Movement strategies of parasitoids from the genus Trichogramma : using automated image analysis methods

Description

Parasitoids of the genus Trichogramma are oophagous micro-hymenoptera widely used as biological control agents. My PhD is about the phenotypic characterization of this auxiliary's movement strategies, specifically the movements involved in the exploration of space and the search for host eggs. These phenotypes have great importance in the life cycle of trichogramma, and also of characters of interest to evaluate their effectiveness in biological control program. Trichogramma being very small organisms (less than 0.5 mm), difficult to observe, the study of their movement can take advantage of technological advances in the acquisition and automatic analysis of images. This is the strategy I followed by combining a methodological development component and an experimental component. In a first methodological part, I present three main types of image analysis methods that I used and helped to develop during my thesis. In a second time, I present three applications of these methods to the study of the movement of Trichogramma. First, we characterized in the laboratory the orientation preferences (phototaxis, geotaxis and their interaction) during egg laying in 22 trichogram strains belonging to 6 species. This type of study requires the counting of a large number of eggs (healthy and parasitized), it was developed a new dedicated tool in the form of an ImageJ / FIJI plugin made available to the community. This flexible plugin automates and makes more productive the tasks of counting and evaluation of parasitism rate, making possible screenings of greater magnitude. A great variability could be highlighted within the genus, including between strains of the same species. This suggests that depending on the plant layer to be protected (grass, shrub, tree), it would be possible to select trichogramma's strains to optimize their exploitation of the targeted area. In a second time, we characterized the exploration strategies (velocities, trajectories, ...) of a set of 22 strains from 7 trichogramma species to look for traits specific to each strain or species. I implemented a method for tracking a trichogramma group on video recorded on short time scales using the Ctrax software and R scripts. The aim was to develop a protocol for high-throughput characterization of trichogramma strains movement and to study the variability of these traits within the genus. Finally, we conducted a study of the propagation dynamics in trichogramma group from the species T. cacoeciae, by developing an innovative experimental device to cover scales of time and space greater than those usually imposed by laboratory constraints. Through the use of pictures taken at very high resolution / low frequency and a dedicated analysis pipeline, the diffusion of individuals can be followed in a tunnel longer than 6 meters during a whole day. In particular, I was able to identify the effect of the population density as well as the distribution of resources on the propagation dynamics (diffusion coefficient) and the parasitism efficiency of the tested strain.

Abstract (French)

Les parasitoïdes du genre Trichogramma sont des micro-hyménoptères oophages très utilisés comme auxiliaires de lutte biologique. Ma thèse a pour objet la caractérisation phénotypique des stratégies de mouvement de cet auxiliaire, spécifiquement les mouvements impliqués dans l'exploration de l'espace et la recherche des œufs hôtes. Ces derniers sont des phénotypes de grande importance dans le cycle de vie des trichogrammes, et aussi des caractères d'intérêt pour évaluer leur efficacité en lutte biologique. Les trichogrammes étant des organismes de très petite taille (moins de 0,5 mm), difficilement observables, l'étude de leur mouvement peut tirer profit des avancées technologiques dans l'acquisition et l'analyse automatique des images. C'est cette stratégie que j'ai suivi en combinant un volet de développement méthodologique et un volet expérimental. Dans une première partie méthodologique, je présente trois grands types de méthodes d'analyse d'images que j'ai utilisées et contribué à développer au cours de ma thèse. Dans un second temps, je présente trois applications de ces méthodes à l'étude du mouvement chez le trichogramme. Premièrement, nous avons caractérisé au laboratoire les préférences d'orientation (phototaxie, géotaxie et leur interaction) lors de la ponte chez 18 souches de trichogramme, appartenant à 6 espèces. Ce type d'étude requérant le dénombrement d'un très grand nombre d'œufs (sains et parasités), il a été développé un nouvel outil dédié, sous forme d'un plugin ImageJ/FIJI mis à disposition de la communauté. Ce plugin flexible automatise et rend plus productible les tâches de dénombrement et d'évaluation de taux de parasitisme, rendant possible des screenings de plus grande ampleur. Une grande variabilité a pu être mise en évidence au sein du genre, y compris entre souches d'une même espèce. Cela suggère qu'en fonction de la strate végétale à protéger (herbacée, arbustive, arborée), il serait possible de sélectionner des souches afin d'optimiser leur exploitation de la zone ciblée. Dans un second temps, nous avons caractérisé les stratégies d'exploration (vitesses, trajectoires, ...) d'un ensemble de souches et d'espèces de trichogramme pour rechercher des traits propres à chaque souche ou espèce. Pour cela, j'ai mis en œuvre une méthode de tracking de groupes de trichogrammes sur enregistrement vidéo sur de courtes échelles de temps à l'aide du logiciel Ctrax et de scripts R. L'objectif était de développer un protocole de caractérisation haut-débit du mouvement de souches de trichogrammes et d'étudier la variabilité de ces traits au sein du genre. Enfin, nous avons conduit une étude de la dynamique de propagation dans l'espace de groupes de trichogrammes chez l'espèce T. cacoeciae, en mettant au point un dispositif expérimental innovant permettant de couvrir des échelles de temps et d'espace supérieures à celles habituellement imposées par les contraintes de laboratoire.Grâce à l'utilisation de prises de vue très haute résolution / basse fréquence et d'un pipeline d'analyse dédié, la diffusion des individus peut être suivie dans un tunnel de plus 6 mètres de long pendant toute une journée. J'ai notamment pu identifier un effet de la densité en individus ainsi que de la distribution des ressources sur la dynamique de propagation (coefficient de diffusion) des trichogrammes testés.

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