L’océan Arctique est reconnu comme faisant partie des régions les plus exposées et les plus sensibles aux changements climatiques, comme en témoignent les récentes pertes importantes du couvert de glace et le réchauffement rapide de l’air et des eaux surfaces. En affectant les conditions physico-chimiques de la colonne d’eau (par ex : lumière disponible, température, apports de nutriments), ces bouleversements peuvent conduire à des changements dans la croissance et la composition élémentaire (stœchiométrie) du phytoplancton à la base du réseau alimentaire et ainsi altérer le fonctionnement et la biogéochimie de l’écosystème marin. Bien que de récentes études suggèrent que les diatomées des régions arctiques possèderaient une stœchiométrie et des teneurs en carbone (C), azote (N) et phosphore (P) différentes de celles observées à de plus basses latitudes, de grandes incertitudes persistent quant à l’influence des conditions environnementales changeantes sur la croissance et la composition élémentaire d’espèces phytoplanctoniques dont l’importance écologique est avérée. Puisque la complexité des communautés planctoniques rend difficile l’étude in situ de la réponse physiologique de ces espèces clés, le présent ouvrage repose sur une approche parallèle qui consiste à mettre en évidence expérimentalement l’influence des conditions physiques et nutritives sur la croissance et la stœchiométrie d’une diatomée cosmopolite cultivée en laboratoire. Chaetoceros gelidus est une diatomée largement répandue dans l’océan Arctique et dont l’importance écologique a été maintes fois soulignée. La présente étude, approfondie et inédite, de C. gelidus a permis de constater qu’à température faible les quotas cellulaires et la stœchiométrie de cette espèce sont fortement dépendants du rapport nitrate:phosphate initial dans le milieu de culture. Au-delà de son évidente portée méthodologique, ce résultat permet d’encadrer l’extrapolation des connaissances acquises en laboratoire au milieu naturel de l’Arctique, où le rapport nitrate:phosphate ambient varie grandement d’un secteur à l’autre. Par ailleurs, C. gelidus s’avère capable de croître à des taux appréciables et identiques en présence de différentes formes d’azote, dont les valeurs énergétiques sont pourtant très inégales, et est en mesure de maintenir une stœchiométrie fixe quel que soit le niveau de lumière et la forme d’azote à 0 °C. Cette capacité singulière s’atténue à mesure que la température augmente, soulignant le rôle prépondérant de la température dans le contrôle du métabolisme azotée. Malgré son caractère psychrophile, C. gelidus présente des quotas élémentaires étonnamment proches de ceux observés pour des diatomées tempérées, suggérant que l’espèce peut être considérée comme un amalgame de traits polaires et tempérés. Au-delà du nouvel éclairage qu’ils apportent sur la nature et la physiologie des diatomées polaires, les résultats de cette thèse témoignent de la surprenante capacité d’une espèce clé à tolérer des perturbations majeures de l’environnement physique et chimique. Cette capacité explique le caractère ubiquiste de C. gelidus dans l’océan Arctique, et suggère une forte résilience de l’espèce face aux perturbations majeures qui transforment cet océan. / The Arctic Ocean is recognized as the most exposed and sensitive to climate change, as underscored by a drastic reduction in the extent of summer sea ice and rapid warming of the atmosphere and sea surface. By affecting the physico-chemical conditions of the water column (e. g. available light, temperature, nutrient inputs), these alterations can impact the global functioning and biogeochemistry of the marine ecosystem by triggering changes in the growth and elemental composition (stoichiometry) of phytoplankton at the base of the food web. Although, recent studies suggest that the carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) contents as well as the stoichiometry of polar phytoplankton differ from those of phytoplankton at lower latitudes, there is a lack of data assessing how the growth and elemental stoichiometry of ecologically-relevant diatoms respond to changing environmental conditions. Since the complexity of planktonic communities makes it difficult to study the physiological response of key species in situ, this thesis employs a parallel approach that experimentally probes into the influence of physical and nutritional conditions on the growth and stoichiometry of a cosmopolitan diatom in the laboratory. Chaetoceros gelidus is widely distributed in the Arctic Ocean and its ecological importance has been repeatedly emphasized. This unprecedented study of C. gelidus shows that at low temperatures, cell quotas and elemental stoichiometry are highly dependent on the initial nitrate:phosphate ratio in the culture medium. Beyond its obvious methodological implication, this result provides a basis for extrapolating knowledge gained in the laboratory to the natural Arctic environment, where ambient nitrate:phosphate ratios vary greatly from one sector to another. The work also demonstrates that C. gelidus is able to grow at appreciable and identical rates in the presence of different N forms with uneven energetic value, and is able to maintain a fixed stoichiometry regardless of the light level and nitrogen form provided at 0 °C. This unique ability decreases as temperature increases, highlighting the key role of temperature in controlling nitrogen metabolism. Despite its psychrophilic character, C. gelidus exhibits elemental quotas that are surprisingly close to those observed for temperate diatoms, suggesting that the species combines polar and temperate traits. Beyond the new insights they shed on the nature and physiology of polar diatoms, the results of this thesis testify to the surprising ability of a key species to tolerate and cope with major disturbances in its physical and chemical growth conditions. This ability explains the ubiquitous nature of C. gelidus in the Arctic Ocean and suggests a high resiliency of the species in the face of ongoing environmental changes.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les diatomées sont des microorganismes photosynthétiques eucaryotes unicellulaires retrouvées dans tous les environnements aquatiques, particulièrement dominantes dans les régions polaires, assurant ca. 40% de la production primaire marine et ca. 20 % de la production primaire globale. Les microalgues polaires sont exposées à des changements saisonniers drastiques dans la disponibilité de la lumière, allant de journées sans nuit été à la nuit polaire en hiver et avec des changements rapides de la durée d'éclairement au printemps et à l'automne. A la grande amplitude saisonnière de la durée d'éclairement s'ajoute une forte variabilité à court terme de l'intensité lumineuse causée par les interactions entre la lumière, le couvert de glace de mer et les conditions d'enneigement. Sous ce climat de lumière exigeant, de grandes efflorescences printanières de diatomées se produisent à l'interface glace-océan et sous la banquise. Chez les diatomées, bien que la phénologie de la photoacclimatation dans un contexte de changement de l'intensité lumineuse a été largement étudiée, l'impact de la photopériode et du spectre lumineux sur la photophysiologie a été très peu abordé. Cette absence de travaux sur la réponse aux variations de la photopériode et du spectre lumineux est encore plus étonnante chez les diatomées polaires compte-tenu de l'environnement lumineux extrême aux hautes latitudes. L'élucidation de cette réponse est sans doute une des clés pour mieux comprendre leur succès écologique dans les régions polaires et pourrait permettre de mieux prédire les conséquences de la mutation du climat arctique sur sa production primaire marine. Cette thèse de doctorat porte sur l'étude des processus de photorégulation chez la diatomée polaire Fragilariopsis cylindrus en fonction du régime lumineux : photopériode et spectre lumineux. Plus spécifiquement, ce travail s'intéresse à la photoacclimatation, la synthèse de pigments caroténoïdes et à la rythmicité circadienne de l'activité photosynthétique. Cette étude se repose sur une approche exclusivement expérimentale où les conditions de cultures (intensité lumineuse, spectre lumineux, durée d'éclairement, température, biomasse algale) ont été sélectionnées pour être à la fois représentatives des conditions environnementales rencontrées par F. cylindrus au cours de sa période de croissance en Arctique, et permettre sa croissance optimale. Nos travaux ont permis de mettre en avant la plasticité de F. cylindrus à se développer efficacement sous une large gamme de photopériodes et à s'adapter rapidement à un changement soudain de l'environnement lumineux en ajustant finement l'équilibre entre la photochimie et la photoprotection pour tirer le meilleur parti de la lumière disponible, malgré la faible intensité et température. Nos travaux confirment aussi le rôle crucial que joue la photoprotection dans l'acclimatation à court et long termes, permettant aux diatomées de maintenir leur capacité de collecte de lumière et l'intégrité de leur photosystèmes II dans des conditions d'illumination changeantes. Cette capacité est encore plus cruciale lorsque les taux métaboliques sont ralentis par les basses températures. Nous avons également mis en évidence l'existence d'une régulation rythmique photopériodique de la photosynthèse, de la photoprotection et de la synthèse de caroténoïdes chez F. cylindrus. Une étude plus en profondeur de cette rythmicité a permis de révéler l'existence d'une régulation circadienne de la photochimie et de la photoprotection reposant sur l'alternance lumière-obscurité et probablement sur le cycle de division cellulaire, ainsi que la présence d'une rythmicité circadien robuste et endogène de l'allocation de l'énergie au sein des centres réactionnels des photosystèmes II. Nos investigations ont aussi permis d'exposer l'importance du spectre lumineux sur la réponse photoadaptative et la croissance de F. cylindrus, notamment le rôle central, mais non-exclusif (la lumière rouge a aussi son importance), de la lumière bleue dans la régulation des mécanismes de photoprotection et dans l'entrainement de la rythmicité circadienne. Finalement l'exploration des capacités de production de caroténoïdes par F. cylindrus confirment le potentiel des souches de diatomées polaires pour la production de pigments à valeur ajoutée (Fucoxanthine, Diadinoxanthine et Diatoxanthine) dans des conditions de basse température et intensité lumineuse. Ces travaux soutiennent la possibilité d'utiliser les diatomées polaires comme une bioressource efficace, adaptée au froid et à la faible lumière, particulièrement utilisable dans les pays nordiques pour la production de biomasse à valeur ajoutée, et le développement d'une nouvelle économie nordique basée sur les ressources marines microalgales. / Diatoms are unicellular eukaryotic photosynthetic microorganisms found in all aquatic environments, particularly dominant in the polar areas, that support ca. 40% of marine primary production and ca. 20% of the global primary production. Polar microalgae experiment dramatic seasonal changes in light availability, ranging from endless days in summer to the polar night in winter, with rapid changes in day length in spring and fall. In addition to the large seasonal amplitude of day length, there is a strong short-term variability in light intensity caused by interactions between light, sea ice cover and snow conditions. Under this light-demanding climate, large spring diatom blooms occur at the sea ice-ocean interface and beneath the pack ice, accounting for a significant proportion of the annual marine primary production in the Arctic Ocean and essential to Arctic marine ecosystem food-webs. In diatoms, although the phenology of photoacclimation in the context of changing light intensity has been widely studied, the impact of photoperiod and light spectrum on the photophysiology is not well documented. This lack of work on the response to variations in photoperiod and light spectrum is even more surprising in polar diatoms given the extreme light environment at high latitudes. Answering this aspect of polar diatom photophysiology is arguably one of the keys to the better understanding of their ecological success in the polar regions and would help to better predict the consequences of the change in the Arctic climate on its marine primary production. This doctoral thesis, studies the photoregulation processes in the polar diatom Fragilariopsis cylindrus according to the light regime: photoperiod and light spectrum. More specifically, it focused on the photoacclimation, the carotenoid pigments synthesis and the circadian rhythmicity of photosynthetic activity. This study relies on an exclusively experimental approach, where the culture conditions (light intensity, light spectrum, day length, temperature, algal biomass) were selected to be both representative of the environmental conditions encountered by F. cylindrus during its growth period in the Arctic and to allow its optimal growth. Our work highlight the plasticity of F. cylindrus to develop efficiently under a wide range of photoperiods and to adapt quickly to a sudden change in the light environment by finely adjusting the balance between photochemistry and photoprotection to make the most of available light, despite low light intensity and temperature. Our work also confirms the crucial role of the photoprotection mechanisms in the short- and long-term acclimation, enabling diatoms to maintain their light-harvesting capacity and the integrity of their photosystems II under changing light conditions, a capacity even more crucial when metabolic rates are slowed by low temperatures. Furthermore, we have demonstrated the existence of a photoperiodic rhythmic regulation of photosynthesis, photoprotection and carotenoid synthesis in F. cylindrus. A more in-depth study of this rhythmicity revealed the existence of a circadian regulation of photochemistry and photoprotection based on the light-dark alternation and probably on the cell division cycle. We have also reported the existence of a robust and endogenous circadian rhythmicity, in the allocation of energy in the reaction centers of photosystems II. Our investigations have also revealed the importance of the light spectrum on the photoacclimative response and the growth of F. cylindrus. Especially, the key role, but not exclusive (red light is also important), of blue light in the regulation of photoprotection mechanisms and the entraining of the circadian rhythmicity. Finally, the exploration of carotenoid production capacities by F. cylindrus confirms the potential of polar diatom strains for the production of added-value pigments (Fucoxanthin, Diadinoxanthine Diatoxanthine) under low temperature and light intensity conditions. These results support the possibility of using polar diatoms as an efficient bioresource, adapted to cold and low light, particularly usable in Nordic countries for the production of added-value biomass, and for the development of a new economy based on microalgal marine resource.

Les arbustes éricacées sont réputés pour nuire à la croissance de l’épinette noire (Picea mariana (Mill.) [B.S.P.]) par une forte compétition pour les ressources. L’ouverture de la voûte forestière par la coupe peut intensifier cette compétition et mener à l’envahissement des plantes éricacées. L’objectif de ce projet de recherche était d’expliquer, par l’évaluation de la réponse des traits fonctionnels, le potentiel d’envahissement des éricacées et la stagnation de la croissance de la régénération naturelle d’épinette noire après coupe dans le domaine de la pessière noire à mousses de l’est. Le premier volet de la thèse démontre que le thé du Labrador (Rhododendron groenlandicum [Oeder] Kron & Judd) s’acclimate rapidement à l’augmentation de lumière causée par la coupe, spécialement dans les coupes les plus intenses, par des modifications physiolgiques. De son côté, les traits morphologiques de l’épinette noire n’ont pas répondu au changement d’environement créé par la coupe, indicant soit une absence ou un délai d’acclimatation. La deuxième expérience terrain a permis de constater que la photosynthèse de l’épinette noire était influencée négativement par la présence des plantes éricacées sur le parterre de coupe, et ce, peu importe la qualité de la station étudiée. Cette réduction du taux de photosynthèse serait attribuable à la plus faible disponibilité en azote minéral dans les parcelles témoin résultant d’une forte compétition souterraine des plantes éricacées pour les ressources nutritives du sol. Une troisième expérience en serre a démontré que la masse foliaire par unité de surface (LMA) du Rhododendron et du Kalmia a diminué avec l’ombrage. L’épinette noire a montré une taux d’absorption et un taux d’absorption spécifique supérieurs à des niveaux d’azote plus élevés comparativement aux éricacées. La plasiticité envers la lumière fut supérieure pour le Kalmia (sauf pour la LMA) et celle envers l’addition d’azote fut supérieure pour le Rhododendron et l’épinette suggérant que la plasticité des traits est en accord avec le statut successionnel des espèces. / Ericaceous shrubs are known to impair black spruce (Picea mariana (Mill.) [B.S.P.]) growth by creating a strong competition for below and aboveground resources. Opening of the forest canopy with harvest can intensify this competition and lead to enroachment of ericaceous shrub. Our objective was to explain, through evaluation response of functional traits, ericaceous potential enroachment after logging and stagnant growth of black spruce advance regeneration in the Quebec’s eastern black spruce-feathermoss sub-domain. The first chapter demonstrated the rapid acclimation of bog Labrador tea (Rhododendron groenlandicum [Oeder] Kron & Judd) to higher light availability created by logging, especially in the more intense treatements, through a modification of both physiological leaf traits. On the other hand, black spruce leaf traits did not respond to changes in environement associated with logging; this may indicate either an absence or a delay in acclimation. In a second field experiment, black spruce photosynthetic rate was negatively influenced by ericaceous shrub presence on the cutting area, regardless of the site fertility quality. The lower photosynthesis rate of black spruce, when associated with ericaceous shrubs, could be resulting of a lower mineral soil nitrogen availability created by a greater belowground competition for ressources form the ericaceous shrubs. A third experiment under greenhouse conditions showed that Rhododendron and Kalmia leaf mass per unit of area (LMA) was reduced by shading, but was similar for black spruce. There were few differences in trait response to N addition among species. Black spruce showed higher absorption rate and specific absorption rate at higher N levels, compared to the two ericads. Plasticity to light was higher for Kalmia (except for LMA) and plasticity for nitrogen addition was higher for Rhododendron black spruce suggesting that trait plasticity is in accordance with successional status of these species.

La réponse physiologique au stress sodique de semis d’épinette blanche (Picea glauca (Moench) Voss) et de pin gris (Pinus banksiana Lamb.) inoculés avec des champignons ectomycorhiziens (ECM) a été évaluée afin de déterminer les bénéfices de l’inoculation pour la croissance et la survie. Ces expériences ont été menées avec un objectif appliqué servant l’amélioration des techniques de production de semis destinés à la végétalisation de sols reconstitués à partir de rejets salins issus de l’exploitation des sables bitumineux dans le Nord-Est de l’Alberta (Canada). Dans un premier volet, nous avons observé que le potentiel inoculant de sols reconstruits d’âges différents ainsi que des matériaux utilisés pour la reconstruction des sols est très faible voire nul. Dans un deuxième temps, la résistance et la réponse physiologique in vitro de champignons ecto- et ectendomycorhiziens (Hymenoscyphus sp., Phialocephala sp., Suillus tomentosus (Kauff.) Sing., Snell and Dick, Laccaria bicolor (Maire) Orton, Hebeloma crustuliniforme (Bull) Quel.) de différentes provenances ont été déterminées. Enfin, des semis d’épinette blanche et de pin gris inoculés en serre avec les trois champignons ECM évalués in vitro ont été exposés à différents niveaux d’excès de NaCl. La mesure d’un ensemble d’indicateurs physiologiques a montré que les mycobiotes sont capables d’influencer la réponse de l’hôte face à une concentration donnée de NaCl. L’inoculation d’une souche de S. tomentosus, isolée d’un site salin et sodique, a permis une augmentation de la production de biomasse des semis et l’inoculation avec une souche de H. crustuliniforme a favorisé les capacités d’ajustement osmotique des semis. Ces deux champignons sont des espèces potentielles pour l’inoculation contrôlée en pépinière. / The physiological response of inoculated ectomycorrhizal (ECM) white spruce (Picea glauca (Moench) Voss) and jack pine (Pinus banksiana Lamb.) seedlings to sodic stress was evaluated to determine the benefits of inoculation for growth and survival. These experiments served the improvement of nursery seedling production for revegetation of reconstructed soils from tailing sands originating from the oil sand mining in Northeastern Alberta (Canada). In a first step, we showed that the inoculum potential of reconstructed soils of different ages and materials used in soil reconstruction was very low or null. In a second step, the resistance and physiological response of five ecto- and ectendomycorrhizal fungal species (Hymenoscyphus sp., Phialocephala sp., Suillus tomentosus (Kauff.) Sing., Snell and Dick, Laccaria bicolor (Maire) Orton, Hebeloma crustuliniforme (Bull) Quel.) from different sources were assessed in vitro. Finally, white spruce and jack pine seedlings inoculated in greenhouse with the three ECM fungi evaluated in vitro were exposed to different concentrations of NaCl. Using several physiological indicators, mycobionts were showed to influence host response to a given NaCl concentration. Under sodic conditions, inoculation with an isolate of S. tomentosus from a saline and sodic site increased seedling biomass production and inoculation with an isolate of H. crustuliniforme increased seedling osmotic adjustment capabilities. The latter two fungi are potential candidates for tree nursery inoculation.

Le Loup ou Bar Dicentrarchus labrax est une espèce euryhaline dont les femelles pondent généralement en eau de mer. Pendant son cycle de vie, des migrations vers les estuaires et les lagunes, peuvent exposer très tôt les jeunes stades à des variations de salinité. Les mécanismes de l'osmorégulation sont bien connus chez les prélarves, les larves et les adultes de D. labrax en eau de mer (EM, 38) et en eau de mer diluée (EMD, 5), cependant les possibilités d'osmorégulation et leurs mécanismes sont inconnus chez les embryons. Le but de cette étude a été d'évaluer la mise en place de la fonction osmorégulatrice chez les embryons de D. labrax.Tout d'abord le développement embryonnaire des différents sites osmorégulateurs a été décrit, en se focalisant sur le tube digestif, en incluant le pharynx et les premières fentes branchiales. La formation de ces structures débute au stade 12 somites (S) et a été décrite jusqu'à l'ouverture de la bouche, 5 jours après l'éclosion.En second lieu, le lieu et la cinétique d'apparition des premières cellules osmorégulatrices, les « ionocytes » ont été recherchés. Ces cellules ont été identifiées au stade 12S sur la membrane de la vésicule vitelline et au niveau des premières fentes branchiales et du tube digestif primitif au stade 14S. La fonctionnalité de ces cellules a été étudiée grâce à des immunomarquages des principales protéines transmembranaires impliqués dans l'osmorégulation [l'ATPase Na+/K+ (NKA), le cotransporteur Na+/K+/2Cl- (NKCC) et le canal à chlore (CFTR)], et avec une étude ultrastructurale. Des ionocytes potentiellement fonctionnels sont présents à partir du stade 25S au niveau de la membrane de la vésicule vitelline et du tube digestif primitif, mais les ionocytes des premières fentes branchiales ne sont pas totalement fonctionnels à l'éclosion. L'existence d'un phénomène de boisson passive qui permettrait la régulation hydrique chez D. labrax est envisagé.Finalement, l'osmorégulation embryonnaire existant en EM et en EMD a été étudiée. Des mesures nanoosmométriques des fluides embryonnaires indiquent une capacité à hyper- et hypo-osmoréguler. Cependant, en EMD, des analyses en qRT-PCR et des immunomarquages de NKA, NKCC et CFTR révèlent que les mécanismes de l'hyper-osmorégulation peuvent limiter les pertes ioniques mais ne sont pas suffisamment efficaces pour permettre une acclimatation totale à l'EMD à ce stade très précoce. / The European sea bass Dicentrarchus labrax is a euryhaline species which usually spawns in seawater. Due to its life cycle that includes migrations to lagoon and estuaries, young stages can be exposed early to salinity variations. Osmoregulatory patterns are well known in prelarvae, larvae and adults D. labrax in seawater (SW, 38) and in dilute seawater (DSW, 5), but the possibility and mechanisms of embryonic osmoregulation are still unknown. The goal of this study was to investigate the occurence of the omoregulatory function in the embryos of D. Labrax.First, the embryonic development of the different osmoregulatory sites was described, focusing on the digestive system including the pharynx and the first gill slits. The formation of these structures is initialized at stage 12 somites (S) and was described throughout the opening of the mouth five days after hatching.Secondarily, the time and the location of the occurrence of the first osmoregulatory cells, the ionocytes were followed. These cells were identified at stage 12S on the yolk sac membrane and at stage 14S in the first gill slits and in the posterior primitive gut. The functionality of these cells was studied, using immunostaining of the main ionic transporters involved in osmoregulation [the Na+/K+ ATPase (NKA), the Na+/K+/2Cl- cotransporter (NKCC) and the chloride channel (CFTR)], and through ultrastructural investigations. Potentially functional ionocytes are present from stage 25S in the yolk sac membrane and in the gut, but gill slits ionocytes are not fully functional at hatching. Passive drinking is suspected to regulate water balance in D. labrax.Finally, the embryonic osmoregulation in SW and DSW was investigated. Nanoosmometry measurements of the embryonic fluids demonstrated some capabilities of hyper- and hypo-osmoregulation. However, in DSW, qRT-PCR and imunostaining of NKA, NKCC and CFTR, reveal that hyper-osmoregulatory mechanisms can only limit ion loss but are not efficient enough to allow a full acclimation at this early life stage.

La production hydroélectrique est fortement impactée par la sédimentation dans les retenues de barrages, qui sont influencés par l'occupation du sol, l'infiltration et les interactions entre les eaux de surface et les aquifères. Pour le paiement des Services Hydrologiques Environnementaux au Costa Rica, une quantification de l'impact des utilisations des terres cultivées en café sur le fonctionnement des bassins est nécessaire. Cette thèse vise à : 1) étudier les composantes du bilan hydrologique dans un bassin agroforestier récemment installé 2) à quantifier les flux d'eau et de sédiments à différentes échelles : de la parcelle au bassin et de l'événement de crue à l'échelle annuelle, et 3) à simuler le bilan hydrique et la production de sédiments en tenant compte du ruissellement sur les versants et les routes. Les processus hydrologiques, écophysiologiques et de transfert de sédiments ont été suivis sur le bassin (pluie, débit, évapotranspiration, humidité du sol, niveau de l'aquifère, turbidité) et les parcelles (ruissellement de surface et érosion). Un nouveau modèle éco- hydrologique a été développé pour simuler les termes du bilan hydrologique et de sédiments. Des améliorations sont en cours pour tenir compte de l'effet des routes sur la genèse du ruissellement de surface et de l'érosion. Le faible ruissellement de surface, la faible érosion des parcelles et la faible production de sédiments, compte-tenu des conditions biophysiques et des pratiques de gestion (arbres d'ombrage, désherbage), offrent clairement des Services Ecosystémiques en réduisant les transferts superficiels de pesticides et de sédiments et en permettant une bonne régulation du débit de rivière. / The profitability of hydropower is affected by soil erosion and sedimentation in dam reservoirs, which are influenced by land use, infiltration and aquifer interactions with surface water. In order to promote the payment of Hydrological Environmental Services (HES) in Costa Rica, a quantitative assessment of the impact of land uses (such as coffee farming) on the functioning of drainage basins is required. This thesis seeks: 1) to study the water balance partitioning in a newly installed coffee agroforestry basin 2) to estimate the water and sediment yield at various spatio-temporal scales: from plot to basin and from event to annual scale; and 3) to simulate the water and sediment yields, at both annual and peakflow scale, by including the surface runoff from hillslopes and roads. The main hydrological, ecophysiological and sediment processes were monitored during one year at the basin (rainfall, streamflow, evapotranspiration, soil humidity, aquifer level, turbidity) and at the plots (surface runoff and erosion). A new eco-hydrological model was developed to close the water balance, and the annual sediment yield was also quantified. Improvements are in progress to take into account the effect of roads in surface runoff generation. The low surface runoff, low plot erosion and low basin sediment yield observed under the current biophysical conditions (andisol) and management practices (no tillage, planted trees, bare soil kept by weeding), offer potential HES by reducing the superficial displacement capacity for fertilizers and pesticides, yielding low sediment loads and regulating streamflow variability through highly efficient mechanisms of aquifer recharge-discharge.

En forêt tropicale humide Amazonienne, les facteurs gouvernant l'évolution des espèces d'arbres restent peu connus et continuellement débattus. En particulier, les micro-variations environnementales attirent beaucoup d'attention car elles induisent de profondes modifications de structure et composition des communautés. Les variations micro-environnementales associées à la topographie ont couramment été évoquées comme facteur de radiations adaptatives chez les espèces d'arbres. Cependant, l'hypothèse de l'adaptation locale n'a jamais été testée au niveau intra-spécifique chez les arbres de forêt amazonienne alors que l'on sait que la diversité génétique des arbres tropicaux est couramment structurée à faibles échelles spatiales par des processus neutres (en particulier du fait de restrictions de flux de gènes). Dans cette étude, j'ai étudié le processus de différentiation génétique d'une espèce d'arbre (Eperua falcata, Fabaceae) dans les paysages forestiers de Guyane française grâce à la combinaison d'une approche phénotypique (génétique quantitative) et d'une approche moléculaire (génétique des populations). Je me suis attachée à répondre à trois questions principales : 1) Comment se distribue la diversité génétique dans les paysages forestiers de Guyane française ? 2) Quelles forces évolutives sont impliquées dans le processus de différentiation génétique à faible échelle spatiale ? 3) Est-ce que le processus d'adaptation locale contribue à structurer la diversité génétique à faible échelle spatiale ? / In the tropical rainforest of Amazonia, the factors driving the evolution of tree species remain poorly understood, and the relative influence of neutral and adaptive processes is continuously debated. In particular, local habitat patchiness draws much attention, as profound changes in the structure and composition of forest communities occur among micro-habitats. Thus, micro-environmental variations related to topography have frequently been invoked as drivers of adaptive radiation leading to sympatric speciation in Neotropical trees. On one hand, the hypothesis of local adaptation has never been investigated at the intra-specific level, i.e. within species currently undergoing population differentiation; on the other hand, many tree species are genetically structured over local scales due to neutral processes, mainly limited gene flow (caused by restricted pollen and seed dispersal). In this study, I used populations of a common tree species of the Guiana Shield - Eperua falcata (Fabaceae) - to study how neutral and adaptive processes shape the distribution of genetic diversity across forest landscapes characterized by local micro-habitat patchiness. I asked three main questions by combining both phenotypic (quantitative genetics) and molecular (population genetics) approaches: 1) How is the genetic diversity structured in forest landscapes of French Guiana? 2) Which evolutionary drivers are relevant to explain the structure of genetic diversity at local scale? 3) Does local adaptation contribute to structure genetic diversity within continuous populations?

Le loup ou bar européen effectue une partie de son cycle de vie dans les lagunes et estuaires, des eaux de transitions caractérisées par des fluctuations environnementales plus marquées qu’en milieu marin. Les mécanismes d’acclimatation à la salinité à des températures plus élevées qu’en milieu marin sont encore relativement inexplorés. Dans cette étude, des juvéniles de loup ont été préacclimatés pendant deux semaines à l’eau de mer (EM) à 18 °C (eau tempérée) ou à 24 °C (eau chaude) puis transférés soit dans l’eau douce (ED) soit dans l’EM aux deux températures testées. À 24 °C, les loups parviennent à maintenir leur pression osmotique sanguine relativement constante, quelle que soit la salinité testée. En revanche, la hausse de température affecte significativement différents traits physiologiques liés à l’osmorégulation, la régulation acido- basique, l’excrétion azotée et la production de mucus. Cette étude a notamment montré qu’une acclimatation thermique à 24 °C modifie la structure morphologique de la branchie et induit un déséquilibre de la balance ionique sanguine. Ce déséquilibre concerne particulièrement les ions Na+ et a pour conséquence une diminution du ratio Na+/Cl- plasmatique, pouvant être symptomatique d’une acidose sanguine. Après transfert en douce, une augmentation moins importante de la densité des ionocytes branchiaux et de l’activité de la pompe Na+/K+ ATPase a été observée à 24 °C comparé à 18 °C. De plus, certains transporteurs ioniques jouant un rôle clé dans l’absorption ionique en eau douce n’ont pas été induits au niveau transcriptionnel à 24 °C. Cela suggère une capacité réduite des poissons de passer d’un épithélium branchial hypo-osmorégulateur vers un épithélium hyper-osmorégulateur lors d’un transfert en eau douce à 24 °C vs 18 °C. Au niveau moléculaire, la hausse de température a affecté l’expression de plusieurs transporteurs ioniques branchiaux, notamment en EM. À 24 °C, la surexpression de transporteurs liés au transport de proton H+ pourrait être le signe d’un déséquilibre acido- basique. De plus, l’induction de transporteurs d’ammonium pourrait indiquer un besoin accru d’excréter de l’azote par voie branchiale, potentiellement lié à un métabolisme plus élevé en eau chaude. L’expression des gènes codant pour la protéine chaperonne HSP90 a été fortement affectée par la hausse de température et dans une moindre mesure par la dessalure. Pour finir, l’analyse des mucocytes suggère que la production de mucus pourrait être induite en réponse au stress thermique. Ce type d’étude fonctionnelle sur l’acclimatation à différents régimes de température permet d’apporter des éléments de compréhension pour pouvoir prédire les réponses des téléostéens face aux conséquences du changement global. / The European sea bass Dicentrarchus labrax undertakes seasonal migrations to estuaries and lagoons that are characterized by fluctuations in environmental conditions. It is unclear to what extent salinity acclimation mechanisms are affected at temperatures higher than in the sea, as usually encountered in transitional waters in spring and summer. In this study, juvenile sea bass were pre-acclimated to seawater (SW) at 18 °C (temperate) or 24 °C (warm) for two weeks and then transferred to either fresh water (FW) or SW at the considered temperatures. We have shown that sea bass are able to efficiently maintain blood osmolality at 24 °C at both salinities. However, temperature increase induced significant changes regarding several physiological traits related to osmoregulation, acid-base regulation, ammonia excretion and mucus production. This study showed that thermal acclimation at 24 °C affects gill morphology through gill remodeling and whole-organism ion balance. Plasma Na+ levels seemed to be particularly affected leading to decreased plasma Na+/Cl- ratio in warm conditions, suggesting a blood acidosis. Following FW transfer, the major effects observed were a lower increase in the density of branchial ionocytes and in Na+/K+-ATPase activity at 24 °C compared to 18 °C. Moreover, several key ion transporters involved in ion uptake were not transcriptionally induced following FW transfer at 24 °C. These data suggest a less effective capacity to switch from hypo-to hyper-osmoregulation after FW transfer when fish are exposed to higher temperature. At the molecular level, the temperature increase affected the expression of several branchial transporters, notably in SW. At 24 °C, higher expression of transporters linked to H+ transport might be linked to an acid-base imbalance. Moreover, the induction of ammonia-transporting channels might also indicate increased need for nitrogen excretion, potentially due to enhanced metabolism in warm conditions. Molecular chaperones HSP90 expression was strongly affected by temperature increase and to a lesser extent by salinity decrease. Finally, gill goblet cells analysis suggested that mucus production is increased in response to thermal stress. This study and additional functional studies investigating different temperature regimes provide insights on the effect of increased temperatures on fish responses and may help to predict how teleost will face the consequences of global change.

L’anticipation des effets des changements climatiques nécessite une bonne compréhension dufonctionnement carboné des écosystèmes continentaux. L’une des principales contraintes liées àl’étude de ces écosystèmes est la forte variabilité à la fois spatiale et temporelle de leurs flux decarbone et de leurs réponses aux contraintes abiotiques. L’usage de méthodes de télédétectionoptiques pourrait permettre de suivre de façon spatialisée le fonctionnement des couverts végétaux.Ce travail vise à évaluer le potentiel de méthodes de télédétection pour décrire la structure et lefonctionnement de couverts végétaux à des échelles spatiales et temporelles variées. Pour ce faire,les relations entre indices optiques et phénomènes biologiques ont été étudiées en suivant unedémarche de transfert d’échelle, des échelles les plus fines aux plus larges. Il a été montré que le PRI(Photochemical Reflectance Index), utilisé en tant qu’indicateur du LUE (Light Use Efficiency), est parnature un signal composite qui reflète principalement la régulation du rendement de laphotosynthèse sur des échelles de temps fines, et la structure et composition biochimique ducouvert à l’échelle de la saison. L’analyse de courbes de réponse du PRI au PAR (PhotosyntheticallyActive Radiation) a permis de déconvoluer ces deux sources de variabilité, via l’introduction duconcept de PRI0 ou PRI d’une feuille idéalement adaptée à l’obscurité. Ce PRI0, capturant la variabilitédu PRI indépendante du LUE, a pu être mesuré à l’échelle de la feuille, et estimé à l’échelle de jeunescouverts végétaux et de la parcelle. Cette variabilité a pu être expliquée à l’échelle de la feuille et dejeunes couverts végétaux par les variations du contenu en pigment des feuilles. A l’échelle depeuplements adultes et de l’année, elle résulte cependant d’effets combinés de la compositionbiochimique et de la structure des couverts qui n’ont pu être séparés. Ces effets sont susceptiblesaux échelles larges de masquer en bonne partie, voire de biaiser la relation entre PRI et LUE. Il a enoutre été montré que la représentativité du PRI est limitée aux strates supérieures des canopées etdépend de la structure du couvert et du climat lumineux, ce qui peut limiter son intérêt en tantqu’estimateur du LUE à l’échelle de l’écosystème. Ces résultats soulignent la nécessité de prendre encompte la structure et la composition biochimique des couverts végétaux dans le cadre d’uneutilisation du PRI en tant que proxy du LUE de l’écosystème. / In order to assess the effect of global warming, a good understanding of carbon functioning ofterrestrial ecosystems is needed. The study of terrestrial ecosystem carbon fluxes and responses toabiotic stress remain challenging due to their high spatial and temporal variability. The use of remotesensing may help us to describe those sources of variability. The aim of this work is to assess thepotential of remote sensing as a way to describe canopy structure and functioning over a broadrange of temporal and spatial scales. The relationships between optical indices and biologicalphenomenon were investigated over a range of increasing scales. The PRI (PhotochemicalReflectance Index), used as a proxy of the LUE (Light Use Efficiency) was shown to be a compositesignal, mainly impacted by the regulation of the LUE at short time scales, and by canopy structureand pigment content at seasonal scale. The analysis of PRI response to PAR (PhotosyntheticallyActive Radiation) allowed us to deconvolve those two sources of variability thanks to theintroduction of the PRI0 defined as the PRI of ideally dark adapted leaves. The PRI0 was shown toefficiently describe the LUE unrelated PRI variability, and could be measured at leaf scale, andestimated at the leaf, canopy and stand scales. This variability could be explained by changes in leafpigment content over the growing season at leaf and canopy scales. At the stand scale and over theyear, this LUE independent PRI variability resulted from combined effects of canopy structure andpigment content, which could not be separated. These effects may result in biased or masked PRIversus LUE relationships at larges scales. Moreover, it was shown that the in-situ PRI measurementsmainly responded to the LUE of sunlit leaves, depending on canopy structure and sky conditions. Thismay considerably hamper the use of the PRI as a proxy of the whole ecosystem LUE. These resultsillustrate the need to take canopy structure and pigment content into account while using the PRI asa proxy of the ecosystem LUE.

Les coraux Scléractiniaires se développent généralement dans la zone photique peu profonde, exposée au rayonnement ultraviolet (UVs), la composante la plus dangereuse du rayonnement solaire. Le rayonnement UVs augmente avec le réchauffement climatique et s’ajoute à l’ensemble des pressions auxquelles sont soumis les coraux. Les enjeux de cette thèse ont été 1) de mieux comprendre les effets des UVs sur la réponse physiologique des coraux, les flux de matière organique et les bactéries associées au mucus et au corail; et 2) de caractériser l’effet combiné des UVs et d’une augmentation de température, et/ou d’un changement de disponibilité en sels nutritifs. Les résultats obtenus montrent tout d’abord que l’exposition des coraux aux UVs amplifie l’effet négatif de la température sur leur physiologie. Il en est de même pour l’absence en sels nutritifs, essentiels pour la physiologie corallienne. Nos résultats indiquent également que la sensibilité des coraux à un stress UV dépend de l’espèce étudiée et de la densité de symbiontes présents dans les tissus. L’effet négatif des UVs augmente avec la densité de symbiontes, vraisemblablement dû à la formation d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) qui provoquent des dommages à l’organisme. Dans cette thèse, nous avons montré que la voie de signalisation JNK (c-Jun N-terminal kinase), hautement conservée au sein des êtres vivants, est impliquée dans la gestion de ces espèces réactives et que son inhibition entraine un blanchissement très rapide des coraux sous UVs et forte température. Finalement, l’excrétion de matière organique ainsi que les bactéries associées sont également impactés par les UVs ce qui pourrait contribuer à d’importants changements biochimiques dans l’eau des récifs coralliens. Les travaux de cette thèse apportent de nouvelles connaissances sur les effets des UVs sur les coraux et soulignent l’importance de les prendre en considération lors de nos prédictions sur le devenir des récifs coralliens face au réchauffement climatique. / Scleractinian corals mainly grow in the shallow euphotic zone, exposed to ultraviolet radiation (UVR), the most harmful part of the solar radiation. UVR increases with climate change and adds to the different environmental pressures that corals are facing. The aims of this thesis were to 1) better understand the effects of UVR on coral physiology, organic matter fluxes and associated bacteria; 2) assess the combined effects of UVR and thermal stress and/or nutrient level. Results show that UVR worsens the negative effect of temperature on coral physiology, similarly to nutrient depletion. Our results also indicate that the sensitivity to UVR stress (i.e. an increase in UVR) is species dependent and function of the symbiont density. The negative effects of UVR increase with the number of symbionts, likely due to the formation of reactive oxygen species (ROS) which cause cellular damages. In the thesis, we showed that the JNK signalling pathway (c-Jun N-terminal kinase), highly conserved in living organisms, is involved in the early response of corals to UVR and its activation is required to repress stress-induced ROS accumulation. Finally, organic matter release and mucus and coral-associated bacteria are also significantly impacted by UVR, which could contribute to important biochemical changes in reef waters. The work conducted in this thesis brings new insights into the effects of UVR on corals and highlights the importance of taking this environmental factor into account when predicting the future of coral reefs under climate change.