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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Julie Guiguitant-Pitchers_2020_Thèse_Montpellier SupAgro.pdf (3.23 Mo)
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