An interdisciplinary approach to increase wheat within-field diversity and promote agro-ecosystem services

Jérôme Enjalbert (), Vincent Allard (), Christophe Ambroise (), Bruno Andrieu (), S. Barot (), Laure Bentze, E. Blanc, J. Borg, A Cantarel, François Coléno (), Claude Pope de Vallavieille (), Dominique Descoureaux, Damien Dezette (), Florence Dubs (), M. Feret, Emma Forst, Aline Fugeray-Scarbel (), Nathalie Galic (), Arnaud Gauffreteau (), J.D. Gilet, Isabelle Goldringer (), C. Goussault, Mourad Hannachi (), Philippe Hinsinger (), G Houivet, Mylène Hugoni (), Marie-Hélène Jeuffroy (), Christian Kerbiriou (), Pierre Labarthe (), J.C. Lata, Xavier Leroux (), Christophe Lecarpentier (), Marc Leconte, Laurent Lejars (), B. Lemain, Stéphane Lemarié (), F. Leny, I. Le Viol, Pauline Lusley (), Tristan Mary-Huard (), Emilie Mirlicourtois, Christophe Montagnier (), Audrey Niboyet (), B. Omon, Rémi Perronne (), S. Piaud, Sophie Pin (), C. Cervek, S. Jouanne, Sébastien Piaud, F. Poly, Thomas Pommier (), Emmanuelle Porcher (), Sébastien Saint-Jean (), S. Salmon, Didier Tropée, Alan Vergnes (), Gaëlle van Frank () and T. Vidal ()
Additional contact information
Jérôme Enjalbert: GQE-Le Moulon - Génétique Quantitative et Evolution - Le Moulon (Génétique Végétale) - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
Vincent Allard: GDEC - Génétique Diversité et Ecophysiologie des Céréales - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - UCA [2017-2020] - Université Clermont Auvergne [2017-2020]
Christophe Ambroise: LaMME - Laboratoire de Mathématiques et Modélisation d'Evry - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - ENSIIE - Ecole Nationale Supérieure d'Informatique pour l'Industrie et l'Entreprise - UEVE - Université d'Évry-Val-d'Essonne - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique
Bruno Andrieu: EGC - Environnement et Grandes Cultures - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - AgroParisTech
S. Barot: iEES Paris - Institut d'écologie et des sciences de l'environnement de Paris - IRD - Institut de Recherche pour le Développement - SU - Sorbonne Université - UPEC UP12 - Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
Laure Bentze: ECOSYS - Ecologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - AgroParisTech, MNHN - Muséum national d'Histoire naturelle
E. Blanc: GQE-Le Moulon - Génétique Quantitative et Evolution - Le Moulon (Génétique Végétale) - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
J. Borg: GQE-Le Moulon - Génétique Quantitative et Evolution - Le Moulon (Génétique Végétale) - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
A Cantarel: LEM - Laboratoire d'Ecologie Microbienne - UMR 5557 - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - UCBL - Université Claude Bernard Lyon 1 - Université de Lyon - ENVL - Ecole Nationale Vétérinaire de Lyon - VAS - VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique
François Coléno: SADAPT - Sciences pour l'Action et le Développement : Activités, Produits, Territoires - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
Claude Pope de Vallavieille: BIOGER - BIOlogie et GEstion des Risques en agriculture - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - AgroParisTech, Université Paris Saclay (COmUE)
Dominique Descoureaux: CA 41, Chambre d'Agriculture du Loir et Cher, France. - CA 41 - Chambre d'Agriculture du Loir et Cher
Damien Dezette: UMR Eco&Sols - Ecologie fonctionnelle et biogéochimie des sols et des agro-écosystèmes - Cirad - Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement - IRD - Institut de Recherche pour le Développement - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro - Montpellier SupAgro - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement
Florence Dubs: BIOSOL - Biodiversité et fonctionnement du sol - UPMC - Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 - UPD7 - Université Paris Diderot - Paris 7 - UPEC UP12 - Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12
M. Feret: CA 36 - Chambre d'Agriculture de l'Indre
Emma Forst: GQE-Le Moulon - Génétique Quantitative et Evolution - Le Moulon (Génétique Végétale) - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
Aline Fugeray-Scarbel: GAEL - Laboratoire d'Economie Appliquée de Grenoble - Grenoble INP - Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - UGA [2016-2019] - Université Grenoble Alpes [2016-2019]
Nathalie Galic: GQE-Le Moulon - Génétique Quantitative et Evolution - Le Moulon (Génétique Végétale) - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - UP11 - Université Paris-Sud - Paris 11 - AgroParisTech - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique
Arnaud Gauffreteau: Agronomie - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
J.D. Gilet: FDGEDA Cher
Isabelle Goldringer: GQE-Le Moulon - Génétique Quantitative et Evolution - Le Moulon (Génétique Végétale) - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
C. Goussault: CA 41 - Chambre d'Agriculture du Loir et Cher
Mourad Hannachi: SADAPT - Sciences pour l'Action et le Développement : Activités, Produits, Territoires - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - AgroParisTech
Philippe Hinsinger: UMR Eco&Sols - Ecologie fonctionnelle et biogéochimie des sols et des agro-écosystèmes - Cirad - Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement - IRD - Institut de Recherche pour le Développement - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro Montpellier - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement
Mylène Hugoni: LEM - Laboratoire d'Ecologie Microbienne - UMR 5557 - UCBL - Université Claude Bernard Lyon 1 - Université de Lyon - ENVL - Ecole Nationale Vétérinaire de Lyon - VAS - VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement, IUF - Institut universitaire de France - M.E.N.E.S.R. - Ministère de l'Education nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche
Marie-Hélène Jeuffroy: Agronomie - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
Christian Kerbiriou: CESCO - Centre d'Ecologie et des Sciences de la COnservation - MNHN - Muséum national d'Histoire naturelle - SU - Sorbonne Université - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique
Pierre Labarthe: AGIR - AGroécologie, Innovations, teRritoires - Toulouse INP - Institut National Polytechnique (Toulouse) - UT - Université de Toulouse - INP - PURPAN - Ecole d'Ingénieurs de Purpan - Toulouse INP - Institut National Polytechnique (Toulouse) - UT - Université de Toulouse - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
J.C. Lata: iEES Paris - Institut d'écologie et des sciences de l'environnement de Paris - IRD - Institut de Recherche pour le Développement - SU - Sorbonne Université - UPEC UP12 - Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
Xavier Leroux: UMR Eco&Sols - Ecologie fonctionnelle et biogéochimie des sols et des agro-écosystèmes - Cirad - Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement - IRD - Institut de Recherche pour le Développement - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement - Institut Agro Montpellier - Institut Agro - Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement
Christophe Lecarpentier: ECOSYS - Ecologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - AgroParisTech
Marc Leconte: BIOGER - BIOlogie et GEstion des Risques en agriculture - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - AgroParisTech
Laurent Lejars: Chambre d'Agriculture du Loiret - Chambre d'Agriculture du Loiret
B. Lemain: FDGEDA Cher
Stéphane Lemarié: GAEL - Laboratoire d'Economie Appliquée de Grenoble - Grenoble INP - Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - UGA [2016-2019] - Université Grenoble Alpes [2016-2019]
F. Leny: CA 27 - Chambre d'Agriculture de l'Eure
I. Le Viol: CESCO - Centre d'Ecologie et des Sciences de la COnservation - MNHN - Muséum national d'Histoire naturelle - SU - Sorbonne Université - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique
Pauline Lusley: EGC - Environnement et Grandes Cultures - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - INA P-G - Institut National Agronomique Paris-Grignon
Tristan Mary-Huard: GQE-Le Moulon - Génétique Quantitative et Evolution - Le Moulon (Génétique Végétale) - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
Emilie Mirlicourtois: iEES Paris - Institut d'écologie et des sciences de l'environnement de Paris - IRD - Institut de Recherche pour le Développement - SU - Sorbonne Université - UPEC UP12 - Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
Christophe Montagnier: Grandes Cultures du Centre de Versailles-Grignon - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique
Audrey Niboyet: iEES - Institut d'écologie et des sciences de l'environnement de Paris - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - UPMC - Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 - UPEC UP12 - Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique
B. Omon: iEES Paris - Institut d'écologie et des sciences de l'environnement de Paris - IRD - Institut de Recherche pour le Développement - SU - Sorbonne Université - UPEC UP12 - Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
Rémi Perronne: GQE-Le Moulon - Génétique Quantitative et Evolution - Le Moulon (Génétique Végétale) - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
S. Piaud: CA 77 - Chambre d’Agriculture de Seine-et-Marne
Sophie Pin: GQE-Le Moulon - Génétique Quantitative et Evolution - Le Moulon (Génétique Végétale) - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
C. Cervek: Chambre Régionale d'Agriculture du Centre
Sébastien Piaud: Chambre d'Agriculture de la Seine et Marne
F. Poly: LEM - Laboratoire d'Ecologie Microbienne - UMR 5557 - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - UCBL - Université Claude Bernard Lyon 1 - Université de Lyon - ENVL - Ecole Nationale Vétérinaire de Lyon - VAS - VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique
Thomas Pommier: LEM - Laboratoire d'Ecologie Microbienne - UMR 5557 - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - UCBL - Université Claude Bernard Lyon 1 - Université de Lyon - ENVL - Ecole Nationale Vétérinaire de Lyon - VAS - VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique
Emmanuelle Porcher: CESCO - Centre d'Ecologie et des Sciences de la COnservation - MNHN - Muséum national d'Histoire naturelle - SU - Sorbonne Université - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique
Sébastien Saint-Jean: EGC - Environnement et Grandes Cultures - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - AgroParisTech, ECOSYS - Ecologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - AgroParisTech
S. Salmon: CESCO - Centre d'Ecologie et des Sciences de la COnservation - MNHN - Muséum national d'Histoire naturelle - SU - Sorbonne Université - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique
Didier Tropée: GQE-Le Moulon - Génétique Quantitative et Evolution - Le Moulon (Génétique Végétale) - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
Alan Vergnes: MONTP DOM VASSAL - Domaine expérimental de Vassal - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique, CESCO - Centre d'Ecologie et des Sciences de la COnservation - MNHN - Muséum national d'Histoire naturelle - SU - Sorbonne Université - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique
Gaëlle van Frank: GQE-Le Moulon - Génétique Quantitative et Evolution - Le Moulon (Génétique Végétale) - AgroParisTech - Université Paris-Saclay - CNRS - Centre National de la Recherche Scientifique - INRAE - Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement
T. Vidal: EGC - Environnement et Grandes Cultures - INRA - Institut National de la Recherche Agronomique - INA P-G - Institut National Agronomique Paris-Grignon

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Abstract: One major challenge for increasing agriculture sustainability is to better mobilize crop genetic diversity, as prone by agroecology. A simple way to increase within-field diversity is to use cultivar mixtures, and this has been successfully applied to a few crops in the past. Despite numerous scientific papers documeting the value of cultivar mixtures in wheat and other cereals, especially to control diseases, their cultivation has remained marginal throughout the world. To understand the origin of this gap between scientific knowledge and agricultural practices, the French project Wheatamix explored the synergies mobilized by cultivar mixtures, their impact on various ecosystem services, and their potential to reinforce the sustainability, resilience, and multi-functionality of agriculture. It focused on the agro-ecological and socio-economic impacts of variety associations at different scales, from the plant level up to the wheat supply chain. The project aims at developing new blending and breeding methods to design performing mixtures. To understand how plant-to-plant interactions shape wheat mixtures performances, Wheatamix has set five objectives: 1) describe the variability of morphological and ecological traits in a panel of 57 varieties; 2) explore variability by blending 16 contrasted varieties from the panel into 72 mixtures, composed of 2, 4, and 8 components; 3) study the ecosystem services provided; 4) assess the technical and economic performances in farmer conditions; 5) evaluate the impact of cultivar mixtures on the wheat supply chain. To achieve these goals, this project has developed an interdisciplinary approach, mobilizing agronomy, ecology, economics, ecophysiology, epidemiology, genetics, and management sciences. The project brought together scientists from 10 labs, as well as agricultural advisers and farmers from 6 French counties. The project first described the functional diversity of 57 varieties, highlighting the effects of modern breeding on trait variability, that lowered variability of traits subject to direct selection, and impacted both plant architecture, physiological traits as nutrient absorption, but also trade-off between traits. Wheatamix then surveyed how variation in mixture diversity impacted wild communities. A first result highlighted the low abundance of macro-organisms in this experiment: no relationship was found between the number of varieties in a mixture and the diversity/abundance of earthworms, weeds, mycorrhizae, springtails, beetles, nematodes. However, a significant effect of mixture diversity on the abundance of some spiders, and on nitrifying bacteria, was observed. Coming to ecosystem services, disease regulation (rust and septoria) has been confirmed as the most strongly and positively affected by varietal associations, raising also the strong effects of architectural variability of the canopy (septoria). Diversity also contributed to higher predation rates on aphids. Lastly, soil nitrification and denitrification activities were significantly affected by mixture diversity on 4 surveyed sites, contributing to a shift in plant nutrition and positive effect of greenhouse gas emission. Co-design of variety mixtures was carried out with farmers, technical advisers, and scientists. For three years, 30 farmers in the Paris basin proposed varietal blends and measured their performance on their farms. This exchange first highlighted that the first goals for farmers was to i) secure their production ii) simplify plot management. Then co-design workshops allowed to propose assembly rules and design mixtures, resulting in a wide diversity of sown mixtures. Field trials revealed that in more than 70% of the cases, the mixture had a higher yield than the mean of its components. This work highlighted farmers needs and resulted in a Multicriteria Evaluation Tool, helping farmers and advisers to design mixtures. The survey of the wheat supply chain finally highlighted the need for a concerted innovation among the various actors. Finally, Wheatamix also developed new statistical method to infer mixing ability, allowing both to blend the best mixers, and also to propose new breeding methods. Coupling various disciplines and approaches, such as ecophysiological modeling of plant competition (FSPM WALTer), field and controlled experiments, theoretical framework in ecology (sampling vs complementarity effects, functional traits and tradeoff), and mixture co-design and surveys with stakeholders, Wheatamix has allowed to understand the interest of cultivar mixtures for farmers. Wheat cultivar mixtures are experiencing an exponential growth: they only represented 2% of bread wheat sown in 2010, and are presently at 8%, raking at the first position on the cultivar list. Wheatamix emphasizes the need for an interdisciplinary approach when addressing agroecological subjects, and illustrates the strong mutual benefices between agronomic and ecological sciences.

Keywords: Interdisciplinarité; sciences de gestion; transdisciplinarité; Santé des plantes; Biodiversité; diversification; régulation naturelle (search for similar items in EconPapers)
Date: 2019-09-18
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Citations:

Published in European Conference on Crop Diversification, Sep 2019, Budapest, Hungary

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