Exploring the impact of the Milpa agricultural system on soil microbiome, plant performance and above and belowground interactions

Les plantes interagissent avec une grande diversité d’organismes à différents niveaux trophiques, et ces interactions peuvent avoir des effets positifs ou négatifs sur la santé et les performances des plantes. Bien que l’on connaisse beaucoup sur les interactions aériennes des plantes, la dynamique souterraine en particulier dans les systèmes agricoles reste mal comprise. Cette thèse explore les relations complexes entre les plantes, leur microbiomes associés, et les herbivores terrestres et souterrains, en se concentrant spécifiquement sur le système milpa mésoaméricain, qui comprend le maïs (Zea mays), le haricot (Phaseolus vulgaris) et la courge (Cucurbita spp.). Le système milpa est reconnu pour sa résilience notamment en matière de gestion des ravageurs, bien que les mécanismes écologiques sous-jacents à ce succès restent largement inexplorés. Cette thèse est structurée en trois chapitres, chacun se concentrant sur des interactions spécifiques au sein du système milpa. Le premier chapitre caractérise la structure de la communauté microbienne dans les rhizosphères du maïs, des haricots et de la courge, visant à éclairer comment les microbiomes associés aux plantes influencent leur santé. Le deuxième chapitre examine comment l’inoculation rhizobienne affecte la préférence et la performance du coléoptère racinaire
Diabrotica balteata, tout en explorant l’interaction entre cet herbivore et les mécanismes de défense des plantes. Enfin, le troisième chapitre étudie l’impact de l’herbivorie combinée (racinaire et aérienne) sur les plantes de maïs, en particulier comment cette herbivorie combinée influence les émissions de composés organiques et l’attraction des prédateurs naturels. Cette thèse apporte de nouvelles perspectives sur les relations écologiques au sein du système milpa, contribuant à une meilleure compréhension des mécanismes de défense des plantes, du comportement des herbivores et du rôle des communautés microbiennes dans les agroécosystèmes.

ABSTRACT
Plants interact with a plethora of organisms from different trophic levels. The effects that these organisms have on plants can be positive or negative. This thesis focuses on the interactions between plants, microorganisms, and above and belowground herbivores. While microorganisms can support plants by providing essential nutrients and helping them cope with stressful biotic and abiotic conditions, plants also face challenges from herbivores that affect their ability to acquire food sources. Though we know a lot about aboveground plant interactions, belowground interactions, especially in agricultural environments, remain poorly understood. This research aims to unravel the complexities of belowground ecology within the traditional Mesoamerican milpa system, which includes maize (Zea mays), beans (Phaseolus vulgaris), and squash (Cucurbita spp.). The milpa system is resilient; however,
the ecological mechanisms driving its success are largely unexplored. As there are several players within the milpa, this thesis dissects the system by focusing on specific aspects related to the interactions between plant-associated microbiomes, herbivores, and plant defence mechanisms within agroecosystems. The first chapter seeks to characterize the microbial community structure in the rhizosphere of maize, beans, and squash within the milpa system compared to monocultures. The second chapter aims to investigate the role of rhizobial inoculation in influencing the preference and performance of the root-feeding beetle Diabrotica balteata, as well as its interaction with plant defence mechanisms. Finally, the third and last chapter aimed to explore the effects of dual herbivory (root and shoot) on maize plants, particularly on how this combined herbivory influences volatile emissions and predator attraction.

Directors: Prof. Betty Benrey & Prof. Pilar Junier
Committee : Prof. Nicole van Dam, Prof. Sergio Rasmann

Defended on 5th September, 2025

No de thèse : 3216