Modeling the development rate of insect pests in the context of global warming : the case of maize stem borers
Modélisation du taux de développement d'insectes ravageurs des cultures face au réchauffement climatique : le cas des foreurs de tige du maïs
Résumé
While we are observing a decline in insect biodiversity in relation to global changes, some species of crop pests continue to threaten food security worldwide. This is the case for lepidopterans maize stem borers, which pose a major threat to maize production. It is therefore essential to contribute to a better understanding of the impact of global changes and particularly of global warming on maize stem borer populations. Pest responses to global warming can result in contrasting responses depending on the species and trait studied. Among these traits, development rate, i.e. the inverse of development time, is of primary importance given its close dependence to ambient temperature. The development rate quantifies the developmental progression of life stages per unit of time, so that mathematical modeling approaches of the relationship between development rate and temperature can contribute to assess the impact of climate warming on crop pest populations. The objective of this work is to contribute to improve the quantification of the relationship between development rate and temperature by mathematical modeling approaches, and to evaluate the impact of global warming on the development rate of maize stem borers in tropical and temperate climates.Fitting models of developmental rate as a function of temperature to empirical data acquired by rearing individuals at different temperatures has been a widespread method for several decades. Numerous modeling studies have been published, but modeling practices vary considerably within the literature, both in terms of the mathematical models fitted and the experimental protocol, as well as the statistical methods of inference and model selection. In response to this limitation, a study of the influence of experimental protocol on model fitting using a simulation approach, as well as a literature review to establish common and shared modeling and model selection practices were conducted.As a result of global warming, the development time of insect pests could be accelerated or slowed, with impacts to be assessed on pest populations and associated crops. The impacts of different climate warming scenarios on the development time of maize stem borers were evaluated via a mathematical modeling approach for four maize stem borers in temperate and tropical regions. Results show that insect response differs between species and scenarios. This study predicts changes in development time, the magnitude and direction of which depend notably on the optimal temperature for development. While a predominantly shorter development time is expected, the simulations suggest a delay or even a halt for species whose environmental temperature is close to their optimal development temperature. The integration of the non-linear relationship of development rate to temperature thus provides information on future changes in the temporal dynamics of populations. Our analyses indicate that in the absence of mitigating factors such as acclimation, adaptation or dispersal, the developmental time of maize stem borers will be altered, with consequences for their phenology, inter-specific interactions within agro-ecosystems, as well as for maize cultivation and associated crop protection practices.
Dans un contexte de déclin de la biodiversité des insectes en lien avec les changements globaux, certains ravageurs des cultures continuent de mettre en péril la sécurité alimentaire à travers le monde. C'est le cas notamment des lépidoptères foreurs de tige du maïs, qui représentent une contrainte importante sur la production de maïs. Il est donc essentiel de contribuer à une meilleure compréhension de l'impact des changements globaux et en particulier du réchauffement climatique sur les populations de foreurs de tige du maïs. Les réponses des ravageurs au réchauffement climatique peuvent se traduire par des réponses contrastées en fonction de l'espèce et du trait étudié. Parmi ces traits, le taux de développement, c'est à dire l'inverse du temps de développement, est de première importance étant donné son étroite dépendance à la température de l'environnement. Le taux de développement quantifie la progression du développement d'un stade donné pour une unité de temps, de sorte que les approches de modélisation mathématique de la relation entre le taux de développement et la température peuvent contribuer à évaluer l'impact du réchauffement climatique sur les populations de ravageurs des cultures. L'objectif de ce travail est d'une part de contribuer à améliorer la caractérisation de la relation entre le taux de développement et la température par des approches de modélisation mathématique, et d'autre part d'évaluer l'impact du réchauffement climatique sur le taux de développement de lépidoptères foreurs de tige du maïs en zones tropicales et tempérées.L'ajustement de modèles de taux de développement en fonction de la température à des données empiriques acquises en élevant des individus à différentes températures est une méthode répandue depuis plusieurs décennies. De nombreuses études de modélisation ont été publiées mais les pratiques de modélisation varient considérablement au sein de la littérature, tant au niveau des modèles mathématiques utilisés que du protocole expérimental ou encore des méthodes statistiques d'estimation des paramètres et de sélection de modèles. En réponse à cette limite, une étude de l'influence du protocole expérimental sur l'ajustement des modèles par une approche de simulation, ainsi qu'une revue de la littérature pour établir des pratiques de modélisation et de sélection de modèles communes et partagées ont été réalisées.Du fait du réchauffement climatique, le temps de développement des insectes ravageurs pourrait être accéléré ou ralenti, avec des impacts à évaluer sur les populations de ravageurs et les cultures associées. Les impacts de différents scénarios de réchauffement climatique sur le temps de développement des foreurs de tige ont été évalués via une approche de modélisation mathématique pour quatre foreurs de tiges de maïs présents dans des régions tempérées ou tropicales. Les résultats montrent que la réponse des insectes diffère selon les espèces et les scénarios. Cette étude prédit des modifications du temps de développement dont l'amplitude et la direction dépendent notamment de la température optimale de développement. Si un temps de développement majoritairement plus court est attendu, les simulations suggèrent un ralentissement voire un arrêt du développement pour les espèces dont la température de l'environnement actuel est proche de leur température optimale de développement. L'intégration de la relation non linéaire du taux de développement à la température permet ainsi d'apporter des informations sur les modifications à venir dans la dynamique temporelle des populations. Nos analyses indiquent ainsi qu'en l'absence de facteurs d'atténuation tels que l'acclimatation, l'adaptation ou la dispersion, le temps de développement des foreurs de tige du maïs sera altéré, avec des conséquences sur leur phénologie, les interactions interspécifiques au sein des agro-écosystèmes, ainsi que sur la culture du maïs et les pratiques de protection associées.
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