Écologie des populations végétales et microbiennes

Transcription

1 Écologie des populations végétales et microbiennes

2 Population

3 Étude de l'abondance et de la dynamique des populations d'espèces végétales Quels sont les régulateurs de l'abondance et de la distribution des espèces à travers l'espace et le temps?

4 Introduction Quelques conséquences d être une plante Notion de dynamique des populations, de traits de vie, d allocation des ressources et d interactions

5 Croissance par méristème % aire Méristèmes Structure de la plante et schéma de croissance: F(distribution des méristèmes, nbre et activité) Organisme fixé au sol Organisme pouvant être clonal

6 Croissance modulaire Croissance : liée à l activité du MAT Des phytomères sont ajoutés Entrenoeud Phytomère: Une unité de croissance Feuille Bourgeon Noeud

7 Méristèmes végétatifs et méristèmes d inflorescence Processus d induction florale: Transition irréversible Exemple: Poaceae Croissance par thalle Méristèmes à la base du thalle au niveau du sol Induction florale: Tout le thalle meurt après la reproduction

8 De l'espèce la plus petite Wolffia angusta (Lemnaceae) 0.6 x 0.33 mm

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10 Wolffia angusta (Lemnaceae) Fruits (1 graine) dans une cavité florale Fruits et grains de sel (0.3 mm)

11 Wolffia microscopica (Lemnaceae) Le taux de reproduction végétative le plus rapide : 1 plantule ttes les 30 heures Étamine Plantule 1 plante peut théoriquement donner plantes (le volume de la Terre) en 4 mois

12 à la plus grande Séquoiadendron giganteum (Général Sherman 90 m, 11 m de diamètre, 33 m de circonférence) 0.6 x 0.33 mm

13 De l'espèce la plus longévive Larrea tridentata : créosote Mojave desert (zygophyllaceae) : ans Picea abies (Norvège) : ans Pinus longaeva (Californie) : ans

14 aux plus éphémères Cycle d Arabidopsis

15 Notion de trait de vie et de dynamique des populations

16 Paradigme d Arnold (1983) Performance d une sp. dans un habitat : Capacité des individus à croître, se reproduire et survivre (composante de σ) Plantes : 3 composantes de σ Croissance, reproduction, survie Peuvent être mesuré par 3 traits de performance Biomasse végétative, rendement reproductif, survie des plantes

17 Biomasse végétative Production cumulée nette de tous les processus de croissance et de perte Rendement reproductif Biomasse et nbre de graines produites (plus accessoires tels que fruits) Survie Variable binaire

18 Acquisition et Allocation des Ressources

19 Plantes: Ressources chimiquement simples ( solaire, H 2 O, CO 2 et une dizaine d ions) Problème d acquisition des ressources solaire, CO 2 dans l air; H 2 O, et ions dans le sol Plante fixée: Compétition pour acquisition des ressources Intensité liée à la densité

20 Relation croissance-qté de ressource: Asymptotique ou sigmoïde Valeur seuil minimale (m): En dessous pas de croissance Valeur asymptotique (M): Au delà, plus de croissance Existence de ressources limitantes Croissance m M Concentration ressource

21 Allocation des ressources Variable et dépend de bcps de facteurs Allocation de biomasse chez Smyrnium olusatrum Racine tuberisée Racine autre Effort reproducteur Tige Nutriment faible Nutriment important Feuille

22 Comparaison ligneuse herbacée Arbres: Biomasse tissus de soutien (76-81%), racines (17-20%); feuilles (1-4%) Herbacée: Racines (24%); tiges (24%); feuilles (46%)

23 Utilisation des ressources Bcp de processus (souvent antagonistes) qui consomment les ressources Capital et maintien: Vrai coût d un organe = Croissance et maintenance (métabolisme d entretien) Symbiose: 10% des produits photo vont vers les symbiotes Défense contre les herbivores ou les pathogènes Structures reproductives

24 Défenses Défenses: Tte structure physique ou biochimique qui agit contre les prédateurs (herbivores) ou les pathogènes Herbivorie: Consommation d'une partie ou de la totalité de la plante par les animaux Pathogènes: Champignons, bactéries et virus Plusieurs types de défenses contre les herbivores

25 Histoire de vie et Compromis Évolutifs

26 Qu est ce que l histoire de vie? Ensemble des règles de décisions émanant des conditions internes et de l environnement qui gouvernent le programme d allocation d d un organisme sur la croissance, la survie et la reproduction

27 Histoire de vie (Life history) Décrit par des caractères ou traits ayant des conséquences pour la démographie et σ: Durée de vie Age à maturité sexuelle Fréquence de la reproduction Part d allouée à la reproduction Nombre et taille de la progéniture (fecundité) etc.

28 Qu est ce qui influence l histoire de vie? L histoire de vie peut évoluer et résulte de l interaction de nombreux facteurs: Conditions environnementales Disposition des ressources (temps et espace) Compétition, prédation etc. Contrainte phylogénétique

29 Quelle stratégie? Graine: Dormance vs pas de dormance Durée de la croissance juvénile Taille à 1 ère reproduction, quand arrêter de croître? Age à maturité Quand commencer à allouer des ressources pour la reproduction plutôt que pour croissance? Allocation des ressources Croissance vs reproduction Durée de vie reproductive Reproduction continue (plusieurs années) vs simple épisode intense? Taille et nombre des progénitures (graines) Modalité de la reproduction Clonale vs sexuée; Autogamie vs allogamie

30 Exemple de compromis Une sp. pérenne doit investir bcp d dans sa croissance et sa survie Survie: Investissement dans des réserves Survie: Investissement dans le métabolisme secondaire (défense contre les prédateurs) Survie: Investissement dans la compétition

31 Paradigmes L allocation à des fonctions en compétition détermine le potentiel pour la reproduction Chaque fonction à un coût en terme de Carbone C est un facteur limitant C est la monnaie qui négocie l investissement dans l effort reproducteur vs la croissance et la survie On parle de biomasse allouée à la reproduction, à la croissance etc.

32 Trade-offs (compromis) Le bénéfice obtenu dans un changement d un caractère est relié à un coût payé à travers le changement d un autre caractère Trade-off: Liens entre caractères qui contraignent l évolution simultanée de 2 ou plusieurs caractères

33 Exemple de trade-offs Nombre et poids des graines Taille et âge à maturité Durée de reproduction et vieillissement (ageing)

34 Taille et nbre de graines Cocos nucifera (Arecaceae): qqs dizaines de graines / floraison Populus fremontii (Salicaceae): Dizaines de milliers de graines / floraison Orchidaceae: Des millions de graines / floraison

35 Production de graines (biomasse reproductive) et largeur des cernes de croissance (biomasse végétative) / ans R = (p < ) Fagus sylvatica Trade-off entre allocation à la reproduction et à la croissance

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37 Pourquoi ttes les plantes ne produisent elles pas bcp de graines? Compromis (trade-off) entre le n bre de graines qu une plante peut produire et leur taille Les ressources sont limitées Existe-t-il une taille de graines optimale pour une sp.?

38 Fréquence de la reproduction Deux grandes stratégies: Monocarpiques (Semelpares) et polycarpiques (itéropares) Monocarpiques (Semelpares) Une seule reproduction au cours de la vie et mort programmée Allocation des ressources végétatives stockées vers la reproduction Reproduction de type «big bang»

39 Monocarpique annuelle: Une seule année végétative Monocarpique vivace ou pérenne: Plusieurs années de vie végétative (2 à plusieurs dizaines d années)

40 Monocarpique annuelle Cycle de vie (de la germination à la production de graines) < 1 an (4 à 8 mois) Conservation de la pop. assurée par les graines Annuelles d'hiver Annuelles d'été

41 Recrutement vital: Grande variété de caractères qui font que tous les oeufs ne sont pas mis dans le même panier (Bet-Hedging) Une cohorte de graines: Plusieurs mécanismes de rupture de dormance, plusieurs exigences pour germination!!

42 Asteraceae: Centre du capitule = fruits à pappus; Extérieur du capitule = fruits sans pappus Proportions pappus / sans pappus = ESS Les fruits de Calendula arvensis

43 Avantage (1): Reproduction précoce (potentiel pour très grand taux intrinsèque d accroissement) Avantage (2): Banque de graines dormantes (permet de survivre à des conditions adverses) Inconvénients (1): Faible compétitivité (pas de biomasse accumulée suffisante) Inconvénient (2): Dépendantes de la disponibilité de microsites favorables à chaque génération Balance de forces opposées: Sévérité de période défavorable, intensité de compétition, fréquence des perturbations

44 Polycarpiques (Itéropares) Organismes qui se reproduisent plusieurs fois au cours de leur vie Polycarpiques annuelles ou pérennes

45 Notion d interaction

46 Variété des interactions entres plantes et entre plantes autres organismes Selon les effets +, - ou O résultant de l interaction Plusieurs effets

47 Partenaire A Partenaire B Type d interaction + + Mutualisme + - Parasitisme (ou prédation) + 0 Commensalisme 0 - Amensalisme 0 0 Neutralisme - - Antagonisme (dont compétition

48 Qui retire un bénéfice? Les organismes vivent-ils ensemble la majeure partie de leur cycle de vie OUI Symbiose au sens large NON Les 2 partenaires (mutualisme) Symbiose au sens stricte Coopération transitoire (pollinisateurs ) Un seul partenaire (parasitisme ou prédation) Parasites biotrophes ne tuant pas leur hôte Parasites nécrotrophes tuant leur partenaire, prédateurs

49 Interaction chez les plantes Goldberg (1990) La majorité des interactions entre plantes s établissent par un intermédiaire (lumière, eau, pollinisateurs, herbivores, µorganismes Notion de compétition apparente, de mutualisme apparent etc.

50 La compétition - P1 P2 -

51 Compétition La réduction de valeur sélective (fitness) due à l utilisation d une ressource en quantité limité La compétition à un effet sur les plantes (biomasse, reproduction) MAIS très complexe à analyser

52 La tendance pour deux plantes voisines à utiliser les mêmes ressources (lumière, eau, minéraux, pollinisateur, disséminateur, volume d espace) Impact réciproque sur la croissance et la reproduction

53 Expérience de Gause, 1934 Deux sp. de protozoaires Résultats similaires sur drosophiles, souris, plantes annuelles: une sp. meurt et l autre persiste (peut se produire sur + de 70 générations) Deux espèces ne peuvent coexister sur la même ressource limitante

54 Principe d exclusion compétitive (Gause, 1934) Deux espèce ayant la même niche écologique ne peuvent coexister Une espèce est éliminée par exclusion compétitive

55 Le concept de ressource limitante est crucial Bcp de ressource ne sont pas limitantes : eau de l océan, oxygène de l air Les ressources non limitantes ne peuvent pas agir comme principe d exclusion

56 En condition naturelle la compétition semble moins forte Les espèces évitent la compétition en fractionnant les ressources et l habitat Plantes : exploitation stratifiée de la lumière et de l eau (+ éléments minéraux)