Characterization of pulses functional diversity for the design of sustainable agro-ecosystems under low-input conditions - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2020

Characterization of pulses functional diversity for the design of sustainable agro-ecosystems under low-input conditions

Caractérisation de la diversité fonctionnelle des légumineuses à graines pour la conception d'agro-écosystèmes durable en condition bas intrants

Abstract

Pulses are generally recognized for their multiple nutritional and environmental benefits. However, most legume species can be defined as orphan crops. This underlines the lack of knowledge on legume diversity and the importance of studying this diversity and elucidating how it supports the functioning of agro-ecosystems. Functional trait approach could guide the inclusion of pulses into agro-ecosystems to provide one or more services. This work aimed at synthetizing current knowledge on the functional diversity of cultivated pulses at the interspecific level as well as producing new insights on the relationships between pulses functional trait variation and agro-ecosystems functioning. We focused on agro-ecosystem properties hypothesized to be good indicators of three specific agro-ecosystem services related to food provision in low-input systems: yield under dry conditions, nitrogen (N) fixation, and competitiveness toward weeds. We combined concepts and methods from functional ecology, crop physiology and agronomy. We applied multivariate statistical methods to data collected from the literature and to data collected from an original field experiment to explore traits-agro-ecosystem properties relationships under multiple environments (literature data) or optimal environmental conditions (field experiment). A controlled experiment in pots allowed to assess the effect of water deficit on key processes such as transpiration and biological N fixation. Our results highlighted covariation patterns and trade-offs between agro-ecological properties supported by different pulses species. Pulses diversity was also described through functional traits and indicated leaf traits as key drivers of inter- and intra-species variability. Nitrogen content of plant organ and seeds traits also captured a great part of pulses diversity. Those traits were related to agro-ecosystem properties. Although they were predicted by multiple alternative combinations of traits it was possible to identify that leaf N content was an important predictor of pulses agro-ecosystem properties. We compared different approaches (meta-analysis and experimental) and discussed intra-species variability. Controlled experiment revealed a large intra and interspecific variability in the response of N fixation and transpiration dynamics, as well as relationships between leaf traits, C/N metabolism, and soil drying-responses of growth, transpiration, and N2 fixation. We also discussed the intrinsic limitations of trait-based approach and pertinence for its application to agro-ecosystem diversification.
Les légumineuses à graines sont généralement reconnues pour leurs nombreux avantages nutritionnel et environnementaux. Cependant, la plupart de ces espèces peuvent être définies comme des cultures orphelines. Ce constat souligne le manque de données et de connaissances quant à la diversité des légumineuses. L’étude de cette diversité via l'approche des traits fonctionnels pourrait guider l’insertion des légumineuses dans les agro-écosystèmes. Le but de ces travaux a été de synthétiser les connaissances actuelles sur la diversité fonctionnelle des légumineuses cultivées au niveau interspécifique, ainsi que de produire de nouvelles connaissances sur les relations entre les traits fonctionnels et le fonctionnement des agro-écosystèmes. Nous nous sommes concentrés sur un certain nombre de propriétés des agro-écosystèmes dont nous supposons qu'elles sont de bons indicateurs de trois services agroécosystemiques importants et liés à l'approvisionnement alimentaire des système bas intrants : le rendement en conditions sèches, la fixation de l’azote et la compétitivité face aux adventices. Pour cela, nous avons combiné des méthodes et des approches issues de différentes disciplines : écologie fonctionnelle, physiologie et agronomie. Nous avons appliqué des méthodes de statistique multivariée sur une base de données collectées dans la littérature puis aux données originales recueillies lors d'une expérience au champ pour explorer les relations entre traits et propriétés des agro-écosystèmes dans des environnements multiples (données de la littérature) ou dans des conditions environnementales communes et optimales (expérience sur le terrain). Une expérience en conditions contrôlées a également permis d'évaluer l'effet du déficit en eau sur des processus clés tels que la transpiration et la fixation biologique de l'azote. Nos résultats ont mis en évidence la structure de covariation ainsi que des compromis entre les propriétés soutenues par différentes espèces de légumineuses. La diversité des légumineuses a également été décrite par le biais de traits fonctionnels. Les traits foliaires ont été mis en évidence comme étant le principal élément de variabilité inter- et intra-espèces. La teneur en azote des organes végétaux et des semences constituait également un facteur important de la diversité des légumineuses. Ces traits ont été liés aux propriétés des agro-écosystèmes. Bien que ces derniers puissent être prédits par de multiples combinaisons de traits, il a été possible d'identifier le LNC comme un indicateur important des propriétés de l'agro-écosystème. Nous avons comparé différentes approches (méta-analyse et expérimentale) et discuté de la variabilité intra-espèce. L’expérience contrôlée a révélé une grande variabilité intra et interspécifique dans la réponse de la fixation de l'azote et de la dynamique de la transpiration, ainsi que des relations entre traits foliaires, métabolisme C/N et réponses de la croissance, de la transpiration et de la fixation du N2 au dessèchement du sol. Nous avons également discuté des limites intrinsèques de l'approche basée sur les caractères et de son potentiel pour l'application dans la conception d’agro-écosystèmes diversifiés.
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Cite

Julie Guiguitant-Pitchers. Characterization of pulses functional diversity for the design of sustainable agro-ecosystems under low-input conditions. Life Sciences [q-bio]. Montpellier SupAgro, 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03357032⟩
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