Le but de cette étude est de mieux comprendre l’effet d’une fertilisation en lisier de porc sur la productivité d’une plantation de saule tout en évaluant les risques d’impact négatif sur l’environnement. Nous avons évalué la réponse des plants à des quantités croissantes de lisiers en plus de la comparer à celle d’une fertilisation minérale. Nous avons aussi vérifié l’impact du lisier sur les teneurs nutritionnelles du sol ainsi que sur les concentrations en nitrates et phosphore de la solution du sol. Bien que l’azote du lisier soit moins efficace que celui des engrais minéraux, les résultats de notre étude montrent que le lisier est un bon engrais pour les plantations de saules. En effet, les rendements sur deux ans des parcelles ayant reçu les quantités croissantes de lisier étaient de l’ordre de 30,3 à 32,9 t/ha. Nous avons observé l’augmentation des teneurs en nitrate, cuivre et zinc dans le sol en fonction des apports croissants de lisier. Ces teneurs ont d’ailleurs diminué lors de la deuxième saison de croissance, ce qui pourrait être dû au prélèvement par les saules. Les concentrations printanières des eaux de lysimètres indiquent que la quantité maximale de lisier telle que testée lors de nos essais comporte un certain facteur de risque de lessivage des nitrates. Nous n’avons pas analysé la solution du sol des parcelles fertilisées avec des quantités plus faibles de lisier, mais nous pouvons croire qu’elles auraient induit des concentrations en nitrate comportant moins de risque de lessivage tout en assurant une productivité considérable. / The aim of this study is to investigate the effect of the use of pig slurry as fertilizer on the productivity of a willow plantation, while evaluating the risk of a negative impact on the environment. We evaluated plant response to increasing slurry amounts and compared this response to the effect of mineral fertilization. We also verified the impact of slurry on soil nutritional content as well as on nitrate and phosphorus concentrations in the soil. Although slurry nitrogen was less efficient than mineral fertilizer, the results of our study show that slurry constitutes an effective fertilizer for willow plantations. In fact, yields over two years on plots that received increasing amounts of slurry were on the order of 30.0 to 32.9 t/ha. We observed an increase in soil levels of nitrates, copper and zinc as a function of increasing slurry amounts. These levels actually decreased during the second growing season, possibly due to uptake by the willows. Springtime concentrations of water in lysimeters indicated that the maximum amount of slurry tested in our experiments was accompanied by a certain risk of nitrates leaching into the soil. We did not analyze the soil solution of plots fertilized with lower amounts of slurry, but it seems likely that these nitrate concentrations would have had a lower risk of leaching while still ensuring considerable productivity.

Grâce aux technologies de l’information et aux systèmes de positionnement par satellites (GNSS), l’agriculture de précision raffine l’échelle d’observation et d’intervention, du champ à la plante individuelle. La télédétection, notamment à travers les images satellitaires, a également permis de surveiller l’évolution de la culture, avec une fréquence temporelle et une résolution spatiale accrues. La vigueur de la culture est un paramètre crucial de la fertilisation, permettant d’optimiser l’apport en intrants et de générer des retombées économiques et environnementales. Plusieurs manières d’estimer la vigueur sont possibles. Pour une culture en rangs comme le maïs (Zea Mays L.), nous avons privilégié la biomasse qui servira de proxy à la vigueur. Notre étude s’appuie sur l’hypothèse que l’avènement des drones agricoles ouvrira la voie à une meilleure estimation de la vigueur. Nous supposons que la flexibilité de la plateforme combinée avec la très haute résolution spatiale (THRS) des images droniques permettra un suivi plus précis de l’évolution de la vigueur, tant dans l’espace que dans le temps – conditions critiques pour le déploiement de l’agriculture de précision. Les recherches des 15 dernières années s’appuient sur le drone pour collecter des images THRS, dont le traitement fait appel principalement à la méthode des indices de végétation, tel le NDVI. Plusieurs questions se posent : – Le recours au NDVI est-il la manière la plus efficiente d’exploiter la THRS des images droniques ? Si non, comment exploiter autrement et mieux cette imagerie ? – Attendu les contraintes de temps, la quantité de données et les impératifs logistiques, la méthode de traitement adoptée sera-t-elle suffisamment robuste ? Les concepts utilisés seront-ils simples et compréhensibles pour obtenir l’adhésion des utilisateurs finaux, c’est-à-dire les agriculteurs ? – Les capteurs à bord des drones pouvant être orientés assez librement, quels sont les effets des angles de visée sur les résultats ? D’abord, nous avons évalué la pertinence de l’approche classique, consistant à utiliser l’indice NDVI pour déterminer les paramètres de la culture. Pour cela, la plateforme dronique est comparée avec le capteur de proximité GreenSeeker. Il en découle que le drone se montre moins performant que le GreenSeeker pour l’estimation de la biomasse du maïs. Nous avons ainsi délaissé l’approche classique et opté pour un indicateur de surface apparente, extrait à l’aide des techniques de vision par ordinateur appliquées à des images RGB. Cette méthode tire profit de la THRS offerte par l’imagerie dronique et produit un proxy robuste de la biomasse, au niveau surfacique (par mètre carré) et linéaire (par rang). Nous avons aussi constaté que les résultats n’étaient pas affectés par les angles d’acquisition des images (au nadir et obliques). Partant, cette recherche ouvre la perspective à des applications de la dronautique en agriculture de précision, pour l’estimation de la vigueur et d’autres paramètres fondamentaux entrant dans les algorithmes d’optimisation des intrants. Elle offre également la possibilité d’imaginer des plateformes non-droniques pour l’acquisition des images THRS dans le contexte de la fertilisation. / Thanks to information technologies and GNSS (Global Navigation Satellite System), precision agriculture is refining the scale of observation and intervention, from the field to the individual plant. Remote sensing, in particular through satellite imagery, has also made it possible to monitor the crop dynamics, with increasing time frequency and spatial resolution. Crop vigor is a crucial parameter allowing the optimization of inputs, and consequently economic and environmental benefits. Several ways to estimate crop vigor are possible. For a row crop such as corn (Zea Mays L.), aboveground biomass has been favored and will serve as a proxy for vigor. Our study is based on the hypothesis that the recent advent of agricultural UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) will pave the way for a better estimation of crop vigor. We assume that the flexibility of the UAV combined with the very high spatial resolution of their images will allow a more accurate monitoring of crop vigor, both in space and time – conditions which are critical for the deployment of precision agriculture. Research over the past 15 years has relied on the UAV to collect images of very high spatial resolution. However, the processing of those images is mainly based on vegetation indices, especially the NDVI. Several questions arise from the above observations: – Is the use of NDVI the most efficient way to exploit the spatial resolution of UAV images? If not, is there a better way to exploit this imagery? – How to respond to time and logistical constraints in the image processing so that it is ultimately adopted by farmers? – Since UAV-borne sensors can be oriented quite freely, what are the effects of the acquisition angles on the results? First, we assessed the relevance of the traditional approach which uses the NDVI index to determine crop parameters. To do that, we compared the UAV platform with the GreenSeeker proximal sensor. The results showed that the UAV is less efficient than the GreenSeeker in estimating corn biomass. We thus moved away from the traditional approach and opted for a method extracting the apparent leaf area, through computer vision techniques applied to RGB images. This method took advantage of the very high spatial resolution offered by UAV images and produced a robust proxy for corn biomass, at the surface (per square meter) and row levels. We also found that the results were not affected by the acquisition angles of the images (nadir and oblique). Therefore, this research opens the perspective to UAV applications in precision agriculture, for the estimation of vigor and other fundamental parameters used in input optimization algorithms. It also offers the possibility to imagine non-UAV based platforms for the acquisition of very high resolution images in the context of fertilization.

Master of Science / Department of Electrical and Computer Engineering / Sanjoy Das / Stephen M. Welch / Multi-objective optimization problems deal with finding a set of candidate optimal solutions to be presented to the decision maker. In industry, this could be the problem of finding alternative car designs given the usually conflicting objectives of performance, safety, environmental friendliness, ease of maintenance, price among others. Despite the significance of this problem, most of the non-evolutionary algorithms which are widely used cannot find a set of diverse and nearly optimal solutions due to the huge size of the search space. At the same time, the solution set produced by most of the currently used evolutionary algorithms lacks diversity. The present study investigates a new optimization method to solve multi-objective problems based on the widely used swarm-intelligence approach, Particle Swarm Optimization (PSO). Compared to other approaches, the proposed algorithm converges relatively fast while maintaining a diverse set of solutions. The investigated algorithm, Partially Informed Fuzzy-Dominance (PIFD) based PSO uses a dynamic network topology and fuzzy dominance to guide the swarm of dominated solutions. The proposed algorithm in this study has been tested on four benchmark problems and other real-world applications to ensure proper functionality and assess overall performance. The multi-objective gene regulatory network (GRN) problem entails the minimization of the coefficient of variation of modified photothermal units (MPTUs) across multiple sites along with the total sum of similarity background between ecotypes. The results throughout the current research study show that the investigated algorithm attains outstanding performance regarding optimization aspects, and exhibits rapid convergence and diversity.

Master of Science / Department of Agronomy / Ganga M. Hettiarachchi / Phosphorus (P) management in reduced tillage systems has been a great concern for farmers. Conclusive results for benefits of deep banding of P fertilizers for plant yield in reduced tillage system are still lacking. Knowledge of the dominant solid P species present in soil following application of P fertilizers and linking that to potential P availability would help us to design better P management practices. The objectives of this research were to understand the influence of placement (broadcast- vs. deep band-P or deep placed-P), fertilizer source (granular- versus liquid-P), and time on reaction products of P. Greenhouse and field based experiments were conducted to study P behavior in soils. Soil pH, resin extractable P, total P, and speciation of P were determined at different distances from the point of fertilizer application at 5 weeks (greenhouse and field) and 6 months (field) after P application (at rate 75 kg/ha) to a soil system that was under long-term reduced tillage. X-ray absorption near edge structure spectroscopy technique was used to speciate reaction products of fertilizer P in the soil. The reaction products of P formed upon addition of P fertilizers to soils were found to be influenced by soil pH, P placement methods, and P sources. Acidic pH (below~5.8) tended to favor formation of Fe-P and Al-P like forms whereas slightly acidic near neutral pH soils favored formation of Ca-P like forms. Scanning electron microscope with energy dispersive X-ray analysis of applied fertilizer granules at 5-wk showed enrichment of Al, Fe and Ca in granule- indicating these elements begin to react with applied P even before granules dissolve completely. The availability of an applied P fertilizer was found to be enhanced as a result of the deep banding as compared to the surface broadcasting or deep placed methods. Deep banded liquid MAP was found to be in more adsorbed P like forms and resulted greater resin extractable P both at 5 wk and 6 month after application. Deep banding of liquid MAP would most likely result both agronomically and environmentally efficient solution for no-till farmers.

Doctor of Philosophy / Department of Agronomy / Kassim Al-Khatib / Mitchell R. Tuinstra / Sorghum acreage is declining throughout the United States because management options and yield have not maintained pace with maize improvements. The most extreme difference has been the absence of herbicide technology development for sorghum over the past twenty years. The objectives of this study were to evaluate the level of resistance, type of inheritance, and causal mutation of wild sorghums that are resistant to either acetyl-coenzyme A carboxylase (ACCase)-inhibiting herbicides or acetohydroxyacid synthase (AHAS)-inhibiting herbicides. ACCase-inhibiting herbicides used in this study were aryloxyphenoxypropionate (APP) family members fluazifop-P and quizalofop-P along with cyclohexanedione (CHD) family members clethodim and sethoxydim. The level of resistance was very high for APP herbicides but low to nonexistent to CHD herbicides. With genetic resistance to APP herbicides, the resistance factors, the ratio of resistance to susceptible, were greater than 54 to 64 for homozygous individuals and greater than 9 to 20 for heterozygous individuals. Resistance to CHD herbicides was very low with resistance factors ranging from one to about five. Genetic segregation studies indicate a single gene is the cause of resistance to APP herbicides. Sequencing identified a single mutation that results in cysteine replacing tryptophan (Trp-2027-Cys). Trp-2027-Cys has previously been reported to provide resistance to APP but not CHD herbicides. The other wild sorghum evaluated in this study was resistant to AHAS-inhibiting herbicides including imidazolinone (IM) family member, imazapyr, and sulfonylurea (SU) family member, nicosulfuron. Resistance factors in this genotype were very high, greater than 770 for the IM herbicide and greater than 500 for the SU herbicide, for both herbicide chemical families. Genetic segregation studies demonstrate that resistance was controlled by one major locus and two modifier loci. DNA sequencing of the AHAS gene identified two mutations, Val-560-Ile and Trp-574-Leu. Val-560-Ile is of unknown importance, but valine and isoleucine are similar and residue 560 is not conserved. Trp-574 is a conserved residue and Leu-574 is a known mutation that provides strong cross resistance to IM and SU herbicides. The results of these studies suggest that these sources of APP, SU, and IM resistance may provide useful herbicide resistance traits for use in sorghum.

Master of Landscape Architecture or Regional and Community Planning / Department of Landscape Architecture/Regional and Community Planning / Timothy Keane / Kansas City is expecting a 25% growth in population by 2050. This design proposal promotes West Bottoms as a potential area to house some of the new population, and more importantly supply a live and work community for these people. West Bottoms is also home to major industry in Kansas City as well as an up and coming art culture. West Bottoms has great potential for a community that allows the existing and new population to be a part of a live-work-play community with the vacancies in the area. The projected population growth is expected to promote sprawl, further increasing the average driving time to the city. West Bottoms currently has few connections to the downtown and offers few reasons to come to the area. These connections are mainly major bridges or highways. Another issue West Bottoms faces is flooding problems from OK Creek and Turkey Creek, which lead into the Kansas and Missouri Rivers. Finally, post and present industrial soil contamination threatens the groundwater. When mixed with flooding concerns, this contamination is potentially harmful for the health of downstream cities. Drawing inspiration from travels, Kansas City charm, plants, art, and water storage, case studies were researched. Themes from each case study were quantified. These themes paired with inventory and analysis of the West Bottoms provided the basis for the design proposed here. The successional design of the area will progress from a contaminated landscape to a landscape that holds floodwater. The final design holds all of the stormwater from the 100 year 1, 2, 3, 6, 12, and 24 hour rain events. The final design incorporates areas of learning, a variety of paths and seating, a live-work-play community, clean and creative industry, and an art culture that sustains the excitement for the timeline of succession. Overtime this landscape will evolve into a new destination for Kansas City using an integrated solution remediating the soil and holding flood waters as an amenity for the new population.

L’autorisation de recourir à la force est une pratique par laquelle le Conseil de sécurité permet à des États membres des Nations Unies ou à des accords ou organismes régionaux, voire au Secrétaire général des Nations Unies de recourir à la coercition militaire. Elle est l’une des circonstances excluant l’illicéité face à l’interdiction de recourir à la force dans les relations internationales dont la règle est posée à l’article 2,§ 4 de la Charte des Nations Unies. Il est évident que cette pratique ne correspond pas clairement à la lettre de la Charte mais elle tire sa légitimité du fait qu’elle permet au Conseil de sécurité de s’acquitter de sa mission principale de maintien de la paix et de la sécurité internationales, étant donné que le système de coercition militaire prévu par la Charte s’avère inapplicable dans la pratique. Il reste que cette pratique est empreinte d’ambiguïté : elle apparaît tantôt comme une intervention des Nations Unies, tantôt comme une action unilatérale au profit de certaines puissances capables de mener des opérations de grande envergure. Cette ambiguïté est encore exacerbée par le problème de l’autorisation présumée que certainsÉtats pourraient déduire des actes du Conseil de sécurité, pour intervenir dans divers conflits. Dans les faits, la pratique de l’autorisation de recourir à la force semble actualiser une tendance belliciste qui caractérisait les époques antérieures. Elle peut, si l’on n’y prend garde, refondre, par pans entiers, les legs du droit contre la guerre (jus contra bellum) issu du XXème siècle, droit qui a été le fruit de longues tribulations dans l’histoire des relations internationales. Le danger le plus grave est que des acquis chèrement négociés risquent d’être jetés par-dessus bord avec trop de facilité et sans délai, pour servir des visées à court terme. / Authorization to use force is a practice whereby the Security Council allows member States of the United Nations or regional arrangements or agencies or the Secretary General of the United Nations to use military coercion. Such authorization circumvents the wrongfulness of using force in international relations as prohibited by article 2, § 4 of the UN Charter. It is obvious that this practice does not match the letter of the Charter, but it derives its legitimacy from the fact that it allows the Security Council to fulfill its primary mission of maintaining peace and security, since the system of military coercion under the Charter is inapplicable in practice. Nonetheless, this practice is marked by ambiguity: sometimes it appears as a UN intervention, and yet sometimes as a unilateral action of certain powers capable of conducting major operations. This ambiguity is exacerbated by the issue of presumed consent to intervene in various conflicts that some States attribute to the Security Council. In fact, the practice of authorization reinforces a hawkish tendency that characterized earlier periods. It can, if unchecked, undo the legacy of the law against war (jus contra bellum) of the twentieth century, which was the fruit of much effort in the history of international relations. The most serious danger is that hard-won negotiated achievements be thrown easily overboard and without delay, in order to serve short term goals.

L’autorisation de recourir à la force est une pratique par laquelle le Conseil de sécurité permet à des États membres des Nations Unies ou à des accords ou organismes régionaux, voire au Secrétaire général des Nations Unies de recourir à la coercition militaire. Elle est l’une des circonstances excluant l’illicéité face à l’interdiction de recourir à la force dans les relations internationales dont la règle est posée à l’article 2,§ 4 de la Charte des Nations Unies. Il est évident que cette pratique ne correspond pas clairement à la lettre de la Charte mais elle tire sa légitimité du fait qu’elle permet au Conseil de sécurité de s’acquitter de sa mission principale de maintien de la paix et de la sécurité internationales, étant donné que le système de coercition militaire prévu par la Charte s’avère inapplicable dans la pratique. Il reste que cette pratique est empreinte d’ambiguïté : elle apparaît tantôt comme une intervention des Nations Unies, tantôt comme une action unilatérale au profit de certaines puissances capables de mener des opérations de grande envergure. Cette ambiguïté est encore exacerbée par le problème de l’autorisation présumée que certainsÉtats pourraient déduire des actes du Conseil de sécurité, pour intervenir dans divers conflits. Dans les faits, la pratique de l’autorisation de recourir à la force semble actualiser une tendance belliciste qui caractérisait les époques antérieures. Elle peut, si l’on n’y prend garde, refondre, par pans entiers, les legs du droit contre la guerre (jus contra bellum) issu du XXème siècle, droit qui a été le fruit de longues tribulations dans l’histoire des relations internationales. Le danger le plus grave est que des acquis chèrement négociés risquent d’être jetés par-dessus bord avec trop de facilité et sans délai, pour servir des visées à court terme. / Authorization to use force is a practice whereby the Security Council allows member States of the United Nations or regional arrangements or agencies or the Secretary General of the United Nations to use military coercion. Such authorization circumvents the wrongfulness of using force in international relations as prohibited by article 2, § 4 of the UN Charter. It is obvious that this practice does not match the letter of the Charter, but it derives its legitimacy from the fact that it allows the Security Council to fulfill its primary mission of maintaining peace and security, since the system of military coercion under the Charter is inapplicable in practice. Nonetheless, this practice is marked by ambiguity: sometimes it appears as a UN intervention, and yet sometimes as a unilateral action of certain powers capable of conducting major operations. This ambiguity is exacerbated by the issue of presumed consent to intervene in various conflicts that some States attribute to the Security Council. In fact, the practice of authorization reinforces a hawkish tendency that characterized earlier periods. It can, if unchecked, undo the legacy of the law against war (jus contra bellum) of the twentieth century, which was the fruit of much effort in the history of international relations. The most serious danger is that hard-won negotiated achievements be thrown easily overboard and without delay, in order to serve short term goals.

Les sols représentent une ressource non renouvelable qui soutient 95% de la production alimentaire mondiale. Cependant, les sols sont de plus en plus impactés par la pollution chimique anthropique, menaçant la santé humaine et l’environnement. Parmi les polluants les plus répandus dans les sols, l'arsenic est aussi l’un des plus dommageables pour la santé humaine, touchant près de 200 millions de personnes dans le monde. Pour limiter la contamination des sols, les approches conventionnelles de remédiation reposent principalement sur l'excavation et l'enfouissement des sols contaminés, mais sont incompatibles avec les grandes surfaces concernées par la contamination chimique, pouvant s’étendre sur des millions d’hectares. Une solution novatrice utilise les plantes et les microorganismes associés pour extraire, dégrader ou stabiliser les contaminants in situ dans une approche dite de phytoremédiation. L'exsudation d'une grande diversité de métabolites des racines dans le sol environnant serait un mécanisme essentiel qui permet aux plantes de tolérer et de détoxifier les contaminants du sol. Cependant, l’environnement chimique de la rhizosphère et les interactions complexes entre les exsudats racinaires et les contaminants restent largement inconnus. L'objectif de cette thèse est de faire progresser la compréhension de l'exsudation racinaire en réponse à la contamination et de son impact sur le devenir de l'arsenic dans la rhizosphère. Le Chapitre 1 rapporte un nouveau système de croissance à petite échelle, hautement reproductible, développé pour capturer et caractériser les exsudats racinaires. En utilisant une analyse métabolomique non ciblée basée sur la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse, l’espèce légumineuse Lupinus albus a été examinée pour identifier les différences significatives dans l’exsudation d’un large spectre de composés dans la rhizosphère. Cette approche a révélé les classes prédominantes de composés exsudés et leurs variations en réponse à la contamination, notamment les coumarines, connues pour être impliquées dans les stratégies d'acquisition de nutriments chez les plantes, ainsi que l'exsudation inattendue de phytochélatines, connues pour participer à la complexation et à la détoxification intracellulaire de l'arsenic. Pour confirmer l'exsudation des phytochélatines, une expérience supplémentaire a été menée et a permis de valider l'exsudation des phytochélatines comme mécanisme potentiel de tolérance à l'arsenic dans la rhizosphère. Le Chapitre 2 examine plus en détail les mécanismes d'exsudation des phytochélatines et leurs interactions avec l'arsenic chez Lupinus albus. Grâce à l'inhibition chimique des principales voies de synthèse et d'exsudation des phytochélatines, ce chapitre fournit les premières observations de l’exsudation active de complexes arsenic-phytochélatine chez les plantes, pouvant jouer un rôle critique dans la détoxification de l'arsenic. À partir de ces observations, le chapitre 2 propose une révision du modèle actuel d'efflux d'arsénite des racines et met en évidence l'exsudation de complexes arsenic-phytochélatine comme mécanisme jusque-là inconnu de détoxification chez les plantes. Dans le Chapitre 3, les différentes stratégies employées en réponse à la contamination à l'arsenic chez Lupinus albus et Salix miyabeana sont explorées en profondeur par différents essais en pots et à plus grande échelle, directement sur le terrain. Ces deux espèces, illustrant différents traits fonctionnels importants pour la phytoremédiation, révèlent des adaptations distinctes ainsi que des stratégies d’exsudation conservées en réponse à l'arsenic. Les résultats présentés dans ce chapitre révèlent en particulier le rôle central de l'exsudation de phytochélatines dans la rhizosphère de ces deux espèces, pourtant éloignées phylogénétiquement. Notamment, la découverte de complexes phytochélatine-arsenic dans la rhizosphère des deux espèces souligne l'importance des mécanismes extracellulaires dans la détoxification de l'arsenic chez les plantes. De plus, les mesures sur le terrain soutiennent les implications de l'exsudation des phytochélatines en tant qu’adaptation à l'exposition à l'arsenic en conditions réelles. En résumé, ce chapitre fournit de nouvelles perspectives sur l'interaction complexe entre les plantes et les sols lors de la phytoremédiation de l'arsenic. Dans l'ensemble, cette thèse présente de nouvelles stratégies d'exsudation chez deux espèces phytoremédiatrices majeures et apporte de nouvelles connaissances sur la façon dont l'investissement de ressources dans la rhizosphère peut aider les plantes à tolérer, voire à surmonter, l'effet de la pollution anthropique sur l'environnement. Comprendre ces interactions naturelles est essentiel pour aider à concevoir des stratégies de gestion durables des terres, visant à réduire l'impact à long terme des activités humaines sur les sols. / Soils represent a non-renewable resource supporting 95% of global food production. However, soils face increasing threats from anthropogenic chemical pollution, creating an environmental burden impacting human and environmental health worldwide. Arsenic is one of the most widespread soil contaminants, thought to affect over 200 million people globally and posing substantial threats to public health. To limit contamination of soils, conventional remediation approaches rely on soil excavation and burial, but are incompatible with the extensive problem of soil contamination, often impacting millions of hectares. An innovative solution is to use phytoremediation to harness plants' natural abilities to extract or degrade soil contaminants. The exudation of a wide diversity of metabolites from roots into the surrounding soil is thought to be an essential mechanism used by plants to modify challenging soil environments. However, the extent and variation of root exudation remains largely uncharacterised for many important crops. The objective of this thesis is to advance the understanding of root exudation in response to contamination and how it impacts the fate of arsenic in the rhizosphere. Chapter 1 reports a novel small-scale but highly reproducible growth system developed to capture and characterise root exudates. Using untargeted liquid chromatography-tandem mass spectrometry-based metabolomic analysis, the leguminous crop white lupin (Lupinus albus) was scrutinised to identify significant differences in exuded compounds within the rhizosphere. This approach revealed the predominant classes of exuded compounds in response to contamination, including coumarins, known to be involved in plant nutrient acquisition strategies, as well as unexpected phytochelatin exudation, known to participate in intracellular arsenic complexation and detoxification. A validatory experiment was conducted and confirmed the exudation of phytochelatins as a potential arsenic tolerance mechanism for rhizosphere detoxification. Chapter 2 further investigates the mechanisms of phytochelatin exudation and their interactions with arsenic in Lupinus albus. Through chemical inhibition of key root exudates synthesis and exudation mechanisms, this chapter provides the first evidence that plants actively exude arsenic-phytochelatin complexes, which may function as a critical step for arsenic detoxification and tolerance. From this evidence, Chapter 2 provides a tentative revision of the current model of arsenite efflux from roots and demonstrates that arsenic-phytochelatin exudation may be an active mechanism conferring arsenic tolerance. In Chapter 3, the different strategies employed in response to arsenic contamination in Lupinus albus and Salix miyabeana were extensively scrutinised in larger-scale pot and field trials, to capture the diversity of rhizosphere metabolites within constructed and real-world soils. These species, illustrating different important functional traits for phytoremediation, revealed distinct as well as more conserved root exudate adaptations to arsenic. Most importantly, the findings presented in this chapter reveal a conserved and pivotal role for extracellular phytochelatin exudation in the rhizosphere of these distantly related phytoremediating species. The discovery of phytochelatin-arsenic complexes in the rhizosphere of both species underscores the importance of extracellular mechanisms in plant arsenic detoxification. Furthermore, field assessments supported the real-world implications of phytochelatin exudation as an adaptive response to arsenic exposure. In summary, this chapter provides novel insights into the complex interplay between plants and soils in arsenic phytoremediation. Overall, this thesis presents novel exudation strategies in two major phytoremediation species and brings new knowledge on how investment of resources in the rhizosphere can help plants tolerate, or even overcome, the effect of anthropogenic pollution upon the natural environment. Understanding these mechanisms is vital to devise sustainable land management strategies to reduce the long-term impact of human activity on soils around the world.

Les cultures de Brassicacées sont très courantes en agriculture urbaine à Montréal. Elles comportent cependant leur lot de problèmes liés aux insectes ravageurs, tels que la piéride du chou, Pieris rapae. L’utilisation de méthodes de lutte classique contre les insectes ravageurs, tels les insecticides, engendrent de sérieux dommages environnementaux, incluant la contamination de l’eau et du sol ainsi que la toxicité pour les plantes environnantes, les insectes auxiliaires et les microorganismes du sol. Le compagnonnage végétal, une pratique agroécologique alternative, est connue en tant que stratégie d’IPM (lutte intégrée contre les insectes ravageurs). L'objectif général de l'étude était d'évaluer in situ l'importance de diverses méthodes de compagnonnage sur l'infestation de P. rapae au sein du chou chinois, Brassica rapa. Les plantes utilisées dans les systèmes de compagnonnage étaient des cultures-pièges (Eruca sativa et Brassica carinata), des plantes compagnes principales qui étaient des plantes insectaires et répulsives pour les insectes ravageurs (Tagetes erecta, Amaranthus cruentus et Ocimum grattissimum) ainsi que des plantes compagnes secondaires (Solanum aethiopicum, Ocimum basilicum et Hibiscus sabdariffa). Les paramètres de physiologie végétale ainsi que les structures des communautés microbiennes et d’insectes ont été suivis de près tout au long de la saison croissance où l’expérience a eu lieu. La taille des larves était significativement plus importante au sein de la monoculture (contrôle) et les taux de concentration de glucosinolates dans les feuilles de Brassica rapa étaient deux fois plus élevés dans les contrôles comparativement aux systèmes de cultures plus diversifiés. Une PERMANOVA a confirmé une différence significative entre les méthodes de cultures concernant la composition des communautés d’insectes bénéfiques. Les communautés bactériennes du sol ont été améliorées par l'agriculture durable par rapport au sol d'origine et ont été bonifiées dans les systèmes de compagnonnage végétal (plus diversifiés). L'étude a mis en évidence les avantages de l'agroécologie, y compris le compagnonnage végétal, en termes de lutte intégrée contre les insectes ravageurs et d'autres composantes de l'agroécosystème. / Brassica crops are very common culture for urban farmers in Montreal where insect pests like the cabbage whitefly, Pieris rapae, are a real concern. The use of conventional insect pest control methods, such as insecticides, causes serious damages to a highly anthropized and therefore already constrained environment. These include air, water and soil contamination, as well as toxicity to surrounding beneficial insects, soil microorganisms, plants and the entire food chain. Companion planting, an agroecological practice, is an alternative strategy for insect pest management. The general objective of the study was to evaluate in situ the relevance of various traditional methods of companion planting on infestation of Chinese cabbage, Brassica rapa, by P. rapae. The plants used in the companion systems were two trap crop species: Eruca sativa and Brassica carinata; Tagetes erecta, Amaranthus cruentus and Ocimum grattissimum were used like companion plants because of their properties as insectary plants and repellent species against the targeted pest; Solanum aethiopicum, Ocimum basilicum and Hibiscus sabdariffa were also considered (secondary) companion plant species. Plant physiological parameters as well as microbial and insect community structure were carefully monitored over the growing season where this experiment took place. Larval size was significantly greater in the monoculture and glucosinolate concentrations in leaves of Brassica rapa was two-times higher in control than in more diversified cultivation systems. With larger yield and the absence of pest in the field, ‘trap cropping system’ was overall the most efficient albeit the 'mix of companion planting’ system had the lowest leaf area damage. A PERMANOVA confirmed a significant difference between the cultivation methods regarding beneficial insect communities’ composition. Belowground, soil bacterial communities were readily modified by sustainable agriculture practice, even more so in biodiversified systems. The study highlighted benefits of agroecology, including companion planting, in terms of integrated pest management and other components of the agroecosystem.