La concordance des traits des consommateurs et des ressources pour mieux quantifier l'interaction détrivores - litières : une approche inter-écosystème aquatique et terrestre

Consumers-resources trait-matching to better quantify detritivores-litter interaction : an aquatic and terrestrial inter-ecosystem approach

• Auteur / Autrice : Theo Marchand
• Direction : Benjamin Pey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie fonctionnelle
• Date : Soutenance le 25/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Écologie fonctionnelle et environnement (Toulouse ; 2007-2023)
• Jury : Président / Présidente : Franck Gilbert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Pey, Catherine Fernandez, Christopher Michael Swan, Thibaud Decaens
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Fernandez, Christopher Michael Swan, Thibaud Decaens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie fonctionnelle

Chaînes alimentaires

Biodégradation

Mots clés libres

Concordance des traits

Écologie fonctionnelle

Décomposition

Trait fonctionnel

Forêts

Interactions trophiques

Trait-matching

Functional ecology

Decomposition

Functional trait

Forests

Trophic interactions

Résumé

Les détritivores sont des organismes régulant la décomposition des détritus en les fragmentant, les ingérant et les digérant. Ils influencent les flux de matière et d'énergie au sein des écosystèmes. Les détritivores sont connus pour se nourrir préférentiellement de matière organique de haute qualité, caractérisée par une teneur élevée en macroéléments et une teneur faible en composés réfractaires. Cependant, la grande diversité des détritivores interagit avec une grande diversité de détritus. Cette interaction et ses conséquences sur la décomposition est très variable et difficile à prévoir car elle dépend d'un réseau trophique complexe qui peut être représenté comme la somme d'interactions bipartites. Les règles des interactions bipartites peuvent être identifiées en étudiant les traits fonctionnels qui les sous-tendent. Les traits des deux agents du réseau peuvent agir en interaction, ce qui résulte en une concordance de traits. Dans cette thèse, nous cherchons à mieux comprendre les règles fondamentales de l'interaction entre les macrodétritivores et la litière en (1) identifiant les traits des détritivores et des litières, associés aux contraintes qui régissent la consommation, (2) en testant si la concordance de traits aide à expliquer l'interaction, et (3) en testant si ces règles influencent les détritivores à l'échelle de la communauté. Sous une hypothèse nulle, nous nous attendons à ce que les détritivores soient généralistes et interagissent avec l'ensemble de la litière. Sous l'hypothèse opposée, nous nous attendons à ce que les détritivores soient hyperspécialistes et aient des niches alimentaires restreintes, régies par une forte concordance de traits. Pour mieux comprendre les contraintes et les traits associés, nous avons construit un cadre conceptuel des interactions entre détritivores et litière au niveau individuel (article I). Nous avons identifié 5 contraintes principales : les contraintes spatiales, biomécaniques, digestives, métaboliques et élémentaires. Pour identifier l'importance relative des contraintes et tester si la concordance de traits permet de mieux les expliquer, nous avons réalisé des tests de consommation en laboratoire avec plusieurs espèces de détritivores et plusieurs litières (article II). Les contraintes mécaniques, surtout liées à la résistance de la litière, étaient prédominantes par rapport aux contraintes élémentaires, surtout liées au phosphore. Pour tester si les contraintes mécaniques identifiées régissent l'interaction tout au long du processus de décomposition, nous avons réalisé des tests de consommation en laboratoire avec plusieurs espèces de détritivores et deux espèces de litière selon un gradient de décomposition naturelle (article III). La résistance de la litière avait une influence non linéaire sur le taux de consommation, avec un effet seuil spécifique à chaque espèce de détritivore. Pour tester si les contraintes identifiées dans l'article II entraînaient une concordance chimique entre les détritivores et la litière, nous avons caractérisé les communautés de détritivores du sol dans 12 paires de sites différant par leur litière disponible (article IV). La composition chimique des communautés de détritivores concordait légèrement avec la chimie de la litière locale. En conclusion, nos résultats identifient des règles communes aux écosystèmes aquatiques et terrestres : la résistance de la litière apparait comme un trait majeur influençant la consommation de litière par les macrodétritivores, alors que les contraintes mécaniques sont traditionnellement négligées par rapport aux contraintes élémentaires. De plus, la concordance de traits n'a qu'une faible importance. Les détritivores sont principalement limités par les propriétés de la litière mais ont également des capacités spécifiques à surmonter ces limitations. Les détritivores apparaissent donc comme des consommateurs généralistes avec une tendance à la spécialisation.

Detritivores play fundamental roles in aquatic and terrestrial ecosystems. They are a key component of ''brown'' trophic networks which are based on dead organic matter. They regulate litter decomposition by fragmenting, ingesting, and digesting detritus. They influence matter and energy flux at the ecosystem level. Detritivores are considered to feed preferentially on high-quality litter, characterized by high macroelement content and little refractory compounds. Yet, the great diversity of detritivores interacts with a great diversity of litter items. The interaction, as well as the resulting influence of detritivores on decomposition, is highly variable and remains difficult to predict as it depends on a complex trophic network which can be represented as the sum of multiple bipartite interactions. Rules of bipartite interactions can be understood by studying functional traits driving the interaction. Traits of both interacting agents may act in interaction, resulting in trait-matching. In this thesis we aim to better understand the fundamental rules of the interaction between macrodetritivores and leaf litter through (1) identifying detritivores and litter traits associated with constraints driving consumption, (2) testing if trait-matching better explain the interaction, and (3) testing if these rules shape detritivores at the community level. Under a null hypothesis, we expect detritivores to be generalists and to interact with the full range of litter. Under the opposite hypothesis, we expect detritivores to be hyperspecialists and to have narrow feeding niches ruled by strong trait-matching. To have a comprehensive understanding of the constraints and the associated traits, we built a conceptual framework about detritivore-litter interactions at the individual level (Paper I). We identified 5 main constraints that can influence detritivore-litter interaction, namely spatial, biomechanical, digestive, metabolic, and elemental constraints. To identify the relative importance of constraints and test if trait-matching allows us to better explain these constraints, we performed laboratory consumption tests by feeding a range of detritivore species from aquatic and terrestrial ecosystems with a range of leaf litter (Paper II). We identified mechanical constraints as being predominant over elemental constraints. Litter toughness was an especially important trait in preventing consumption. Elemental constraints were mostly due to constraints in phosphorus element. To test if the identified mechanical constraints rule the interaction throughout the decomposition process, we performed laboratory consumption tests by feeding a range of detritivore species from aquatic and terrestrial ecosystems with 2 leaf litter species under a gradient of natural decomposition (Paper III). We showed that litter toughness has a non-linear influence on the consumption rate, with a detritivore-specific threshold effect. To test if the constraints identified in Paper II result in an elemental match between detritivore communities and leaf litter, we characterized soil detritivore communities in 12 pairs of sites differing by their available litter (Paper IV). Detritivore communities' chemistry weakly matched local litter chemistry. This effect was better explained by changes in detritivore abundances than by changes in detritivore chemistry. To conclude, our results show consistent rules in aquatic and terrestrial ecosystems: litter toughness stands as a major trait influencing litter consumption by macrodetritivores, even though mechanical constraints are traditionally neglected compared to elemental constraints. Plus, trait-matching only has a weak influence. Detritivores are mainly limited by litter properties but also have species-specific capacities to overcome these limitations. Detritivores then appear as generalist consumers with a trend toward specialization.