Dynamiques écologiques et évolutives du contrôle de la nitrification par les plantes : implications pour la structure et le fonctionnement des écosystèmes à différentes échelles

Ecological and evolutionary dynamics of the control of nitrification by plants : Implications for ecosystem structure and functioning at different scales

• Auteur / Autrice : Alice Ardichvili
• Direction : Sébastien Barot, Nicolas Loeuille, Jean-Christophe Lata
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences écologiques et agronomiques
• Date : Soutenance le 03/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d’écologie et des sciences de l’environnement de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Calcagno
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Koffel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Vincent Calcagno, Sonia Kéfi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écosystèmes

Graminées

Plantes -- Évolution

Cycle de l'azote

Nitrification

Mots clés libres

Dynamiques adaptatives

Cycle de l'azote

Nitrification

Évolution

Adaptive dynamics

Nitrogen cycle

Nitrification

Evolution

Résumé

Certaines plantes, via des exsudats racinaires, peuvent accélérer ou ralentir la transformation de l'ammonium en nitrate (la nitrification) dans les sols. C'est notamment le cas de Poacées de savanes (inhibitrices) ou de poacées invasives en Amérique du Nord (stimulatrices). L'ammonium et le nitrate étant deux formes d'azote inorganique que les plantes peuvent absorber, le contrôle de la nitrification modifie donc les conditions de croissance des plantes. Dans une première partie, j'ai exploré les conséquences écologiques (en terme de dynamiques, productivité et composition des communautés de plantes) du contrôle de la nitrification, en faisant varier la préférence des plantes pour l'ammonium vs. nitrate. L'inhibition de la nitrification couplée à une préférence pour l'ammonium génère une boucle de rétroaction positive responsable de potentiels points de bascule entre un état productif et un état désertique. Dans une seconde partie, j'ai exploré les dynamiques évolutives du contrôle de la nitrification dans un modèle spatialisé. L'inhibition de la nitrification peut évoluer lorsque les plantes sont longévives, et que les pertes en ammonium sont plus faibles que les pertes en nitrate. Dans une dernière partie, j'ai manipulé un modèle théorique simple à deux patchs pour étudier l'impact d'un organisme, qui construit sa niche dans son patch, sur le patch voisin. Le but de cette dernière partie est de mieux cerner les conditions dans lesquelles une plante qui contrôle la transformation de ses ressources aurait un effet facilitateur sur ses voisines. Cette thèse suggère que le contrôle de la nitrification est un trait qui aurait pu fréquemment évoluer chez les plantes. L'importance de ce trait pour le fonctionnement des écosystèmes souligne l'intérêt de le caractériser empiriquement.

Some plants can accelerate or slow down in soil the transformation of ammonium into nitrate (nitrification) via root exudates. This is the case of savanna grasses (inhibitors) or invasive grasses in North America (stimulators). As ammonium and nitrate are two assimilable forms of inorganic nitrogen, this control of nitrification modifies plant growth conditions. In the first part, I explored the ecological consequences (in terms of dynamics, productivity and community composition) of nitrification modulation, by varying plant preference for ammonium vs. nitrate. Inhibition of nitrification and strong preference for ammonium generates a positive feedback loop responsible for potential tipping points between a productive and a desert state. In a second part, I explored the evolutionary dynamics of the control of nitrification in a spatialized model. Inhibition of nitrification can evolve when plants have a sufficiently long life-span, and when ammonium losses are smaller than nitrate losses. I identified some environmental conditions and plant life-history traits which favor the evolution of control of nitrification. In a final section, I manipulated a simple theoretical two-patch model to study the impact of an organism building its niche in its patch, on the neighboring patch. The aim of this final part is to better identify the conditions under which a plant controlling the transformation rate of its two resources would have a facilitating effect on its neighbors. This work suggests that the control of nitrification could have frequently evolved among plants and, due to its major impacts on ecosystem functioning, that further empirical measures should aim at determining this trait.