Impact de la capacité de charge de l’environnement sur les dynamiques d’expansions de métapopulation : théories et applications à un système expérimental hôte-parasitoïde

par Marjorie Haond

Thèse de doctorat en Biologie des interactions et écologie

Sous la direction de Elodie Vercken, Ludovic Mailleret et de Lionel Roques.

Soutenue le 26-03-2019

à Côte d'Azur , dans le cadre de École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) , en partenariat avec Université de Nice (1965-2019) (établissement de préparation) , Institut Sophia Agrobiotech (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) (laboratoire) et de Institut Sophia Agrobiotech [Sophia Antipolis] (laboratoire) .

Le président du jury était Hendrik Davi.

Le jury était composé de Hendrik Davi, Emanuel Fronhofer, Frédéric Hamelin, Virginie Raybaud.

Les rapporteurs étaient Emanuel Fronhofer, Christelle Robinet.


  • Résumé

    Les équations de réaction-diffusion sont couramment utilisées pour décrire les dynamiques de propagation des populations. Elles permettent notamment de définir deux types de dynamiques : tirée et poussée. La dynamique tirée résulte d'une colonisation menée par les individus en faible effectif situés en bordure de la population, la dynamique poussée résulte d'une colonisation menée par de plus grands effectifs issus du cœur de la population. Les mécanismes biologiques à l'origine des fronts poussés sont encore peu décrits, toutefois, la présence d'un effet Allee (caractérisé par une corrélation positive entre le taux de croissance et la densité de population pour de petits effectifs) est connue pour entraîner une dynamique poussée. D'autres mécanismes générant une dépendance entre la taille de population et la probabilité de colonisation sont également susceptibles de générer des fronts poussés, mais cette généralisation reste à confirmer. Peu de travaux ont abordé les effets de facteurs de l'environnement tels que la capacité de charge sur les vitesses d'expansion des populations. Or, si pour une dynamique tirée, la colonisation des individus à l'avant du front, peu nombreux, ne devrait pas être influencée par la valeur de la capacité de charge du milieu, dans le cas poussé, les individus évoluant à des effectifs plus importants, la capacité de charge pourrait être un facteur limitant de l'expansion. Nous avons donc cherché à décrire (i) les effets de la capacité de charge sur les dynamiques d'expansion des populations notamment au travers du prisme des dynamiques tirées/poussées, et (ii) la diversité des mécanismes démographiques pouvant générer des dynamiques poussées. Pour cela nous avons utilisé des approches de modélisation individu-centrés et de l'expérimentation en microcosme sur des hyménoptères parasitoïdes, les Trichogrammes. Nous avons utilisé une espèce ayant une dispersion densité-dépendante positive entraînant un accroissement de la probabilité individuelle de migrer en grande population menant ainsi à des dynamiques de colonisation possiblement poussées. Grâce à ces deux approches, nous avons étudié dans une première partie l'impact de la capacité de charge sur la vitesse des expansions, permettant de valider nos hypothèses nous amenant à penser que la dépendance de la vitesse d'expansion à la capacité de charge pourrait être un indicateur de la nature poussée/tirée des expansions. Dans une deuxième partie nous avons étudié les phénomènes d'arrêt de colonisation ("Range pinning") décrits pour des populations soumises aux effets Allee et avons chercher à généraliser ce phénomène aux dynamiques poussées en présence de dispersion densité dépendante positive. Dans une troisième partie nous avons étudié comment une répartition hétérogène dans l'espace de différentes capacités de charges allait influencer les dynamiques d'expansions notamment poussées.

  • Titre traduit

    Impact of the carrying capacity of the environment on metapopulation expansion dynamics : theory and applications to a parasitoid-host experimental system


  • Résumé

    Reaction-diffusion equations are commonly used to describe population propagation dynamics. In particular, they can be used to define two types of dynamics: pulled and pushed. The pulled dynamic results from a colonization led by individuals in small numbers located at the edge of the population, the pushed dynamic results from a colonization led by larger numbers from the core of the population. Biological mechanisms underlying the pushed waves are still poorly described, however, the presence of an Allee effect (characterized by a positive correlation between growth rate and population density for small populations) is known to lead to a pushed dynamic. Other mechanisms generating a dependence between population size and the probability of colonization are also likely to generate pushed waves, but this generalization remains to be confirmed. Few studies have addressed the effects of environmental factors such as carrying capacity on population expansion rates. However, while for a pulled dynamic, the colonization of the few individuals at the front of the wave should not be influenced by the value of the carrying capacity of the environment, in the pushed case, individuals evolving at larger numbers, the carrying capacity could be a limiting factor of the expansion. We have therefore attempted to describe (i) the effects of carrying capacity on population expansion dynamics, particularly through the prism of pulled/pushed dynamics, and (ii) the diversity of demographic mechanisms that can generate high dynamics. For this purpose we used individual-centred modelling approaches and microcosm experimentation on parasitoid hymenoptera, Trichograms. We used a species with a positive density-dependent dispersion resulting in an increase in the individual probability of migrating in large populations, thus leading to potentially high colonization dynamics. Using these two approaches, we first studied the impact of carrying capacity on expansion velocity, validating our hypotheses that the dependence of expansion velocity on carrying capacity could be an indicator of the pushed/puledl nature of expansions. In a second part we studied the phenomena of Range pinning described for populations subjected to Allee effects and we tried to generalize this phenomenon to pushed dynamics in the presence of positive dependent density dispersion. In a third part we studied how a heterogeneous distribution in space of different carrying capacities would influence the dynamics of particularly high expansions.


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