Vers une meilleure compréhension des impacts des plantes invasives sur la végétation native. Approche fonctionnelle et multitrophique appliquée à une zone humide envahie par Solidago canadensis

Toward a better understanding of the impacts of invasive plant species on the native vegetation. A functional and multitrophic approach applied to a wetland invaded by Solidago canadensis

• Auteur / Autrice : Marie Grange
• Direction : François Julien Munoz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biodiversité écologie environnement
• Date : Soutenance le 03/10/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'écologie alpine (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : François Pompanon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Colin Fontaine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Dajoz, Guillaume Fried

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solidago

Pollinisation par les insectes

Insectes

Invasions biologiques

Mots clés libres

Invasion biologique

Réseau de pollinisation

Traits fonctionnels

Guildes

Conception de protocoles

Comportement des insectes

Biotic invasion

Pollination network

Functionnal traits

Plant guilds

Protocol design

Insect behavior

Résumé

Écosystèmes essentiels aux sociétés humaines, les zones humides sont aujourd’hui particulièrement menacées par les changements globaux. Les invasions biologiques sont un facteur majeur d’altération de ces écosystèmes. Certaines espèces végétales exotiques modifient de manière majeure la structure, le fonctionnement et la dynamique des zones humides. C’est le cas de Solidago canadensis (L., 1753), une astéracée rhizomateuse originaire d’Amérique du Nord et introduite en Europe comme plante d’ornement au XVIIIème siècle. Sa présence modifie les écosystèmes envahis à plusieurs niveaux. S. canadensis est susceptible d’affecter directement la végétation native, mais aussi la composition chimique du sol, l’activité microbienne, les insectes pollinisateurs et leurs prédateurs. Aujourd’hui, les mécanismes par lesquels S. canadensis affecte la végétation native in situ demeurent encore mal connus. En particulier, il reste à définir comment ses capacités à préempter différents types de ressources, et ses effets directs et indirects sur le réseau d’interactions plantes-pollinisateurs impactent les communautés végétales in natura.L’objectif de ma thèse est d’identifier (i) les mécanismes par lesquels S. canadensis impacte la végétation native, (ii) quels sont les groupes fonctionnels natifs les plus sensibles à chacun de ces mécanismes et (iii) quelles sont les conséquences à l’échelle des communautés végétales natives. Pour cela, nous avons réalisé un travail conséquent de récolte de données afin de caractériser l’état de différents compartiment de l’écosystème (sol, végétation et pollinisateurs) à différents stades de l’invasion et périodes de l’année. Puis, nous avons analysé les effets directs et indirects de la densité de S. canadensis sur ces compartiments, indépendamment des autres caractéristiques du système.Nos résultats soulignent tout d’abord l’importance de la standardisation des protocoles d’échantillonnage des réseaux plantes-pollinisateurs, en particulier l’harmonisation de la description des conditions d’échantillonnage, des ressources florales et des interactions non capturées, qui peuvent induire des biais majeurs dans l’interprétation des données. Concernant les impacts de S. canadensis, nous avons mis en évidence des effets négatifs sur la diversité et la production de biomasse des communautés végétales natives. Trois mécanismes participent à ces effets : la compétition pour la lumière, la compétition pour les nutriments du sol et la perturbation des interactions mycorhiziennes via la production de composés allélopathiques. Nous avons également mis en évidence des impacts de S. canadensis sur les préférences des insectes pollinisateurs via la modification de la structure de la végétation et l’attractivité de ses fleurs. Ces effets sur les pollinisateurs ont des conséquences concrètes pour les plantes natives car ils diminuent à la fois le nombre visites et la quantité de pollen conspécifique reçu. Ces travaux mettent en lumière des différences majeures de réponse de différents groupes fonctionnels de plantes à l’invasion par S. canadensis.Un des points forts de cette thèse réside dans l’analyse de la réponse de la végétation native au processus d’invasion à l’échelle de la communauté, mais aussi pour différents groupes fonctionnels au sein de cette communauté. Cela nous a permis, tout en gardant une vision d’ensemble, de caractériser la complexité des mécanismes d’interaction à l’œuvre lors de cette invasion. Une meilleure compréhension de la complexité des interactions entre espèces invasives et natives, qu’elles soient directes ou indirectes, qu’elles varient entre groupes fonctionnels ou entre compartiments trophiques, est une étape essentielle pour la prédiction de la dynamique des écosystèmes envahis et la l’identification des sites les plus vulnérables face à cette menace.

Wetlands are essential ecosystems for human societies, but they are now particularly threatened by global changes. Biological invasions are a major factor of alteration of these ecosystems. Some exotic plant species are able to modify the structure, the functioning and the dynamics of wetlands. This is the case of Solidago canadensis (L., 1753), a rhizomatous asteraceae native to North America and introduced in Europe as an ornamental plant in the 18th century. Its presence modifies invaded ecosystems on several levels. S. canadensis is likely to directly affect native vegetation, but also the chemical composition of the soil, microbial activity, pollinating insects and their predators. Today, the mechanisms by which S. canadensis affects native vegetation in situ remain poorly understood. In particular, it remains to be defined how its ability to preempt different types of resources, and its direct and indirect effects on the network of plant-pollinator interactions impact plant communities in natura.The objective of my thesis is to identify (i) the mechanisms by which S. canadensis impacts native vegetation, (ii) which native functional groups are most sensitive to each of these mechanisms, and (iii) what are the consequences at the scale of native plant communities. To do so, we have collected a large amount of data in order to characterize the state of different ecosystem compartments (soil, vegetation and pollinators) at different stages of the invasion and periods of the year. Then, we analyzed the direct and indirect effects of S. canadensis density on these compartments, independently of other system characteristics.Our results first highlight the importance of standardizing sampling protocols for plant-pollinator networks, in particular harmonizing the description of sampling conditions, floral resources and uncaptured interactions, which can induce major biases in data interpretation. Concerning the impacts of S. canadensis, we have highlighted negative effects on the diversity and biomass production of native plant communities. Three mechanisms are involved in these effects: competition for light, competition for soil nutrients and disruption of mycorrhizal interactions through the production of allelopathic compounds. We also demonstrated impacts of S. canadensis on pollinators preferences through the attractiveness of its flowers and changes in the vegetation structure. These effects on pollinators have concrete consequences for native plants as they decrease both the number of visits and the proportion of conspecific pollen received. This work highlights major differences in the response of different functional groups of plants to the invasion by S. canadensis.One of the strengths of this thesis is the analysis of the response of native vegetation to the invasion process at the community level, but also for different functional groups within the community. This allowed us to characterize the complexity of the interaction mechanisms at work during this invasion, while keeping a comprehensive view. A better understanding of the complexity of interactions between invasive and native species, whether direct or indirect, and whether they vary between functional groups or between trophic compartments, is an essential step in predicting the dynamics of invaded ecosystems and in identifying the sites most vulnerable to this threat.