Les effets du changement climatique sur les émissions volatiles des grandes cultures et forêts du Sud de la France - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

The effects of climate change on volatile emissions from field crops and forests in southern France

Les effets du changement climatique sur les émissions volatiles des grandes cultures et forêts du Sud de la France

Résumé

Since the twentieth century, the mean temperature and atmospheric concentration of CO2 have been constantly increasing and climate models suggest even greater future increases. The modification of climatic factors impacts Volatile Organic Compounds (VOCs) emitted by terrestrial vegetation. These compounds are essential for plants’ interactions with their biotic and abiotic environment and are involved in multiple chemical reactions in the atmosphere since they modify the concentrations of greenhouse gases and participate in the formation of secondary organic aerosols. The degree of involvement of VOCs in climate change and the importance of its feedback on volatile emissions need to be clarified. Isoprenoids (isoprene, monoterpenes and sesquiterpenes) are the most emitted VOCs by terrestrial vegetation and the most reactive species in the atmosphere. The individual and combined effects of temperature and CO2 concentration are relatively well known on isoprene emissions, but it remains unclear for monoterpenes and sesquiterpenes: the emission of these compounds can vary according to the presence or the absence of storage structures in the plant and can be modified by the induction of biotic stress.The main aim of this thesis was therefore to clarify the short-term and long-term effects of an increase in temperature and CO2 concentration on the VOCs emitted by 3 plants typical of agroecosystems in the south of France and whose emission strategies differ: sweet wormwood (Artemisia annua), a strong emitter of constituent VOCs stored in glandular trichomes, holm oak (Quercus ilex), a strong emitter of novo-synthesized constituent VOCs and maize (Zea mays) strong emitter of VOCs induced by biotic stress. The plants were grown in air-conditioned greenhouses under 4 different climatic scenarios: 2 temperature regimes (25 - 30 °C) were associated with 2 CO2 concentrations (400 - 800 ppm) in a 2x2 factorial plan. VOC emissions from plants in different greenhouses were then measured under different assay conditions according to the same design to separate the short- and long-term effects of the 2 parameters. Secondly, we looked at the variability of VOC emissions within the same species, maize. The emissions of 21 maize genotypes were quantified before and after the exogenous application of methyl jasmonate (MeJA), a plant hormone simulating biotic stress.The results of these experiments show that overall the short-term increase in temperature increases volatile emissions, the increase in CO2 concentration decreases them, and that the increase in the two parameters increases them. There is however an effect of the presence of storage structures on the response to CO2 and of the category of VOCs on the response of emissions to temperature. The long-term impact of climate parameters on emissions is more vague: no effect of growth under elevated temperature was found on emissions, a negative effect of growth under elevated CO2 was found on VOCs emitted by Artemisia annua, and the growth under elevated temperature and elevated CO2 does not modify the total quantity but modifies the proportions of VOCs induced in Zea mays. The study of intraspecies variability has shown that there are qualitative and quantitative differences between the emissions of maize genotypes and that the amplitude of response of emissions to biotic stress depends on the genotype. Overall, MeJA induced the synthesis and release of new VOCs and increased the amount of VOCs emitted. These results provide new information on the possible repercussions of the choice of variety on the atmospheric load of VOCs in agroecosystems and suggest that the quantity and quality of VOCs emitted in response to climate change are dependent on the species but also on possible biotic stress.
Depuis le XXème siècle, la température moyenne et la concentration atmosphérique de CO2 n’ont cessé de croître et les prévisions climatiques suggèrent des augmentations futures encore plus importantes. La modification des facteurs climatiques impacte les Composés Organiques Volatils (COVs) émis par la végétation terrestre. Ces composés sont essentiels pour les interactions des plantes avec leur environnement biotique et abiotique et sont impliqués dans de multiples réactions chimiques atmosphériques, puisque qu’ils modifient les concentrations des gaz à effets de serre et interviennent dans la formation d'aérosols organiques secondaires. Le degré d'implication des COVs dans le changement climatique et l'importance de sa rétroaction sur les émissions volatiles restent à clarifier. Les isoprénoïdes (isoprène, monoterpènes, sesquiterpènes) sont les COVs les plus émis par la végétation terrestre et les plus réactifs dans l’atmosphère. Les effets individuels et croisés de la température et du CO2 sont relativement bien connus sur les émissions d'isoprène mais il existe une incertitude pour les monoterpènes et les sesquiterpènes car l’émission de ces composés peut varier selon la présence ou l’absence de structures de stockage chez la plante et peut être modifiée par l’induction d’un stress biotique.Cette thèse a eu donc pour but de clarifier les effets à court- et à long-terme d’une augmentation de la température et du CO2 sur les COVs émis par 3 plantes typiques des agroécosystèmes du sud de la France et dont les stratégies d’émissions diffèrent : l’armoise annuelle (Artemisia annua), forte émettrice de COVs constitutifs stockés, le chêne vert (Quercus ilex), fort émetteur de COVs constitutifs novo-synthétisés et le maïs (Zea mays) fort émetteur de COVs induits par un stress biotique. Les plantes ont été cultivées dans des serres climatisées sous 4 scénarios climatiques différents : 2 régimes de température (25 - 30 °C) ont été associés à 2 concentration de CO2 (400 - 800 ppm) dans un plan factoriel 2x2. Les émissions de COVs des plantes des différentes serres ont ensuite été mesurées dans différentes conditions selon le même schéma pour séparer les effets à court- et à long-terme des 2 paramètres. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la variabilité des émissions de COVs au sein d’une même espèce, le maïs. Les émissions de 21 génotypes de maïs ont été quantifiées avant et après l'application exogène de methyl jasmonate (MeJA), une hormone végétale simulant le stress biotique.Les résultats de ces expériences montrent que l’augmentation de la température à court-terme augmente les émissions volatiles, l’augmentation du CO2 les diminue, et que l’augmentation des deux paramètres les augmentent. Il existe cependant un effet de la présence de structures de stockage sur la réponse au CO2 et de la catégorie de COVs sur la réponse des émissions à la température. L’impact long-terme des paramètres climatiques sur les émissions est plus flou : aucun effet de la croissance sous température élevée n’a été trouvé sur les émissions, un effet négatif de la croissance sous CO2 élevé a été trouvé sur les COVs émis d’Artemisia annua, et la croissance sous température et CO2 élevés ne modifie pas la quantité totale mais modifie les proportions de COVs induits chez Zea mays. L’étude de la variabilité intraspécifique a montré qu’il existait des différences qualitatives et quantitatives entre les émissions des génotypes du maïs et que l’amplitude de réponse des émissions au stress biotique dépendait du génotype. Globalement, le MeJA a induit la libération de nouveaux COVs et a augmenté la quantité de COVs émis. Ces résultats apportent de nouvelles informations sur les répercussions possibles du choix de la variété sur la charge atmosphérique de COVs dans les agroécosystèmes et suggèrent que la quantité et la qualité des COVs émis en réponse au changement climatique sont dépendantes de l’espèce mais aussi d’un éventuel stress biotique.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03136981 , version 1 (10-02-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03136981 , version 1

Citer

Juliane Daussy. Les effets du changement climatique sur les émissions volatiles des grandes cultures et forêts du Sud de la France. Sciences agricoles. Université Montpellier, 2020. Français. ⟨NNT : 2020MONTG010⟩. ⟨tel-03136981⟩
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