Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les changements climatiques ont des effets importants sur la dynamique des écosystèmes subarctiques puisqu'ils résultent généralement en de meilleures conditions de croissance pour les espèces végétales. Une telle amélioration pourrait se répercuter sur la performance des espèces ligneuses et mener à la densification ou à l'avancée des peuplements arbustifs et arborescents, ce qui résulterait en la complexification de la structure verticale de ces écosystèmes. L'objectif de cette étude est de caractériser la biomasse, la croissance et l'évolution de la structure des communautés végétales au Nunavik (Québec). Pour ce faire, la caractérisation et l'échantillonnage de trois stations couvrant un gradient latitudinal s'étendant de la zone de la pessière à lichens jusqu'à la toundra arbustive ont été réalisés lors des étés 2018 et 2019. En plus des relevés de végétation permettant de quantifier la strate arbustive, des échantillons de Betula glandulosa ont été récoltés afin d'effectuer des analyses dendrochronologiques. Nos résultats montrent que les caractéristiques du couvert arbustif sont plutôt fonction de la formation végétale échantillonnée que de la position le long du gradient latitudinal, soulignant l'importance des facteurs biotiques (compétition) et abiotiques (topographies, expositions au vent) sur la dynamique de la strate arbustive. Nos résultats démontrent également que le taux de croissance vertical de B. glandulosa tend à diminuer du sud vers le nord le long du gradient d'intérêt. Finalement, nous avons également démontré que la croissance radiale de cette espèce dépend principalement de la température estivale et des précipitations en début de saison hivernale. Toutefois, les individus dans la portion nord du gradient ont une sensibilité climatique plus élevée que ceux de la portion sud. Nos résultats démontrent que le développement de la structure verticale de la strate arbustive sera plus lent pour les écosystèmes de la zone bioclimatique de la toundra arbustive, et ce même si la performance de l'espèce arbustive dominante y présente une sensibilité climatique accrue. / Climate change has important effects on the dynamics of subarctic ecosystems since it generally results in better growing conditions for plant species. Such an improvement could have repercussions on the performance of woody species and lead to the densification or advance of shrub and tree stands, which would increase in the complexity of the vertical structure of these ecosystems. The objective of this study is to characterize biomass, growth and the evolution of the plant structure of plant communities in Nunavik (Quebec). To do so, we characterized and sampled of three stations covering a latitudinal gradient extending from the spruce-lichen forest to the shrub tundra during the summers of 2018 and 2019. Vegetation surveys were carried out to quantify the shrub layer and samples of Betula glandulosa were collected to perform dendrochronological analyses. Our results show that shrub cover characteristics are more a function of the plant formation sampled than of the position along the latitudinal gradient, suggesting that biotic (competition) and abiotic (topography, wind exposures) factors have a strong influence on the dynamics of the shrub layer. Our results also show that the vertical growth rate of B. glandulosa tends to decrease from south to north along the gradient. Finally, we also demonstrated that the radial growth of this species mainly responds on summer temperature and early winter precipitation. However, individuals in the northern portion of the gradient have a higher climate sensitivity than those in the southern portion. Our results show that the development of the vertical structure of the shrub layer will be slower in the shrub tundra bioclimatic zone, even if the performance of the dominant shrub species has an increased climatic sensitivity in this zone.

Les communautés microbiennes dominent la plupart des écosystèmes aquatiques en termes de biomasse et de productivité, particulièrement dans les environnements nordiques hostiles à la faune et la flore macroscopiques. Les virus y contrôlent l'abondance des populations microbiennes et peuvent modifier le métabolisme des cellules infectées par l'utilisation de gènes métaboliques auxiliaires. Le court-circuit viral affecte aussi le transfert des nutriments et de l'énergie dans les réseaux trophiques en emprisonnant l'énergie dans la boucle microbienne, ne la rendant accessible qu'aux micro-organismes. Ces manipulations de l'activité de la prépondérante biomasse microbienne peuvent se répercuter jusque dans les cycles biogéochimiques des environnements aquatiques nordiques. La salinité est une caractéristique importante de ces écosystèmes puisqu'elle influence directement le métabolisme des micro-organismes. Chez les virus, ces effets se traduisent dans leur distribution, leur infectivité et leurs interactions avec leurs hôtes. L'objectif de cette thèse est d'offrir une connaissance approfondie de l'écologie des virus aquatiques en examinant plus spécifiquement les changements de diversité selon les gradients de salinité dans les milieux nordiques. La composition des communautés virales a donc été étudiée dans trois sites nordiques sélectionnés pour leur importance écologique et la spécificité de leur zone de transition saline. D'abord, une approche par amplification PCR de marqueurs conservés pour les Phycodnaviridae et les Picornavirales a permis de dresser un portrait des virus infectant le phytoplancton dans la zone de turbidité maximale du fleuve Saint-Laurent, important cours d'eau d'Amérique du Nord. La détection de ces virus dans six sites allant de l'habitat dulcicole à l'habitat marin a révélé peu de phylotypes viraux communs entre les sites d'eau douce et d'eau salée. La salinité semble ainsi y être le premier déterminant de la composition de la communauté virale. De plus, nos analyses indiquent que les virus découverts dans l'estuaire du Saint-Laurent divergent de ceux qui ont déjà été classifiés et des virotypes d'environnements comparables publiés. Ces résultats suggèrent que des virus à ADN et à ARN infectant le phytoplancton seraient actifs dans la zone de turbidité maximale et que cette région possède des assemblages viraux uniques. Ensuite, une approche viromique a permis de caractériser les communautés virales d'un lac arctique hautement stratifié, le lac A, dont les eaux profondes issues de l'océan Arctique ancien se sont révélées riches en virus nouveaux. Ce type de lacs à stratification pérenne est dépendant de la couverture de glace qui maintient la structure chimique de sa colonne d'eau et la distribution des communautés microbiennes qui y sont associées. Les communautés virales des trois strates du lac étaient remarquablement distinctes, ce qui suggère qu'il y a peu d'échange de virotypes entre elles. L'abondance virale et les ratios virus/procaryotes étaient plus élevés en profondeur et la division nette des communautés virales correspondait avec celle d'hôtes potentiels. Les communautés virales du lac A se distinguaient aussi de données de l'océan Arctique et du lac méromictique Ace Lake en Antarctique. Enfin, la même approche viromique peu invasive développée pour les travaux de la présente thèse a permis de documenter la diversité virale du dernier lac épiplateforme de l'Arctique, le lac épiplateforme du fjord Milne. Contrairement aux résultats obtenus au lac A, les assemblages viraux de surface étaient les plus diversifiés et une communauté virale propre à la chémocline du lac n'a pas pu être détectée. La division nette entre les assemblages dulcicoles et marins s'expliquait principalement par la conductivité et la concentration en oxygène dissout. La caractérisation de certains groupes de virotypes cooccurents a aussi permis de prévoir leurs hôtes potentiels. Les zones de transition étudiées dans cette thèse sont maintenues par des équilibres hydriques et glaciaires fragiles, déjà perturbés par les changements climatiques et l'activité humaine. Avec le réchauffement accéléré des régions nordiques, la fonte est accrue dans la plateforme glacière du Groenland et les glaciers continentaux. Ce fort débit d'eau douce qui se jette dans les océans Arctique et Atlantique Nord risque de déséquilibrer la circulation thermohaline et de bouleverser la surface des écosystèmes marins, réservoirs de productivité primaire microbienne irremplaçables. Connaissant les effets de l'activité virale dans les écosystèmes aquatiques, il est urgent de décrire les communautés virales d'environnements changeants, comme les zones de transition saline, afin de décrire les fonctions uniques qu'elles pourraient détenir et mieux comprendre leurs effets à long terme sur ces écosystèmes en évolution. / Microbial communities dominate most aquatic ecosystems in terms of biomass and productivity, particularly in high latitude areas where conditions are hostile to macro fauna and flora. There, viruses have many roles in population control, for example, through their auxiliary metabolic genes that modify the metabolism of infected host cells. They also alter the transfer of nutrients and energy through trophic webs. The viral shunt, for example, traps energy inside the microbial loop, making it more accessible to microorganisms. These effects on aquatic trophic webs can have repercussions that affect the biogeochemical cycles of northern and arctic aquatic environments where metabolic activity from the abundant microbial biomass contributes to most processes. Just as salinity restrains the distribution of aquatic pluricellular organisms, it also directly affects the metabolism of microbes and their impact on ecosystem functioning. In viruses, these effects can translate into changes in infectivity and distribution but can also modify their interactions with their hosts. The main objective of this thesis was to characterize the ecology of aquatic viruses by examining the changes in their diversity through salinity gradients in northern aquatic habitats. We studied the composition of viral communities in three northern sites selected for their ecological relevance and the uniqueness of their saline transition zones. First, PCR amplification of conserved genetic markers of Phycodnaviridae and Picornavirales allowed us to describe the viruses that infect phytoplankton in the estuarine transition zone of the Saint Lawrence River, an important North American waterway. Detection of these viruses at six sites ranging from freshwater to marine habitats revealed few shared viral phylotypes between fresh and saline waters. This suggests that salinity might be the main factor influencing viral community composition. In addition, our analyses indicate that the virotypes found in the St. Lawrence estuary differ from published viruses and those found in comparable environments. These results suggest that DNA and RNA viruses infecting phytoplankton are active in the estuarine transition zone and that this zone harbours its own unique viral assemblages. Second, a viromic approach (that was developed during this research) allowed for the characterization of the viral communities in a highly stratified arctic lake. Lake A, with deeper waters that originate from the ancient Arctic Ocean revealed an abundance of novel viruses. This type of perennially stratified lake is dependant on ice cover which maintains the chemical structure of the water column and the distribution of the associated microbial communities. The viral communities in the three strata of the lake were remarkably distinct, suggesting that there is little exchange of virotypes. Viral abundance and virus/prokaryote ratios were highest in the deeper water and the clean separation between the viral communities matched that of potential hosts. The viral communities of Lake A also differed from those of the Arctic Ocean and the meromictic Ace Lake in Antarctica. Lastly, the same minimally invasive viromic approach allowed us to document the viral diversity in the last Arctic epishelf lake, the Milne Fiord epishelf lake. Contrary to what was observed in Lake A, the surface viral assemblages were more diverse, and no specific viral community was detected based on the chemocline. The clear division between the fresh and marine assemblages was mostly correlated with conductivity and dissolved oxygen concentration. Finally, the characterization of co-occurring virotypes allowed us to predict potential hosts. The transition zones examined in this research are maintained by a fragile balance of hydrological and glacial conditions which are already affected by climate change, but also by other human activities. Knowing how viruses affect aquatic ecosystems, a thorough description of the viral communities in changing environments is urgent and essential to gain a better understanding of their potential long-term effects within aquatic ecosystems. As the northern regions continue to warm at an accelerated rate, the melting increases in the Greenland platform and continental glaciers. The large amount of freshwater discharge into the Arctic Ocean and the North Atlantic may disturb thermohaline circulation and drastically change the surface of marine ecosystems, a crucial site for microbial primary production. Understanding how viruses and microbes thrive in the saline transition and their dependence on potentially unique functions and interactions may be key to anticipating the long-term effects they could have in these irreversibly and continuously changing ecosystems.

Les systèmes réels subissant des perturbations par l’interaction avec leur environnement sont susceptibles d’être entraînés vers des transitions irréversibles de leur principal état d’activité. Avec la croissance de l’empreinte humaine mondiale sur les écosystèmes, la caractérisation de la résilience de ces systèmes complexes est un enjeu majeur du 21e siècle. Cette thèse s’intéresse aux systèmes complexes pour lesquels il existe un réseau d’interactions et où les composantes sont des variables dynamiques. L’étude de leur résilience exige la description de leurs états dynamiques qui peuvent avoir jusqu’à plusieurs milliers de dimensions. Cette thèse propose trois nouvelles méthodes permettant de faire des mesures de la dynamique en fonction de la structure du réseau. L’originalité de ce travail vient de la diversité des approches présentées pour traiter la résilience, en débutant avec des outils basés sur des modèles dynamiques définis et en terminant avec d’autres n’exploitant que des données récoltées. D’abord, une solution exacte à une dynamique de cascade (modèle de feu de forêt) est développée et accompagnée d’un algorithme optimisé. Comme sa portée pratique s’arrête aux petits réseaux, cette méthode signale les limitations d’une approche avec un grand nombre de dimensions. Ensuite, une méthode de réduction dimensionnelle est introduite pour établir les bifurcations dynamiques d’un système. Cette contribution renforce les fondements théoriques et élargit le domaine d’applications de méthodes existantes. Enfin, le problème de retracer l’origine structurelle d’une perturbation est traité au moyen de l’apprentissage automatique. La validité de l’outil est supportée par une analyse numérique sur des dynamiques de propagation, de populations d’espèces et de neurones. Les principaux résultats indiquent que de fines anomalies observées dans la dynamique d’un système peuvent être détectées et suffisent pour retracer la cause de la perturbation. L’analyse témoigne également du rôle que l’apprentissage automatique pourrait jouer dans l’étude de la résilience de systèmes réels. / Real complex systems are often driven by external perturbations toward irreversible transitions of their dynamical state. With the rise of the human footprint on ecosystems, these perturbations will likely become more persistent so that characterizing resilience of complex systems has become a major issue of the 21st century. This thesis focuses on complex systems that exhibit networked interactions where the components present dynamical states. Studying the resilience of these networks demands depicting their dynamical portraits which may feature thousands of dimensions. In this thesis, three contrasting methods are introduced for studying the dynamical properties as a function of the network structure. Apart from the methods themselves, the originality of the thesis lies in the wide vision of resilience analysis, opening with model-based approaches and concluding with data-driven tools. We begin by developing an exact solution to binary cascades on networks (forest fire type) and follow with an optimized algorithm. Because its practical range is restricted to small networks, this method highlights the limitations of using model-based and highly dimensional tools. Wethen introduce a dimension reduction method to predict dynamical bifurcations of networked systems. This contribution builds up on theoretical foundations and expands possible applications of existing frameworks. Finally, we examine the task of extracting the structural causesof perturbations using machine learning. The validity of the developed tool is supported by an extended numerical analysis of spreading, population, and neural dynamics. The results indicate that subtle dynamical anomalies may suffice to infer the causes of perturbations. It also shows the leading role that machine learning may have to play in the future of resilience of real complex systems.

Les chaetognathes sont d’importants membres des communautés mésozooplanctoniques de l’Arctique en ce qui a trait à l'abondance et à la biomasse. Les chaetognathes de l’Arctique se répartissent en trois espèces principales qui sont considérées comme étant strictement carnivores : Eukrohnia hamata, Parasagitta elegans et Pseudosagitta maxima. Cette étude utilise un ensemble de données de filet planctoniques recueillies sur une période de 5 ans dans les régions européennes, canadiennes et de l'Alaska de l’Arctique (2007, 2008, 2012, 2013, 2014) et comprend un cycle annuel complet dans l'Arctique canadien (2007-2008), le but étant d’améliorer notre compréhension sur les distributions, les cycles de vie et les stratégies d'alimentation du E. hamata et du P. elegans. Dans la présente thèse, les points suivants seront abordés : (1) la stratégie d'alimentation et la maturité du P. elegans dans l'Arctique européen durant la nuit polaire en 2012 et 2013, (2) les cycles de croissance et de reproduction, les stratégies d'alimentation et les distributions verticales du E. hamata et du P. elegans dans l'Arctique canadien de 2007 à 2008, et (3) les différences spatiales dans les stratégies d'alimentation du E. hamata et du P. elegans à l'automne 2014. Afin d’étudier leurs stratégies d'alimentation, des analyses de contenu du tube digestif ainsi que des techniques biochimiques ont été utilisées. Dans l'Arctique canadien, le E. hamata et le P. elegans vivent tous deux pendant environ 2 ans. Le P. elegans colonise principalement les eaux épipélagiques, tandis que le E. hamata colonise principalement les eaux mésopélagiques. Dans cette région, P. elegans se reproduit en continue de l'été au début de l'hiver, dans la période de forte biomasse de copépodes, qui constituent ses proies, dans les eaux proches de la surface, un mode de reproduction basé sur l’apport immédiat d’énergie. Cependant, les résultats ont révélé que E. hamata a engendré des couvées distinctes dont on peut voir l’évolution au cours de fenêtres de reproduction séparées, à la fois durant les périodes de printemps-été et d’automne-hiver, ce qui suggère une reproduction basée sur les réserves. Les taux de prédation quotidiens évalués à partir des analyses du contenu du tube digestif sont généralement restés faibles pour les deux espèces de chaetognathes. Toutefois, pour E. hamata et P. elegans, les taux de prédation inférés en été-automne ont dépassé ceux de l’hiver-printemps. Des études d’alimentation ont révélé que E. hamata consomme de la matière organique particulaire (éventuellement des chutes de neige marine) tout au long de l'année, mais surtout en été, alors que le P. elegans se nourrit différemment. Les deux espèces sont caractérisées par une forte croissance estivale. La croissance hivernale du P. elegans était grandement restreinte, tandis que celle du E hamata l’était moindrement. En somme, les différences dans la façon dont les lipides et la neige marine sont utilisés par les deux espèces pourraient expliquer les différences dans leurs cycles de reproduction et leurs patrons de croissance saisonnière. / Chaetognaths are important members of Arctic mesozooplankton communities in terms of abundance and biomass. Despite this, the bulk of seasonal studies have focused on grazing copepods. Arctic chaetognaths comprise three major species which are thought to be strict carnivores: Eukrohnia hamata, Parasagitta elegans and Pseudosagitta maxima. This thesis uses datasets collected from plankton net sampling during five years in European, Canadian and Alaskan areas of the Arctic (2007, 2008, 2012, 2013, 2014) and includes a full annual cycle in the Canadian Arctic (2007-2008), the purpose being to improve our understanding of the distributions, life history and feeding strategies of E. hamata and P. elegans. The following topics are addressed: (1) the feeding strategy and maturity of P. elegans in the European Arctic during the polar night in 2012 and 2013; (2) the growth, breeding cycles, feeding strategies and vertical distributions of E. hamata and P. elegans, in the Canadian Arctic from 2007 to 2008; and (3) spatial differences in the feeding strategies of E. hamata and P. elegans in autumn 2014. To investigate feeding strategies, a combination of gut contents and biochemical techniques was used. In the Canadian Arctic, both E. hamata and P. elegans live for around 2 years. P. elegans mainly colonized epi-pelagic waters, whereas E. hamata mainly colonized meso-pelagic waters. In this region, P. elegans reproduced continuously from summer to early winter when copepod prey peak in near-surface waters. This is characteristic of income breeders. However, results for E. hamata revealed that this species spawned distinct and traceable broods during separate reproductive windows in both spring-summer and autumn-winter, suggesting capital breeding. Daily predation rates inferred from gut content analyses appeared to be generally low in the two chaetognath species, though inferred predation rates in summer-autumn exceeded those in winter-spring. Feeding studies revealed that E. hamata consumed particulate organic matter (possibly falling marine snow) throughout the year but especially in the summer, whereas P. elegans did not feed in this way. High summer growth seems to be a characteristic of both these species. Growth during winter was highly restricted in P. elegans, to a lesser extent in E. hamata. In summary, differences in how lipids and marine snow are utilised by the two species could explain differences in their breeding cycles and seasonal growth patterns.

L’exploitation minière entraine le retrait de la couche de sol vivant ainsi que l’élimination des propagules végétales et des symbiotes bénéfiques à la survie et à la croissance des plantes. Dans les écosystèmes nordiques comme la toundra subarctique, les activités minières génèrent une telle pression sur l’environnement qu’il est nécessaire de prendre des mesures pour promouvoir la restauration écologique des sites dégradés. Notre hypothèse de recherche est que l’utilisation de symbiotes racinaires peut améliorer l’établissement et la survie de communautés végétales sur des sites sévèrement perturbés. Des racines saines ont été collectées chez six espèces de plantes du site de la mine de fer de Schefferville dans le Nord-du-Québec. Les champignons associés à ces racines ont été isolés et identifiés à l’aide d’outils moléculaires en analysant les espaceurs internes transcrits (ITS) de l’ADN ribosomique. Au total, 376 champignons cultivables ont été isolés et associés à 106 unités taxonomiques opérationnelles (OTU). Ces communautés cultivables montrent des différences selon les types d’habitat et de plante-hôte. Neuf des champignons les plus fréquemment isolés ont été utilisés pour un test in vitro en milieu liquide (GYME) amendé avec du mort terrain, des stériles ou du fer pur. La mesure de la production d’ergostérol et de la sécrétion d’acides organiques ont permis de quantifier la croissance et la réaction des champignons aux amendements. Le champignon éricoïde Rhizoscyphus ericae a présenté la meilleure croissance en présence de résidus miniers. L’endophyte septé noir Phialocephala fortinii occupait le deuxième rang en ce qui a trait à la croissance, mais il a produit la plus grande quantité d’acide organique. Cadophora finlandica et Meliniomyces bicolor ont également montré une bonne tolérance aux amendements. En conclusion, les champignons cultivables ne répondent pas tous de la même manière aux stress abiotiques imposés. Nous avons sélectionné les champignons candidats qui conviendraient le mieux au cas particulier de la restauration du site minier de Schefferville. / Mining activities involve the removal of healthy living soil, plant propagule and symbionts, beneficial to plant is necessary to take steps to promote the ecological restoration of degraded sites. Our research hypothesis is that the use of root symbionts can enhance the establishment and survival of plant communities on on drastically disturbed sites. Healthy roots were collected from six plant species at the Schefferville iron mine site in northern Quebec. Fungi were isolated from root tips and pure isolates were identified based on ribosomal DNA internal transcribed spacer (ITS) analysis. A total of 376 cultivable fungi were isolated and identified to 106 operational taxonomic units (OTU). These cultivable communities show differences according to the types of habitat and host plant. Nine of the most frequently isolated fungi were used for an invitro test in liquid-based media (GYME) amended with overburden, waste rock or pure iron. Ergosterol andorganic acids were quantified to monitor fungal growth and reaction to amendments. Ericoid fungusRhizoscyphus ericae exhibited the best growth in the presence of mine tailings. Dark septate endophytePhialocephala fortinii ranked second in terms of growth, but it produced the highest amount of organic acids.Cadophora finlandica and Meliniomyces bicolor also showed good tolerance to amendments. In conclusion,cultivable root associated fungi did not all respond in the same way to the imposed abiotic stress. We selected the candidate fungi that would best suit the particular case of the restoration of the Schefferville mining site.

Un système basé sur le concept de naturalité, qui évalue la similarité par rapport à la forêt naturelle, a été élaboré dans le but d'évaluer les impacts de la foresterie. Ce système repose sur l'identification d'indicateurs de naturalité sensibles aux enjeux d'aménagement forestier reconnus et utilise des mesures disponibles à partir des cartes écoforestières, des études sur la modélisation des écosystèmes et des données historiques. Ce système fournit une valeur unique permettant de représenter l'effet conjugué de diverses pratiques, incluant la protection, sur les principales caractéristiques de l'écosystème forestier. D'abord développé pour la pessière, puis adapté pour la sapinière, ce système fonctionne de manière bidirectionnelle, permettant d'évaluer aussi bien la dégradation, que l'amélioration de la qualité des écosystèmes résultant d'objectifs de restauration et de mesures de mitigation. Ce système a été utilisé pour comparer l'impact sur la qualité des écosystèmes à l'échelle du paysage de divers scénarios sylvicoles considérés simultanément, comme dans la sapinière, où l'effet combiné de coupes progressives irrégulières et d'une réduction de la révolution de 70 à 50 ans pour les scénarios équiennes (coupe avec protection de la régénération et des sols et plantation) a été examiné. Son utilisation permet également d'éclairer la réflexion pour la détermination d'objectifs de protection aptes à limiter les pertes de biodiversité, tout en tenant compte de l'intensité de l'aménagement pour la production de bois. Ainsi, pour trois unités d'aménagement forestier de la pessière, considérant la combinaison de scénarios sylvicoles actuellement utilisés pour régénérer les forêts productives, le niveau de protection devrait être doublé et atteindre 35% de la superficie forestière afin de limiter d'éventuelles pertes d'espèces. Aussi, les résultats montrent qu'il serait plus avantageux au plan environnemental d'intensifier la production de bois d'espèces indigènes sur une petite proportion du territoire forestier tout en assurant une protection stricte sur la portion non productive, plutôt qu'un aménagement extensif sur la vaste majorité du territoire forestier. Dans le cadre du développement de l'analyse de cycle de vie (ACV) chapeauté par le Programme des Nations Unies pour l'environnement et la Société de toxicologie et de chimie de l'environnement (UNEP-SETAC), les impacts de produits ou services sur la qualité des écosystèmes sont évalués par le biais des impacts de l'utilisation des terres sur la biodiversité. Pour l'intégration à l'ACV, une courbe provisoire reliant l'indice de naturalité à la perte potentielle de biodiversité exprimée sur la base de la richesse en espèces provenant de la base de données PREDICTS est proposée. L'application de cette courbe a permis l'obtention de scores d'impact cohérents avec la proportion d'espèces disparues (PDF) estimée à partir de la naturalité et conformes aux connaissances relatives aux impacts de l'aménagement forestier. Toutefois, les résultats s'avèrent sensibles au paramétrage de la courbe et l'analyse de sensibilité a montré qu'il existait des risques de distorsion, voire d'obtention de résultats erronés. L'évaluation des scores d'impact de l'ACV résultant de l'application de trois scénarios sylvicoles distincts évalués concomitamment à l'application d'un gradient de la proportion du territoire forestier en protection stricte, apporte un éclairage sur le comportement du modèle utilisé pour l'évaluation de la qualité des écosystèmes en ACV si l'on tient compte de l'intensité de l'aménagement. Le modèle ACV multiplie deux paramètres aux effets opposés et non-linéaires : le PDF qui augmente avec l'intensité de l'aménagement, alors que la superficie requise pour produire 1m3 de bois diminue. Étant donné les risques associés à la présence d'effets non-linéaires non contrôlés, le modèle ACV peut fournir des résultats erratiques ne reflétant pas toujours l'effet sur l'aspect à protéger qui correspond ici à la qualité des écosystèmes. Conséquemment, dans l'état actuel des choses, le modèle ACV ne devrait pas être utilisé pour la prise de décision en matière d'utilisation des terres. De plus amples recherches relatives aux propriétés mathématiques des relations en cause sont nécessaires afin de vérifier la possibilité de contrôler ces effets de manière à assurer l'obtention de résultats reflétant la qualité des écosystèmes plutôt que celui de la superficie requise, déterminée par la productivité, et ainsi respecter la hiérarchisation des impacts associés à la qualité des écosystèmes évaluée à l'échelle d'un territoire et éviter des recommandations qui conduiraient à occasionner davantage de dommages. / An evaluation system based on the concept of naturalness, which measures the similarity against natural forests, has been developed to assess the impacts of forestry. This assessment system relies on naturalness indicators sensitive to recognized forest management issues, and uses measures from eco-forest maps, results from ecosystem modeling and historical data. The naturalness assessment model provides a unique index allowing to assess the combined effect of different forest management practices including protection, on the main characteristics of forest ecosystems. Initially developed for black spruce forests, then adapted for balsam fir forests, the naturalness assessment model performs bi-directional evaluations allowing the assessment not only of ecosystem degradation but also of its improvement with restoration or mitigation measures. Among potential applications of the naturalness assessment model, its usefulness has been demonstrated for comparing the impact at the landscape level of different silvicultural scenarios combinations. In the balsam fir forest, we examined the combined effect of irregular shelterwood cutting along with the rotation reduction form 70 to 50 years for the even-aged scenarios of careful logging and plantation. The naturalness assessment model can also be used to shed light on protection levels needed to limit biodiversity losses. In three forest management units of the black spruce forest, considering the current mix of silvicultural scenarios for wood production, the protection level should be doubled to attain 35% of the forest area, to limit species losses. Results indicate that it would be better for the environment to intensify forest management using indigenous species over a small proportion of the forest territory while insuring strict protection over the remaining portion, compared with an extensive forest management applied over most of the forested area. Life cycle analysis (LCA) development under the guidance of the United Nations Environment Program and Society of Environmental Toxicology and Chemistry (UNEP-SETAC), provides impact evaluation of products or services on ecosystem quality through impact of land use on biodiversity. In order to include naturalness results in LCA, a provisional curve relating naturalness index to potentially disappeared fraction of species (PDF) has been developed using species richness data from the PREDICTS database. The provisional curve application lead to LCA impact scores consistent with the PDF estimated from naturalness and the existing knowledge about the effects of forest management. However, the sensitivity analysis showed that results are sensitive to the curve parametrization and there are risks of distortion and even contradictory results. LCA impact scores related to the application of three different silvicultural scenarios each combined with a gradient of the proportion of forest area in strict protection shed a light on the LCA model behaviour when considering management intensity. The LCA model multiplies two parameters having opposite non-linear effects: the PDF, which is rising with the intensification of the management, while the area required to produce 1m3 of wood, is diminishing. Considering the risks related to the uncontrolled non-linear effects involved in the LCA model, this could lead to erratic results that do not reflect the effect on the safeguard subject corresponding here to the quality of ecosystems. Therefore, the LCA model should not be used for decision making related to land use decision. More research is required to investigate the mathematical relationships involved to verify if and how issues related to non-linear effects in LCA model could be properly addressed and insure that impact scores results reflect ecosystem quality instead of the area required for wood production, conserve the hierarchical structure of impacts and avoid recommendations that could produce more damage.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les rivières sont une composante majeure du paysage subarctique qui se transforme en réaction au réchauffement climatique, notamment par le dégel et l'érosion du pergélisol et par des changements de végétation et d'hydrologie. Cette transformation du paysage peut affecter les propriétés physico-chimiques des rivières qui le parcourent, avec des répercussions sur la composition des communautés microbiennes et, ultimement, sur le fonctionnement écosystémique non seulement des rivières, mais également des milieux côtiers dans lesquels elles se déversent. Cependant, malgré leur rôle clé dans les cycles biogéochimiques et les réseaux alimentaires, les communautés microbiennes sont peu caractérisées dans les rivières subarctiques, en particulier à la limite méridionale de la répartition du pergélisol, où les changements de paysage sont les plus rapides, et pendant la période de couverture de glace hivernale qui s'étend sur plus de la moitié de l'année. L'objectif principal de cette thèse était d'améliorer les connaissances sur le microbiome planctonique des rivières de hautes latitudes dans un contexte de paysage en transformation, incluant leurs zones de transition à la mer. Cet objectif a d'abord été atteint en évaluant la composition et les patrons de diversité des communautés microbiennes estivales, ainsi que les facteurs influençant ceux-ci, en utilisant le séquençage d'amplicons de deux fractions de taille, et en considérant les profils spatiaux dans deux paysages distincts: l'un caractérisé par un pergélisol isolé/sporadique au sud et l'autre par un pergélisol discontinu plus au nord, tous deux situés au Nunavik, Québec. Dans une deuxième approche, le séquençage d'amplicons a été combiné à une analyse métagénomique pour déterminer la composition et le potentiel fonctionnel des microbiomes aquatiques subarctiques sous la couverture de glace hivernale. Les petites rivières traversant un pergélisol sporadique fortement dégradé présentaient des propriétés limnologiques et une composition de communautés microbiennes différentes de celles des grandes rivières traversant le paysage de pergélisol isolé. L'échantillonnage d'un continuum hydrologique (lac-rivière-plume-baie) dans une région de pergélisol discontinu traversant des gradients de dégradation du pergélisol, de végétation et de salinité, a montré que les caractéristiques limnologiques et la composition de la communauté microbienne changeaient en aval le long du continuum et que les patrons de diversité et les variables affectant la structure de la communauté microbienne différaient selon le mode de vie bactérien (libre ou associé à des particules). Ces résultats suggèrent que la transformation des paysages nordiques influence les propriétés limnologiques et microbiologiques des rivières subarctiques du Nunavik et que cette influence peut varier en fonction du mode de vie bactérien. Cette influence est notamment due aux apports de matière organique dissoute, dont la concentration et la composition expliquaient en partie la variation observée de la structure de la communauté microbienne dans les deux régions. Certains taxa étaient ubiquitaires dans une large gamme de conditions environnementales dans la zone de pergélisol isolé/sporadique, ce qui suggère qu'une fraction de la population microbienne peut être résiliente aux changements environnementaux. L'échantillonnage hivernal de la Grande Rivière de la Baleine et de sa plume a révélé le potentiel de la communauté microbienne à utiliser diverses voies métaboliques pour acquérir de l'énergie et du carbone, incluant des composés aromatiques organiques terrestres. De plus, les propriétés limnologiques, la composition et la capacité métabolique des communautés microbiennes différaient en fonction de la profondeur de la rivière, ce qui suggère une influence des sédiments de fond en suspension, ainsi qu'en fonction de la salinité dans la plume. L'influence structurante de la salinité a également été observée pendant la saison estivale et était plus prononcée pour les eucaryotes microbiens que pour les procaryotes. Cette étude de thèse a démontré que les communautés microbiennes des rivières subarctiques sont taxonomiquement et fonctionnellement diverses, même pendant la période de conditions hivernales extrêmes. En caractérisant les procaryotes et les eucaryotes microbiens dans deux fractions de taille distinctes, à travers différents niveaux de stabilité du paysage et entre les saisons, cette thèse offre de nouvelles perspectives sur les microbiomes des écosystèmes lotiques traversant des régions affectées par le changement climatique. / Rivers are a major feature of the subarctic landscape, which is being transformed by climate change, permafrost thawing and erosion, and changes in vegetation and hydrology. This landscape transformation can affect the physico-chemical properties of the rivers that flow across them, with repercussions for the composition of microbial communities and ultimately for ecosystem functioning, not only of the rivers but also of their receiving coastal waters. However, despite their key role in biogeochemical cycles and food webs, microbial communities have been little characterized in subarctic rivers, especially at the southern limit of permafrost distribution where landscape changes are most rapid, and during the winter ice-cover period that extends for more than half of the year. The main objective of this thesis was to improve knowledge about the planktonic microbiome of high-latitude rivers in a context of landscape transformation, including their transition zones to the sea. This was firstly addressed by evaluating the composition and diversity patterns of summer microbial communities, as well as factors influencing these patterns, using amplicon sequencing of two size fractions, and by considering the spatial patterns in two landscapes: southern, isolated/sporadic permafrost and more northerly, discontinuous permafrost, both in Nunavik, Quebec. In a second approach, amplicon sequencing was combined with metagenomic analysis to determine the composition and functional potential of subarctic aquatic microbiomes under winter ice-cover. Small rivers crossing strongly degraded, sporadic permafrost had limnological properties and microbial community compositions that differed from those of larger rivers traversing the isolated permafrost landscape. Sampling of a hydrological continuum (lake-river-plume-bay) in a region of discontinuous permafrost, crossing gradients of permafrost degradation, vegetation, and salinity, showed that limnological characteristics and microbial community composition changed downstream along the continuum, and that diversity patterns and variables affecting microbial community structure differed according to bacterial lifestyle (free-living or particle-associated). These results suggest that the transformation of northern landscapes influences the limnological and microbiological properties of subarctic rivers in Nunavik, and that this influence may vary depending on bacterial lifestyle. This influence is mainly due to the inputs of dissolved organic matter, whose concentration and composition partly explained the observed variation in microbial community structure in the two regions. Some taxa were ubiquitous across a wide range of environmental conditions in the isolated/sporadic permafrost zone, suggesting that a fraction of the microbial population may be resilient to environmental change. The winter sampling of subarctic Great Whale River and its plume revealed the potential of the microbial community to use diverse metabolic pathways to acquire energy and carbon, including terrestrial organic aromatic compounds. In addition, the limnological properties, microbial composition, and metabolic capacity of the microbiomes differed depending on river depth, suggesting an influence of suspended bottom sediments, and on salinity in the plume. The structuring influence of salinity was also observed during the summer season and was more pronounced for microbial eukaryotes than prokaryotes. This thesis study has demonstrated that subarctic river microbial communities are taxonomically and functionally diverse, even during the period of extreme winter conditions. By characterizing prokaryotes and microbial eukaryotes in two distinct size fractions, across different landscape stabilities and between seasons, this thesis offers a new set of microbiome perspectives on river ecosystems traversing regions affected by climate change.

Les microbes ou micro-organismes sont les producteurs primaires des services écosystémiques pour les cycles biogéochimiques de la terre et les systèmes biologiques. Les xénobiotiques marquent une nouvelle ère anthropogénique « l’anthropocène », et ils représentent une source de sélection artificielle de la structure et de la composition de la biodiversité microbienne. Par conséquent, les perturbations anthropogéniques sont néfastes pour les systèmes microbiens et induisent des changements adaptatifs ou des dommages dans leurs répertoires génotypiques. L’assemblage des communautés microbiennes durant la résistance et la résilience est gouverné par des processus éco-évolutifs. Ce travail découle de l’intersection transdisciplinaire de l’écotoxicologie, l’écologie microbienne, la métagénomique et la bioinformatique. L’objectif de ce travail consiste à étudier les signatures adaptatives de la résistance et de la résilience microbienne selon deux modèles. Le premier est environnemental (E) composé d’un bassin versant lacustre contaminé par des métaux lourds. Le deuxième modèle est hôte-associé (HA), constitué d’un système expérimental d’exposition de la Perchaude (Perca flavescens) au chlorure de cadmium selon deux régimes constant et graduel. Trois nouveautés résument les travaux de cette thèse de doctorat. Premièrement, le phénomène de découplage taxon-fonction a été démontré pour la première fois, dans le système E sous un gradient sélectif de pollution, et au sein du microbiote cutané dans le système HA durant sa période de résilience. Deuxièmement, des altérations significatives de la diversité taxonomiques et fonctionnelles mettent en évidence des signatures adaptatives du résistome et de l’érosion des fonctions métaboliques dans le système E. Quant au système HA, le stress métallique a augmenté la prévalence significative de souches pathogènes et des opportunistes avec une dysbiose cutanée de la perchaude accompagnée par une réduction de sa capacité de résistance à une colonisation bactérienne massive. Troisièmement, la modélisation de l’assemblage bactérien de microbiote du système HA montre des rôles confondus de l’ontogenèse et de la force de sélection durant la période de résistance. La persistance des effets à long terme de la sélection durant le stade de résilience a été expliquée par une augmentation inattendue de la bioaccumulation du cadmium dans les tissus hépatiques de l’hôte. En conclusion, nos travaux montrent que l’adaptation des répertoires métagénomiques peut être décelée par le phénomène de redondance fonctionnelle observée à l’échelle de découplage taxon-fonction, ce qui reflète potentiellement une stratégie adaptative par transfert horizontal de gènes partagés entre les communautés microbiennes environnementales sous perturbation graduelle. Dans le système HA, l’assemblage de microbiote montre un gradient de processus neutres et non neutres. Enfin, la dérive taxonomique serait une force écologique non négligeable plus importante dans le système environnemental que dans le système intestinal durant et après la perturbation. / Microbes or microorganisms are the primary producers of ecosystem services for biogeochemical cycles of the earth and biological systems. Xenobiotics mark a new anthropogenic era, "the Anthropocene," and they represent a source of artificial selection of the structure and composition of microbial biodiversity. As a result, anthropogenic disturbances are detrimental to microbial systems and induce adaptive changes or damage in their metagenomic repertories. During resistance and recovery, the ecological processes governing the assembly of microbial communities cannot be dissociated from those of microbial evolution. This work stems from the transdisciplinary intersection of ecotoxicology, microbial ecology, metagenomics and bioinformatics. The main goal is to understand the adaptive signatures of microbial resistance and resilience in two models. The first is environmental (E) composed of a lake-bound watershed contaminated by heavy metals. The second model is hostassociated (HA), consisting of an experimental system of perch (Perca flavescens) intoxicated with cadmium using two steady and gradual regimes. Three novelties summarize the work of this doctoral thesis. Firstly, the phenomenon of taxon-function decoupling has been demonstrated for the first time, in the E system under selective pollution gradient, and second, within the cutaneous microbiota in the HA system during its recovery stage. Third, the microbiota assembly modelling in the HA system suggested mixed effects of ontogenesis, and selective pressure during the period of resistance and recovery. The increase in cadmium bioaccumulation in liver tissues of perch can argue the persistence of the long-term effects of selection during the recovery stage. In conclusion, our work showed that the adaptation of microbial metagenomic repertories could be revealed through functional and taxonomic redundancy patterns observed at the scale of taxon-function decoupling. The gap between functional and taxonomic diversity reflects an adaptive strategy by horizontal gene transfer among environmental communities microbial under gradual disruption In the HA system, the microbiota assembly shows a gradient of neutral and non-neutral processes. Finally, the taxonomic drift is a significant ecological force, more effective in the environmental system than in the intestinal system during and after the disruption.

Les lipides représentent non seulement la forme d'énergie la plus dense qui est transférée lors des interactions trophiques en milieu marin, mais comprennent également des acides gras essentiels (AGE) que les herbivores ne peuvent pas synthétiser de novo et doivent assimiler par alimentation pour assurer leur croissance, leur survie et leur reproduction. Puisque la croissance des microalgues qui produisent la grande majorité des AGE est conditionnée par de nombreuses propriétés physico-chimiques de l'eau (p. ex., température, lumière, nutriments, pH), la variabilité environnementale et les changements climatiques en cours pourraient affecter significativement la synthèse d'acides gras, soit directement en induisant une réponse physiologique des microalgues, soit indirectement en favorisant des changements taxinomiques. Ces modifications pourraient alors se répercuter sur les herbivores et l'ensemble du réseau alimentaire. Cette thèse a étudié ces possibilités au moyen d'approches empiriques et expérimentales combinant un échantillonnage inédit à grande échelle dans les eaux arctiques et subarctiques du Canada et une expérience de croissance en microcosme. Malgré une grande variabilité des propriétés physico-chimiques à travers l'aire d'étude, la composition taxinomique des assemblages phytoplanctoniques s'est imposée comme principal déterminant de la composition lipidique de la matière organique. Au sein des communautés dominées soit par des flagellés ou des diatomées, le pH et de façon inattendue, la salinité, ont influencé la synthèse d'omega-3 et de l'acide eicosapentaénoïque (EPA) en particulier. Cette étude souligne également l'importance des maximums subsuperficiels de chlorophylle a (SCM) qui perdurent durant tout l'été et fournissent une source persistante de matière organique à forte teneur en acides gras polyinsaturés. L'examen de marqueurs trophiques caractéristiques des diatomées suggère que la majeure partie du contenu en acide gras des copépodes a été acquise par broutage récent au SCM plutôt que par accumulation antérieure lors de l'efflorescence printanière en surface. Au-delà du couplage observé dans les teneurs de certains AGE chez les copépodes et le phytoplancton sur de courtes échelles de temps, des différences notables dans la composition lipidique des animaux étaient attribuables à l'espèce et au stade de développement. L'approche expérimentale visant à simuler le développement d'une floraison de diatomées a démontré que leur composition lipidique était davantage affectée par la température que par la lumière ou le pH, et que le signe de la réponse pouvait s'inverser selon l'acide gras considéré. Cependant, les changements observés peuvent être considérés comme modestes étant donné les perturbations fortes et soudaines imposées par le protocole expérimental. Dans l'ensemble, la thèse montre que l'impact principal du forçage physico-chimique sur le contenu en acides gras des organismes à la base des réseaux alimentaires des eaux canadiennes arctiques et subarctiques se produit par la sélection environnementale des différents groupes de phytoplancton et de copépodes. Bien que les profils lipidiques de ces organismes puissent également être affectés directement par les propriétés physico-chimiques, que ce soit in situ ou in vitro, ces réponses sont généralement faibles et suggèrent un haut degré de résistance physiologique de ces espèces. / In addition to being the densest form of energy that can be transferred during trophic interactions in the marine environment, lipids include essential fatty acids (EFA) that herbivores cannot synthesize de novo and must acquire from their diet in order to ensure growth, survival and reproduction. Since the growth of the microalgae that produce the vast majority of these EFA is conditioned by a host of physicochemical water properties (e.g., temperature, light, nutrients, pH), environmental variability and ongoing climate change could significantly alter their fatty acid composition, either directly by inducing physiological responses or indirectly by promoting changes in species assemblages. These alterations could then propagate to herbivores and, presumably, the upper food web. This thesis investigated these possibilities using empirical and experimental approaches combining large-scale sampling across Canadian Arctic and sub-Arctic waters with a microcosm experiment simulating a diatom bloom. Despite high variability in physicochemical properties across the sampling area, the taxonomic composition of phytoplankton assemblages emerged as the primary determinant of their lipid composition. Within communities dominated by either flagellates or diatoms, pH and surprisingly, salinity then modulated the synthesis of omega-3 and eicosapentaenoic acid (EPA) in particular. The results underscore how the maintenance of long-lived subsurface chlorophyll maxima (SCM) during summer and fall provide copepods with a persistent source of elevated organic matter with a high content of polyunsaturated fatty acids. An analysis of trophic markers that are characteristic of a diatom diet suggested that a major portion of the fatty acid content of copepods was acquired by recent grazing on SCM rather than prior feeding on spring blooms at the surface. Beyond this tight coupling of copepod and phytoplankton EFA content at short time scales, notable differences in the lipid composition of the animals were attributable to species and developmental stage. The microcosm experiments showed that the lipid composition of diatoms that dominate SCM communities was more impacted by temperature than by light or pH, and that the sign of the response was different depending on the specific EFA considered. However, the changes observed can generally be considered as modest given the strong and sudden perturbations imposed by the experimental protocol. Overall, the thesis shows that the main impact of physicochemical forcing on the fatty acid content of organisms in the lower food webs of Eastern Canadian Arctic and sub-Arctic seas occurs through the environmental selection of different phytoplankton groups and copepod species. While the lipid profiles of these organisms can also be affected directly by physicochemical conditions, either in situ or in vitro, these responses are generally small and imply a high degree of physiological resistance.