Epidemiology and evolution of fungal foliar pathogens in the face of changes in crop fertilization : application of evolutionary-ecological theory to crop epidemiology | Epidémiologie et évolution des pathogènes fongiques foliaires face à des changements de fertilisation des cultures : application de la théorie de l’écologie évolutive à l’épidémiologie des cultures

إنجليزي. The quest for a sustainable agriculture requires a reduction in the use of synthetic inputs. In this perspective, agroecology seeks to use interactions between organisms in the agroecosystem to replace inputs by ecosystem services, such as the natural regulation of pests and diseases. In this context, this thesis studies the effect of crop fertilization on epidemics of crop fungal foliar pathogens. We also take into account the evolution of these pathogens in response to fertilization scenarios. This allows us to study the sustainability of agricultural practices that contribute to the regulation of epidemics. To answer these questions, we adopted a modelling approach that simulates the effect of different fertilization scenarios. The starting point and originality of our approach was to consider the pathosystem as a consumer-resource system and to use concepts of evolutionary ecology to answer the abovementioned agronomic questions. In the two models developed in this thesis, fertilization directly determines the quantity of resources available for the pathogen. We focus on one of the pathogen's life history traits, the latent period (time period between infection and the onset of sporulating lesions), which corresponds to the minimum duration of an infectious cycle and constrains the pathogen's resource allocation strategy. The latent period determines the amount of resource that will be allocated to either growth of mycelium (and therefore to pathogen size at maturity) or to sporulation (proportional to the pathogen’s size). The models we developed make it possible to study the epidemiological and evolutionary responses of fungal foliar pathogens to crop fertilization. We parameterized our models according to our biological knowledge of the wheat-rust pathosystem. Our modelling work encompasses different spatial and temporal scales: from the lesion where the pathogen feeds directly on its host, to the field and the landscape where the spores that flow between fields are the source of epidemics in the agroecosystem. The first model, at the intersection of the "SEIR" epidemiological models and structured population models, covers the scales of a lesion, the crop canopy and the field. The second model, at the intersection of SEIR and spatial landscape epidemiology models, covers the scales of the field and the agricultural landscape. We study epidemiological and evolutionary dynamics of pathogen populations by comparing empirical and invasion fitness concepts. We show that crop fertilization, by determining the dynamics of available resources for pathogens, has a strong impact on foliar fungal epidemics. Our models predict that pathogen latent period evolves in response to various ecological trade-offs; on the one hand to optimize resources allocation at the leaf scale, on the other hand to win the race against canopy growth. By changing the leaf metabolite content and the rate of canopy growth, fertilization therefore impacts both epidemics and evolutionary responses of pathogen latent period. At the landscape scale, the introduction of various fertilization practices in a previously homogeneous landscape could help to partially regulate epidemics. However, our model predicts that the beneficial effects of heterogeneity will vanish due to the evolution and diversification of pathogens in heterogeneous landscapes. This work sets the stage for further work on the effect and sustainability of agricultural practices on the regulation of crop epidemics in agroecosystems. Finally, by performing a meta-analysis, we bring out a strong relation between pathogen trophic type and latent period, suggesting that different trophic types of pathogens will respond differently to decreasing fertilization scenarios

فرنسي. La recherche d’une agriculture durable et respectueuse de l’environnement passe par une réduction de l’usage d’intrants de synthèse. L’agroécologie cherche à utiliser les interactions entre les organismes de l’agroécosystème pour optimiser son fonctionnement, comme la régulation naturelle des bioagresseurs. C’est dans cette optique que s’inscrit ce travail de thèse qui étudie l’effet de la fertilisation des cultures sur les épidémies de pathogènes foliaires fongiques des cultures. De plus, nous étudions l’évolution des pathogènes face à des scénarios de fertilisation. Cela questionne la durabilité des pratiques culturales qui participent à la régulation les épidémies. Pour répondre à ces questions, nous avons adopté une démarche de modélisation qui permet de simuler l’effet de différents scénarios de fertilisation. Le point de départ et l’originalité de notre démarche a été de considérer le système hôte-pathogène comme un système ressource-consommateur et d’y appliquer des concepts de l'écologie évolutive pour répondre à ces questions agronomiques. Dans les deux modèles construits durant cette thèse, la fertilisation influence directement la quantité de ressources disponible pour le pathogène. Nous nous y concentrons sur un trait d'histoire de vie du pathogène, la période de latence (durée séparant l'infection du début de la sporulation), qui correspond à la durée minimale d'un cycle infectieux et qui, conditionne la stratégie d'allocation des ressources du pathogène. La latence détermine en effet la quantité de ressource qui sera allouée à la croissance du mycélium (donc sa taille à maturité) et celle qui sera ensuite allouée à la sporulation (en relation avec sa taille). Les modèles développés permettent d'étudier les réponses épidémiologique et évolutive des pathogènes foliaires fongiques à la fertilisation des cultures, avec comme référence le système Blé d'hiver/Rouille brune. Nous avons considéré différentes échelles dans ce travail : depuis la lésion où le pathogène se nourrit directement sur son hôte, jusqu’à la parcelle où se développent les épidémies et au paysage où les flux de spores entre les parcelles sont source d’extension des épidémies dans l’agroécosystème. Un premier modèle, à l'intersection des modèles épidémiologiques "SEIR" et des modèles de populations structurées, couvre les échelles de la lésion à celles de l’épidémie et de la parcelle. Le second modèle, à l'intersection des modèles SEIR et des modèles spatiaux d'épidémiologie du paysage, couvre les échelles de la parcelle au paysage agricole. Nous étudions les dynamiques épidémiologiques et évolutives, en comparant des concepts de fitness empiriques et d’invasion. Nous montrons que la fertilisation des cultures, en déterminant la dynamique des ressources disponibles pour les pathogènes, impacte fortement les épidémies. Nos modèles prédisent que la latence des pathogènes évolue en réponse à des compromis écologiques variés, d’une part pour optimiser l’allocation des ressources au niveau des feuilles, mais également pour gagner la course face à la croissance du couvert. La fertilisation, en changeant les concentrations de métabolites foliaires et les dynamiques de croissance du couvert, impacte donc épidémies et réponses évolutives de la latence des pathogènes. A l’échelle du paysage, l’introduction de pratiques variées de fertilisation dans un paysage préalablement homogène pourrait permettre de réduire les épidémies. Cependant, notre modèle prédit une durée limitée de cet effet du fait de l’évolution et de la diversification des pathogènes dans un paysage hétérogène. Ce travail ouvre la voie à des travaux sur l’effet et la durabilité des pratiques pour réguler les épidémies dans l’agroécosystème. Enfin, nous montrons par un travail de méta-analyse qu’il existe une relation forte entre type trophique et latence du pathogène, suggérant que les différents types de pathogènes répondront différemment à des scénarios de réduction de fertilisation