Thermal ecology of ectotherms: the role of microclimates in climate change responses Sylvain Pincebourde To cite this version: Sylvain Pincebourde. Thermal ecology of ectotherms: the role of microclimates in climate change responses. Biodiversity and Ecology. Université de Tours, 2019. tel-02474332 HAL Id: tel-02474332 https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-02474332 Submitted on 11 Feb 2020 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. HABILITATION À DIRIGER DES RECHERCHES Discipline : Sciences de la Vie Année universitaire : 2019 / 2020 Présentée et soutenue publiquement par : SYLVAIN PINCEBOURDE Le 06 Décembre 2019 ECOLOGIE THERMIQUE DES ECTOTHERMES: ROLE DU MICROCLIMAT DANS LA REPONSE AU CHANGEMENT CLIMATIQUE -------------------------------- JURY : M. Jérôme CASAS Professeur des Universités Université de Tours Mme Patricia GIBERT Directrice de Recherche CNRS Université Lyon 1 Mme Nathalie GUIVARC'H Professeur des Universités Université de Tours M. Michael KEARNEY Professeur Université de Melbourne (Australie) M. Claudio LAZZARI Professeur des Universités Université de Tours M. Jean-François LE GALLIARD Chargé de Recherche CNRS, HDR Sorbonne Université M. David RENAULT Maitre de Conférence, HDR Université Rennes 1 M. Brent SINCLAIR Professeur Université Western Ontario (Canada) Habilitation à Diriger des Recherches Thermal ecology of ectotherms: The role of microclimates in climate change responses Sylvain PINCEBOURDE Insect Biology Research Institute (IRBI, UMR 7261) Dissertation presented on December 6th, 2019 Discipline: Life Sciences Committee: M. Jérôme CASAS, Professor, University of Tours Me Patricia GIBERT, Research Director CNRS, University Lyon 1 Me Nathalie GUIVARC'H, Professor, University of Tours M. Michael KEARNEY, Professor, University of Melbourne (Australia) M. Claudio LAZZARI, Professor, University of Tours M. Jean-François LE GALLIARD, Researcher CNRS, HDR, Sorbonne University M. David RENAULT, Assistant Professor, HDR, University Rennes 1 M. Brent SINCLAIR, Professor, University of Western Ontario (Canada) HDR - Sylvain Pincebourde, 2019. Contents Contents Remerciements/acknowledgments i Preface iii Part I. Presentation of my scientific pathway and activities 1 1. My scientific pathway 3 a) Visual ecology and light environment selection in dung beetles [Master 2001-2002] 3 b) Environmental biophysics of a leaf miner [PhD 2002-2005] 3 c) Thermal ecology of a keystone intertidal predator [postdoc 2006-2007] 4 d) Physical ecology of a prey-predator relationship in the litter [postdoc 2008-2009] 4 e) The key role of microclimates in a changing climate [CNRS position since 2009] 5 2. Administrating and coordinating research 6 a) Coordination of projects as Principal Investigator 6 b) Supervision of students 9 c) Expertise and committees 10 d) Team manager since January 2018 11 3. Valorizing research 12 a) Peer-reviewed publications 12 b) Presenting communications in scientific conferences 17 4. Structuring research 18 a) Editing and reviewing 18 b) Organizing events 21 5. Teaching and diffusion actions 24 a) Teaching at the university 24 b) Training teachers 25 c) Diffusing science to a broad audience 26 Part II. Overview of the field: the biology of microclimates 27 1. The global change biology context 30 a) The world is changing faster than ever 30 b) Global change biology: from macroecology to ecophysiology 32 c) Is climate change making the field of thermal ecology hot? 34 2. Principles of thermal ecology 35 a) The Thermal Performance Curve of ectotherms 36 b) The thermal limits of ectotherms 39 c) Phenotypic plasticity of thermal traits 40 d) Thermoregulation in heterogeneous environments 43 3. Principles of biophysical ecology 46 a) The body temperature of ectotherms: an integrative trait 47 b) The aim of biophysical ecology: unraveling the mechanisms 50 4. The microclimate of ectotherms 52 a) The spatial scale of microclimates 52 HDR - Sylvain Pincebourde, 2019. Contents b) Which temperature is the right one? 54 c) Modeling microclimates 57 d) The impact of climate change on microclimates 58 e) The leaf microclimate 60 Part III. Synthesis of my scientific production 63 1. A general view of my research: jigsaw falling into place 64 2. The (too often) neglected role of microclimates 65 3. Thermal ecology: a micro-scale approach 70 a) The microclimatic diversity in space and time 71 b) Ectotherms modulate their microclimates 83 c) Ectotherms exploit this diversity behaviorally 88 d) Adaptations to microclimatic conditions 96 e) Microclimates modulate species interactions 99 f) Apprehending the complexity of microclimates 103 4. The vulnerability of ectotherms to climate change 108 a) The vulnerability of herbivores to heat waves 108 b) The influence of thermal heterogeneity on vulnerability 113 5. Methodologies: measuring and modeling biophysical processes 114 a) Thermal imaging: application to insect-plant interactions 114 b) Biophysical modeling: the heat budget of ectotherms 116 6. A natural history prospect of microclimates 117 7. Applying microclimate ecology to conservation 121 Part IV. Research perspectives 125 1. Thermal ecology across biomes 126 a) Microclimates should influence the way we measure thermal limits 126 b) Hot flowers: influence of plant thermogenesis on pollinator’s thermal biology 130 c) Hot galls: interaction between temperature and oxygen in plant galls 132 d) Microclimate gradients at finer scales 135 e) Terrestrial versus aquatic microclimates 137 f) Towards geographical gradients of microclimates 139 2. Wind ecology: integrating air flow variations at microscale 141 References 143 Appendix 1. Synthèse en français 167 Appendix 2. Detailed curriculum vitae 207 HDR - Sylvain Pincebourde, 2019. Acknowledgements & preface Remerciements / Acknowledgements I warmly acknowledge the members of the committee Patricia Gibert, Nathalie Guivarc’h, Michael Kearney, Claudio Lazzari, Jean-François Le Galliard, David Renault and Brent Sinclair. Thank you for taking on your time to read my HDR and to come for the defense. A special thank for Brent, Michael and Jean- François for accepting to review this dissertation. Cette HDR est une grande intégrale de mes activités scientifiques depuis mes débuts en Master en 2002. Un si long parcours est forcément ponctué de nombreux évènements particuliers et de rencontres. La rencontre majeure de ma carrière est celle avec Jérôme Casas. Un immense merci à mon Mentor : merci pour ton aide, ton soutien indéfectible, d’avoir toujours cru en moi surtout dans mes périodes de doute (2011/2012) ou même à mes débuts de réflexion (2002). Cette discussion avant mon stage de DEA reste encore gravée dans ma mémoire : tu avais raison, et j’ai aujourd’hui des projets sur les libellules. Merci d’avoir généré toutes ces opportunités et de m’avoir porté durant toutes ces années. Cette relation professionnelle de bientôt 20 ans a forcément tourné en amitié sincère. Un grand merci aux nombreux collègues et amis qui m’ont accompagné sur tout ou partie de mon parcours. Je garde en mémoire les nombreux échanges stimulants, que ce soit dans un contexte pro ou privé ; un grand merci à (dans le désordre) Olivier Dangles, Arthur Woods, Brian Helmuth, Eric Sanford, Marc Saudreau, Hervé Sinoquet, Apostolos Koussoroplis, Michael Dillon, John Terblanche, Susana Clusella-Trullas, Claudio Lazzari, Raphaël Boulay, Hervé Colinet, Isabelle Lajeunesse, Michaël Chelle, Frédérique Suffert, Mark Denny, Marc Théry, François Feer, Markus Eichhorn, Chun-Sen Ma, Gang Ma, Joël Kingsolver, Raymond Huey (…). J’oublie certainement des personnes, j’en suis désolé. Merci également à l’ensemble des collègues d’Orléans (URZF et Université), à l'association Caudalis (Renaud et Eric), ainsi qu'aux personnes croisées au hasard des conférences, réunions de travail ou au travers des réseaux (EpiArch, MIDI, Entomocentre). Je remercie aussi bien sûr l’ensemble des étudiants que j’ai eu la chance de croiser, sous ma direction ou celle d’une tierce personne. i HDR - Sylvain Pincebourde, 2019. Acknowledgements & preface Je remercie L’IRBI pour son soutien durant toutes ces années. En particulier les trois Directeurs de l’IRBI que j’ai eu la chance de côtoyer : Jérôme Casas, Jean- Paul Monge et David Giron, qui tous m’ont successivement donné ma chance. L’IRBI prend soin de ses jeunes ! Merci aussi à l’équipe pédagogique du Master de Tours : participer au jury des soutenances est toujours un plaisir. Je remercie aussi l’ensemble de l’équipe INOV, membres actuels et passés, pour les conditions de travail dans une ambiance très agréable. C’est d’ailleurs la marque de l’IRBI : une ambiance générale chaleureuse et très sympa ! Un grand merci à tout l’IRBI et surtout aux personnes côtoyant la salle du personnel le midi : les déjeuners à l’IRBI sont toujours relaxants et sympathiques. Je remercie également nos différentes tutelles. Le CNRS, et en particulier l’INEE et la délégation Centre DR08 pour leur appui financier et/ou logistique. Un grand merci à la CMG à Orléans pour les nombreux coups de pouce ces dernières années ainsi