a second experiment conducted in field conditions with durum wheat mixtures, we show that a multivariate description of the niche allows us to capture a significant proportion of the mixing effects on several components of the agronomic performance. Using the same experiment, we show that allelic diversity at a single locus decreases grain yield and increases disease susceptibility in the mixtures. Such a negative effect of allelic diversity is consistent with a “greenbeard” effect, classically described in evolutionary biology to characterize genes which are able to favor their own transmission by making their bearer more cooperative towards individuals who bear the same gene copy. Lastly, we investigate the temporal effects associated with genetic diversity in the context of a dynamic management of diversity. Indeed, as formalized by the Tragedy of the Commons, phenotypes that are more competitive are expected to increase in frequency over generations, thus reducing the whole group performance. We thus develop a theoretical model to identify selection methods that allow us to prevent invasion by competitive phenotypes that lower yield. Overall, the interdisciplinary approach developed in this thesis has provided invaluable insights into the understanding, detection, and selection of the effects that arise from plan-plant interactions, which opens up promising opportunities for tackling both applied issues in agriculture and theoretical issues in ecology and evolutionary biology