Le diabète de type 2 est une maladie chronique dont l’incidence est en augmentation continuelle. Le risque de développer le diabète de type 2 chez les populations autochtones du Canada est de trois à cinq fois plus élevé que le reste de la population canadienne. La forêt boréale comporte plusieurs plantes médicinales ayant un potentiel pour le traitement ou la prévention du diabète. Certaines de ces plantes font partie de la médecine traditionnelle et alternative Crie. Des enquêtes ethnobotaniques ont amené notre équipe de recherche à identifier 17 extraits de plantes médicinales utilisées par les Cris d’Eeyou Istchee (Baie James, Québec) pour traiter les symptômes du diabète. Parmi ces extraits, certains ont montré des activités anti-diabétiques au niveau des cellules musculaires, des adipocytes et dans des études in vivo réalisées chez des animaux. Le but de cette thèse est d’élucider l’effet de ces 17 plantes sur l’homéostasie hépatique de glucose, d’identifier l’espèce la plus prometteuse et isoler ces constituants actifs. De même, le bleuet nain du genre Vaccinium angustifolium fait partie de la forêt boréale canadienne et est connu pour ses activités anti-diabétiques. Une biotransformation du jus de bleuet lui confère une activité antioxydante accrue et un profil biologique différent. Le deuxième but de cette thèse est d’élucider les mécanismes d’action par lesquels le jus de bleuet biotransformé (BJ) exerce son effet anti-diabétique et d’identifier ses principes actifs. Les résultats ont montré que trois extraits de plantes Cris se sont démarqués par leur effet sur l’homéostasie hépatique de glucose. Picea glauca exerce son effet en diminuant la production de glucose alors que Larix laricina agit en augmentant le stockage de glucose. Abies balsamea a montré le profil le plus prometteur, elle agit simultanément en diminuant l’activité de la Glucose-6-phosphatase (G6Pase) via la stimulation des voies insulino-dépendante et - indépendante et en augmentant l’activité de la Glycogène synthétase (GS) suite à la phosphorylation de la Glycogène synthase kinase-3. Le fractionnement de l’extrait d’Abies balsamea guidé par les deux bioessais a mené à l’isolation de trois composés actifs; l’acide abiétique (AA), l’acide déhydroabiétique (DAA) et le squalène (SQ). Les principes actifs ont montré le même mécanisme d’action que l’extrait brut en diminuant l’activité de la G6Pase et augmentant celle de la GS ainsi qu’en activant les voies de signalisation impliquées. Le DAA ii s’est démarqué par son effet le plus puissant et très comparable à celui de l’extrait d’Abies balsamea dans toutes les expériences. De son côté le BJ a montré un effet sur la diminution de la production hépatique de glucose, l’augmentation de son stockage ainsi que l’augmentation de son transport dans le muscle. Son fractionnement guidé par les bioessais a permis d’isoler sept fractions dont trois étaient les plus actives. L’identification des constituants de ces fractions actives a mené à isoler quatres composés phénoliques; l’acide chlorogénique, l’acide gallique, l’acide protocatéchique et le catéchol. Le catéchol s’est démarqué avec ses effets les plus puissants en diminuant l’activité de la G6Pase, augmentant celle de la GS et en stimulant le transport de glucose dans le muscle. Les résultats de cette thèse indiquent que la diminution de la production hépatique de glucose peut s’ajouter au profil anti-diabétique de certaines plantes médicinales Cries et surtout à celui d’A.balsamea dont les composés actifs peuvent aider dans le développement de nouvelles molécules anti-diabétiques. De plus, les résultats de cette thèse ont montré que l’activité antidiabétique du BJ implique le contrôle de l’homéostasie de glucose au niveau du foie et du muscle. L’identification du catéchol comme principe actif avec potentiel anti-diabétique prometteur pourra servir pour des fins thérapeutiques ultérieures. / Type 2 diabetes is a chronic disease for which incidence is continuously increasing. The risk of developing type 2 diabetes among Aboriginal people in Canada is three to five times higher than the rest of the Canadian population. The boreal forest has several medicinal plants with potential for the treatment or prevention of diabetes. Some of these plants are part of the Cree traditional and alternative medicine. Ethnobotanical surveys led our research team to identify 17 medicinal plant extracts used by the Crees of Eeyou Istchee (James Bay, Quebec) to treat symptoms of diabetes. Some extracts showed anti-diabetic activities in muscle cells, adipocytes and in vivo studies in animals. The aim of this thesis is to elucidate the effect of these 17 plants on hepatic glucose homeostasis, to identify the most promising species and isolate its active constituents. Similarly, Canadian lowbush blueberry, Vaccinium angustifolium.Ait, is part of the Canadian boreal forest and is known for its anti-diabetic activities. Biotransformation of blueberry juice gives it an increased antioxidant activity and a different biological profile. The second aim of this thesis is to elucidate the mechanisms of action by which biotransformed blueberry juice (BJ) exerts its anti-diabetic effect and identify its active constituents. The results showed that three Cree plants stood out with their effect on hepatic glucose homeostasis. Picea glauca exerts its effect by reducing glucose production whereas Larix laricina works by increasing its the storage. Abies balsamea showed the most promising profile, simultaneously and powerfully reducing glucose-6-phosphatase (G6Pase) involving both insulin-dependent and -independent pathways and stimulating Glycogen synthase (GS) via phosphorylation of Glycogen synthase kinase-3 (GSK-3). Bioassay-guided fractionation of Abies balsamea led to the isolation of three active compounds; Abietic acid (AA), dehydroabietic acid (DAA) and squalene (SQ). The active constituents have shown the same mechanism of action as the crude extract by decreasing the activity of G6Pase, increasing that of the GS and activating signaling pathways. DAA stood out for its most powerful effect close to that of the crude extract in all experiments. Our results showed that anti-diabetic activity of BJ involves decrease in hepatic glucose production, increase of storage and enhancement of glucose uptake in muscle. Its bioassayiv guided fractionation led to isolate seven fractions, three of which were the most active. Identification of components in the active fractions resulted in four isolated phenolic compounds; chlorogenic acid, gallic acid, protocatechuic acid and catechol. Catechol stood out with its most powerful effects by decreasing the activity of G6Pase, increasing the GS and stimulating glucose transport in muscle. Our results thus confirm that the reduction of hepatic glucose production likely contributes to the therapeutic potential of several anti-diabetic Cree traditional plant and especially that of Abies balsamea whose active compounds may help in the development of new anti-diabetic molecules. In addition, the results of this thesis showed that the anti-diabetic activity of BJ involves control of glucose homeostasis in the liver and muscle. Identification of catechol as an active compound with anti-diabetic promising potential can be used for future therapeutic purposes.

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L’incidence du diabète chez les premières nations du Canada est plus de trois fois celle du reste du pays, dû, en partie, aux traitements culturellement inappropriés. Notre projet vise à traiter le diabète chez ces populations à partir de leur pharmacopée de médicine traditionnelle afin d’améliorer l’acceptation des traitements. En utilisant une approche ethnobotanique, notre équipe a identifié 17 plantes médicinales utilisées pour traiter des symptômes du diabète par les Cris d'Eeyou Istchee (Baie James, Québec). Parmi eux, l'extrait éthanolique de baies de Vaccinium vitis-idaea a montré un effet stimulateur sur le transport du glucose dans les cellules musculaires squelettiques et les adipocytes en culture. Le but de cette thèse était d’élucider les mécanismes par lesquels cet extrait exerce ses effets anti-hyperglycémiants, d’identifier ses principes actifs et de confirmer in vivo, son efficacité. Les résultats démontrent que V.vitis a augmenté le transport du glucose dans les cellules musculaires en cultures, C2C12 et L6 et a stimulé la translocation des transporteurs GLUT4 dans les cellules L6. L'extrait a également inhibé la respiration dans les mitochondries isolées du foie du rat. Cet effet est semblable à celui de la metformine et en lien avec la production du stress métabolique et l'activation de l'AMPK. De plus, la voie de signalisation de l’insuline ne semble pas être impliquée dans le mécanisme d’action de V. vitis. Le fractionnement guidé par la stimulation du transport du glucose a mené à l'isolation des principes actifs; la quercétine, la quercétine-3-O-galactoside, et la quercétine-3-O-glucoside. Comparable à l'extrait brut, ses composés ont stimulé la voie AMPK. Cependant, la quércetine était la seule à inhiber la respiration mitochondriale. Pour valider l'effet de V.vitis in vivo, l'extrait (1% dans l'eau de boisson) a été administré aux souris KKAy pendant 10 jours. La glycémie et le poids corporel ont été significativement réduits par V.vitis. Ces effets ont été associés à une diminution de la prise alimentaire, ce qui suggère que V.vitis diminue l'appétit. L'étude pair-fed a confirmé que les effets de V.vitis sont, majoritairement, dû à la réduction de l’appétit. De plus, V.vitis a augmenté la teneur en GLUT4 dans le muscle squelettique, a stimulé la iv phosphorylation de l'ACC et a augmenté les niveaux de PPAR-α dans le foie des souris KKAy. Ces effets se voient être additifs à l’effet anorexigène de V. vitis. Au cours du fractionnement bioguidé de l’extrait, l’ester méthylique de l'acide caféique (CAME), un produit formé lors de la procédure du fractionnement, a démontré un effet stimulateur puissant sur le transport du glucose dans les celules C2C12 et donc un potentiel anti-diabétique. Pour identifier d'autres acides caféique active (AC) et pour élucider leurs relations structure-activité et structure-toxicité, vingt dérivés AC ont été testés. Outre CAME, quatre composés ont stimulé le transport du glucose et ont activé l'AMPK suite au stress métabolique résultant d'un découplage de la phosphorylation oxydative mitochondriale. L’activité nécessite une fonction d’AC intacte dépourvu de groupements fortement ionisés et ceci était bien corrélée avec la lipophilicite et la toxicité. Les résultats de cette thèse soutiennent le potentiel thérapeutique de V. vitis, ses composés actifs ainsi que de la famille de l’AC et pour la prévention et le traitement du diabète. / Type 2 diabetes in Canadian First Nations is three times higher than the national average. Poor prognosis is partly attributed to cultural inappropriateness of pharmaceutical products. Our project aims to develop culturally adapted diabetes treatment based on traditional medicine pharmacopoeia. Our team has identified 17 plants used to treat the symptoms of diabetes by the Cree of Eeyou Istchee (James Bay, Quebec). Among them, the ethanol extract of Vaccinium vitis-idaea berries was found to have an important stimulatory effect on glucose uptake in cultured skeletal muscle cells and adipocytes. The goal of this thesis was to elucidate the mechanisms of action of this plant product as well as to isolate and identify its active constituents using a bioassay-guided fractionation approach and finally to validate the antidiabetic activity in vivo. The extract of V.vitis enhanced glucose uptake in cultured C2C12 and L6 skeletal muscle cells and stimulated the translocation of GLUT4 transporters to the cell membrane of L6 cells. It mildly inhibited ADP-stimulated oxygen consumption in isolated rat liver mitochondria, an effect similar to that of metformin and consistent with metabolic stress and the consecutive activation of AMP-activated protein kinase (AMPK) pathway. The insulin pathway does not seem to be involved in V.vitis signaling. Fractionation of this plant extract, guided by glucose uptake activity, resulted in the isolation of the active principles, quercetin-3-O-galactoside, quercetin, and quercetin-3-O-glucoside. Similar to the crude extract, the quercetin glycosides and the aglycone stimulated the AMPK pathway. However, only the aglycone inhibited ATP synthase in isolated mitochondria. To validate the effect of V.vitis in vivo, the extract (1% in drinking water) was administered to KKAy mice for 10 days. Glycemia and body weight were significantly reduced by V.vitis. These effects were associated with decrease of food intake, suggesting that V.vitis reduces the appetite. The pair-fed study confirmed that the previous effects of V.vitis are almost mediated by its appetite reducing action. In addition, V. vitis-treatment increased the content of GLUT4 protein in skeletal muscle, stimulated the phosphorylation of ACC and increased the levels of PPAR-α in the liver of KKAy mice. These effects could be additives to the apetite controling effect of V. vitis. vi In the course of bioguided-fractionation, caffeic acid methyl ester (CAME), a by-product of fractionation procedure, has been shown to potently stimulate glucose uptake in cultured skeletal muscle cells and therefore to have anti-diabetic potential. To identify other active caffeic acid (CA) derivatives and to elucidate their structure–activity and structure-toxicity relationships, twenty CA derivatives were tested. In addition to CAME, four compounds were found to stimulate glucose uptake and activate AMPK. Uncoupling of mitochondrial oxidative phosphorylation by these compounds resulted in metabolic stress which could explain the activation of AMPK. The activity required an intact caffeic acid moiety devoid of strongly ionized groups and was well correlated with lipophilicity and toxicity. The results of the present thesis support a therapeutic potential for V.vitis, and its active compounds, as well as the CA family of compounds for the prevention and treatment of diabetes.

In this study, the immediate and short term (three months) effects of conservation burning have been investigated in coniferous forests in southeastern Sweden. Five tree species were investigated Picea abies (Norway spruce), Pinus sylvestris (Scots pine), Populus tremula (aspen), Betula pendula (silver birch) and Betula pubescens (downy birch), as well as ground vegetation of mosses, dwarf shrubs and ground lichens. Burning increased the proportion of live deciduous tree shoots from 51 % to 81 % and the live tree shoot size distribution of four tree species was significantly changed by fire. Fire affected the tree species differently. Three months after burning deciduous tree species exhibited strong sprouting, while P. sylvestris had established many seedlings, significantly increasing its share of the tree stand. P. abies lacked any visible positive response to burning and its number of live shoots decreased by 83 %. Mineral soil was exposed on only the moss vegetation and covered just 4 % of the studied plot area. The initial vegetation response to fire was negative, but significant dwarf shrub recovery was detected three months after burning.

Recent literature has recommended that life cycle assessments (LCA) of forest bioenergy supply chains consider the impact of biomass harvest on ecosystem carbon stocks as well as the net emissions arising from combustion of various forms of biofuels compared with reference fossil fuel systems. The present study evaluated the magnitude and temporal variation of ecosystem C stock changes resulting from harvest of roadside residues and unutilized whole trees for bioenergy. The Carbon Budget Model (CBM-CFS3) was applied to the Gordon Cosens Forest, in northeastern Ontario, along with the Biomass Opportunity Supply Model (BiOS-Map), for cost analysis of different types of biomass comminution. Natural gas (NG) steam and electricity, grid electricity, and coal electricity reference systems were analyzed for a pulp and paper mill. The findings showed that the forested landscape becomes a net sink for carbon following the 20th year of roadside residue harvest, compared to whole-tree harvest, where the forested landscape remained a net source of carbon over the entire 100 year rotation. The cumulative ecosystem carbon loss from whole-tree harvest was 11 times greater compared to roadside residue harvest. BiOS-Map analysis suggested that due to technical and operational limits, between 55%-59% and 16%-24% of aboveground biomass was not recovered under roadside residue and whole-tree harvest respectively. The cost of delivering roadside residues was estimated at $52.32/odt–$57.45/odt, and for whole trees $92.63/odt–$97.44/odt. The Life Cycle Assessment (LCA) analysis showed break-even points of 25, 33 and 6 years for roadside residues displacing NG steam, NG electricity, and coal, respectively. No GHG reduction was achieved when forest biomass was used to displace grid electricity that is generated in Ontario. Whole-tree bioenergy resulted in no GHG reduction for NG displacement, and a break-even point of 70-86 years for coal. A net GHG reduction of 67% and 16% was realized when roadside residues and whole trees were used to displace coal, compared to 45% and 38% when roadside residues were used to displace NG steam and NG electricity, respectively. Therefore, it is recommended that bioenergy deployment strategies focus on the utilization of roadside residues, if the main goal is GHG mitigation.

Recent literature has recommended that life cycle assessments (LCA) of forest bioenergy supply chains consider the impact of biomass harvest on ecosystem carbon stocks as well as the net emissions arising from combustion of various forms of biofuels compared with reference fossil fuel systems. The present study evaluated the magnitude and temporal variation of ecosystem C stock changes resulting from harvest of roadside residues and unutilized whole trees for bioenergy. The Carbon Budget Model (CBM-CFS3) was applied to the Gordon Cosens Forest, in northeastern Ontario, along with the Biomass Opportunity Supply Model (BiOS-Map), for cost analysis of different types of biomass comminution. Natural gas (NG) steam and electricity, grid electricity, and coal electricity reference systems were analyzed for a pulp and paper mill. The findings showed that the forested landscape becomes a net sink for carbon following the 20th year of roadside residue harvest, compared to whole-tree harvest, where the forested landscape remained a net source of carbon over the entire 100 year rotation. The cumulative ecosystem carbon loss from whole-tree harvest was 11 times greater compared to roadside residue harvest. BiOS-Map analysis suggested that due to technical and operational limits, between 55%-59% and 16%-24% of aboveground biomass was not recovered under roadside residue and whole-tree harvest respectively. The cost of delivering roadside residues was estimated at $52.32/odt–$57.45/odt, and for whole trees $92.63/odt–$97.44/odt. The Life Cycle Assessment (LCA) analysis showed break-even points of 25, 33 and 6 years for roadside residues displacing NG steam, NG electricity, and coal, respectively. No GHG reduction was achieved when forest biomass was used to displace grid electricity that is generated in Ontario. Whole-tree bioenergy resulted in no GHG reduction for NG displacement, and a break-even point of 70-86 years for coal. A net GHG reduction of 67% and 16% was realized when roadside residues and whole trees were used to displace coal, compared to 45% and 38% when roadside residues were used to displace NG steam and NG electricity, respectively. Therefore, it is recommended that bioenergy deployment strategies focus on the utilization of roadside residues, if the main goal is GHG mitigation.

Ce projet de recherche évalue la réponse à court terme de coléoptères phloeophages et xylophages (Cerambycidae et Scolytinae) à différentes intensités de coupes partielles (0, 25 et 40% de la surface terrière prélevée) afin de déterminer la viabilité de cette méthode sylvicole en forêt boréale. Disposant de 12 parcelles expérimentales (4 répétitions pour chaque intensité de coupe) dans une sapinière à bouleau blanc située au sud de la forêt boréale (Québec, Canada), nous avons évalué l’abondance, la diversité ainsi que l’établissement (taux d’attaque) de ces deux groupes d’insectes, et ce dès la première année suivant la coupe. L’échantillonnage a été réalisé à l’aide de pièges à interception multidirectionnelle et de l’écorçage de sections de 3 espèces d’arbres exposées dans l’ensemble des parcelles. Nos résultats montrent une plus grande activité/abondance des deux taxons (abondance 5 à 6 fois plus élevée) ainsi qu’une composition en espèces différente et plus diversifiée dans les peuplements partiellement coupés (25 et 40%). De plus, la présence et la distribution d’espèces colonisant habituellement des hôtes affaiblis (e.g., Trypodendron lineatum, Rhagium inquisitor) – et pouvant donc réduire la valeur économique d’arbres résiduels – a été recensée et semble être favorisée entres autres par l’ouverture de la canopée et des blessures physiques faites aux arbres pendant les opérations sylvicoles. Par ailleurs, l’approche combinant différentes techniques d’échantillonnage a permis une meilleure compréhension des mécanismes de localisation/sélection d’hôte (variant en fonction de l’espèce), un aspect important de la dynamique des insectes pour l’évaluation des risques suite aux coupes forestières. Sur la base de cette étude à court terme, il ne semblerait pas y avoir de différence significative sur les risques pour le milieu quant à l’augmentation d’activité des Cerambycidae et Scolytinae entre les deux traitements de coupe appliqués. Il reste cependant indispensable de vérifier la validité de ces résultats sur une plus longue période afin d’établir des plans d’aménagement forestier durables pour la forêt boréale. / To evaluate the viability of partial cuts, short-term responses of phloeophagous and xylophagous beetles (Cerambycidae and Scolytinae) following different partial cut treatments (0, 25 and 40% of basal area cut) were determined in a balsam fir–white birch boreal forest in Quebec, Canada. Each treatment was replicated 4 times totaling 12 experimental stands. The summer following treatments, abundance and diversity of targeted beetle groups along with their establishment (attack rates) in partially cut stands were assessed with passive flight- interception traps and bark dissection of exposed, freshly cut boles from three tree species. Greater activity/abundance from both taxa were detected (abundance 5 to 6 times larger) along with a different and more diversified species composition in partially cut stands (25 and 40%). The presence and distribution of species that usually colonize weakened host trees (e.g., Trypodendron lineatum, Rhagium inquisitor) – and can thus reduce stands economic value for future harvest operations – were influenced by canopy openness and injuries on residual trees made during silvicultural operations. Furthermore, combining diverse sampling techniques allowed us to observe different host-selection patterns (random landing vs. primary attraction) given our multi-scale experimental approach, which we found to vary between insect species. Understanding these mechanisms for such beetle groups are important to evaluate stand vulnerability following partial cuts and predict impacts and risks in a given environment. While the 40% partial cuts remove additional wood volume, we found no significant increase in beetle activity between the 25 and 40% treatment. Though partial cuts render treated stands more vulnerable to greater Cerambycidae and Scolytinae attacks, further studies must be done to confirm this trend in longer term if proper boreal forest management plans are to be drawn.

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Les forêts boréales stockent de grandes quantités de carbone organique et jouent un rôle important dans le climat planètaire. Le climat est étroitement associé à la surface terrestre à travers les flux de gaz à effet de serre, d’énergie et de vapeur d’eau. Dans la zone de pergélisol sporadique nord-américaine, l’affaissement du sol attribuable au dégel provoque l’expansion de milieux humides sans pergélisol remplaçant des forêts avec pergélisol. Cependant, l’étendue spatiale de ces changements et leurs conséquences sur le climat sont inconnues. Dans cette étude, j’analyse les flux turbulents d’un paysage comprenant des forêts boréales et des milieux humides dans la partie sud de la Taïga des plaines, T.N.-O., Canada. J’associe ces flux avec la modélisation d’empreintes de flux, des données satellite, des données paléoécologiques, et des projections climatiques afin de caractériser l’impact des changements de la couverture terrestre sur les interactions entre la terre et l’atmosphère. Dans la Taïga des plaines, la perte de forêt boréale attribuable au dégel est d’une importance égale à celle due aux feux de forêt. La perte de forêt modifie les flux turbulents d’énergie à travers des changements dans les propriétés aérodynamiques et écophysiologiques de la surface terrestre. L’accroissement de l’albédo cause de petites réductions dans la somme des flux turbulents de chaleur sensible (H) et de chaleur latente (LE)). La diminution de la rugosité et l’augmentation de l’humidité de la surface augmentent toutefois LE tout en réduisant H, ce qui mènerait à une baisse des températures estivales et à une augmentation de l’humidité de l’air, d’après des simulations réalisées à l’aide d’un modèle de la couche limite planétaire. Contrairement à l’effet biophysique de refroidissement du climat régional dû à la perte de couvert forestier, l’expansion des milieux humides et l’augmentation des émissions de méthane (CH4) provoque un réchauffement du climat. L’expansion des milieux humides dans la partie sud de la Taïga des plaines entraîne une augmentation des émissions de 0.034 g CH4 m-2 a-1. Les taux d’absorption de CO2 caractéristiques de ces paysages sont trop faibles pour neutraliser le réchauffement du climat dû aux émissions de CH4 d’ici la fin du 21ème siècle. Tout en dégelant rapidement, ces paysages boréaux restent des puits de CO2, absorbant 74 g CO2 m-2 a-1. L’expansion des milieux humides n’affecte pas les émissions nettes de CO2, les changements de la productivité primaire brute (PPB) et de la respiration de l’écosystème (RE) étant d’une magnitude similaire. Les répercussions négligeables sur les flux nets de CO2 sont largement compensées par les répercussions climatiques directes d’un réchauffement de la température de l’air. Un scénario de réchauffement élevé mène à un accroissement de RE dépassant significativement l’accroissement de PPB. Dans la Taïga des plaines, le dégel du pergélisol a donc des répercussions climatiques qui s’opposent aux plans biophysiques et biogéochimiques. Dans un climat plus chaud, le dégel modifie la façon dont les paysages interagissent avec le climat, ce qui souligne la nécessité d’intégrer les changements dans la couverture terrestre attribuable au dégel dans les modèles du système Terre. / Boreal forests store large amounts of organic carbon and are an important component of the regional and global climate systems. Climate and land surface are closely coupled through the land-atmosphere exchange of greenhouse gases, such as CO2 and CH4, and of energy and water vapor. In lowlands of the North American sporadic permafrost region, thaw-induced surface subsidence leads to expansion of permafrost-free wetlands at the expense of boreal forests underlain by permafrost. However, the spatial extent of these land cover changes and their implications for land-atmosphere interactions are unknown. In this study, I analyze eddy covariance flux measurements from an organic-rich boreal forest-wetland landscape in the southern Taiga Plains, NT, Canada. I combine these measurements with flux footprint modeling, satellite remote sensing data, paleoecological records, and downscaled climate projections to characterize how thaw-induced land cover change affects land-atmosphere interactions and climate. In the Taiga Plains ecozone, thaw-induced boreal forest loss currently transforms the composition and structure of the boreal zone in North America and is of equal importance for tree cover dynamics as wildfire disturbance. Forest loss modifies landatmosphere energy fluxes through changes in aerodynamic and ecophysiological land surface properties. On the one hand, increasing albedo decreases total turbulent energy fluxes (i.e., sensible (H) and latent heat (LE) flux), and on the other hand decreasing surface roughness and increasing wetness enhances LE at the expense of H. The resulting maximum summer air temperatures and humidity would be substantially colder (1-2 C) and wetter (2 mmol mol-1) in a hypothetical permafrost-free wetland landscape, as indicated by planetary boundary layer model simulations. In contrast to the regional biophysical climate cooling impact of thaw-induced land cover change, wetland expansion and related increases in landscape CH4 emissions induce a net global biogeochemical climate warming impact. At the current rate of wetland expansion in the southern Taiga Plains of 0.26 % yr-1, landscape CH4 emissions increase by 0.034 g CH4 m-2 yr-1. Typical rates of long-term net CO2 uptake in these landscapes are too small to neutralize the associated climate warming effect until the end of the 21st century. The rapidly thawing boreal forest-wetland landscape still acts as a net CO2 sink taking up 74 g CO2 m-2 yr-1. Wetland expansion does not affect landscape-level net CO2 uptake as changes in gross primary productivity (GPP) and ecosystem respiration (ER) are of similar magnitude. The negligible thaw-induced effects on net CO2 fluxes are contrasted by larger direct climate change impacts of warming air temperatures and reduced incoming shortwave radiation. For a high warming scenario (RCP8.5), increases in modeled ER outpace the increasing GPP significantly. For a moderate warming scenario (RCP4.5), ER and GPP increase are of similar magnitude. Thaw-induced land cover change in the Taiga Plains causes thus biophysical and biogeochemical climate impacts of opposite sign and at contrasting scales of impacts (regional vs. global). In an increasingly warmer climate, thawing permafrost alters how boreal landscapes interact with climate highlighting the need to incorporate thaw-induced land cover changes into global Earth system models.

Le biome boréal, emmagasinant d’importantes quantités de carbone en son sol et recouvrant une majorité du territoire alaskien, fennoscandien et russe, contribue grandement au système climatique. Toutefois, les variabilités climatiques et les propriétés de l’écosystème, notamment en ce qui a trait à la présence ou l’absence de pergélisol, complexifient la quantification de la variabilité des bilans de carbone du biome boréal, au sein duquel se retrouvent des écosystèmes forestiers, lentiques et de zones humides. Ces bilans de carbone sont grandement influencés par le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique, étant à leur tour dépendants de plusieurs variables environnementales telles que la température de l’air et du sol, le contenu du sol en eau, les stades de développement de la végétation, etc. Cette recherche vise à quantifier l’impact de ces variabilités environnementales sur la variabilité des moments où se produisent le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique, en distinguant les forêts boréales avec et sans pergélisol. La saison de croissance photosynthétique est caractérisée à partir de la productivité primaire brute dérivée de mesures covariance des turbulences provenant de 40 sites-années d’observation à travers la forêt boréale nord-américaine où l’épinette noire est l’espèce d’arbre dominante. Les variables environnementales considérées étaient les températures de l’air et du sol, les stades de développement de la végétation, le couvert nival, le rayonnement photosynthétiquement actif et le contenu du sol en eau. Le cadre statistique choisi incluait le calcul des coefficients de corrélations de Pearson, l’analyse des points communs et la modélisation par équations structurelles. Les résultats de cette étude montrent que la variabilité du début de la saison de croissance dans les sites sans pergélisol est contrôlée directement par la variabilité annuelle des stades de développement de la végétation ainsi que par le moment où survient le dégel du sol. Ce résultat souligne ainsi l’importance de l’accès à l’eau liquide du sol afin que la végétation initie la photosynthèse. Aucune variable environnementale ne pouvait significativement expliquer le contrôle du début de la photosynthèse au sein des sites avec pergélisol. À l’automne, le contenu du sol en eau ainsi que le début du couvert nival influencent directement la variabilité de la fin de la saison de croissance photosynthétique. Il est alors montré que la disponibilité de l’eau peut mener à une cessation plus hâtive de la photosynthèse à l’automne. L’effet de l’apparition du couvert nival est quant à lui opposé dans les sites avec et sans pergélisol. Son retard dans les sites sans pergélisol témoigne d’une température de l’air suffisamment élevée pour que les précipitations tombent sous forme liquide, prolongeant ainsi les activités photosynthétiques. Son retard dans les sites avec pergélisol signifie plutôt des précipitations neigeuses moindres, retardant ainsi l’apparition d’une couche isolante pour le sol, qui aurait pu allonger la saison de croissance photosynthétique. Cette étude contribue à clarifier les processus contrôlant le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique et aidera à améliorer la compréhension des effets des changements climatiques sur la force du puits de carbone de la forêt boréale nord-américaine. / The boreal forest, storing large amounts of carbon in its soil and covering a majority of the Alaskan, Canadian, Fennoscandian and Russian territory, is an integral part of the climate system. However, climatic variability and ecosystem properties, particularly with regards to the presence or absence of permafrost, limits our understanding of the carbon balance variability in the boreal biome, which comprises forest, lake and wetland ecosystems. The boreal carbon sink-source strength is greatly influenced by phenological events, including the start and end of the photosynthetic growing season, which are themselves dependent on several environmental variables such as air and soil temperature, soil water content, vegetation development stages, etc. This research aims to provide new insights on the influence of environmental variability on the variability in the timing of the photosynthetic growing season, by broadly distinguishing between boreal forests with and without permafrost. The photosynthetic growing season is characterized using gross primary productivity derived from eddy covariance measurements of net ecosystem carbon dioxide exchange. Data from 40 black spruce- dominated site-years of observation across the North American boreal forest are used. The considered environmental predictors were air and soil temperatures, vegetation development stages, snow cover, photosynthetically active radiation and soil water content. The statistical framework included the calculation of Pearson correlation coefficients, commonality analyses and structural equation modeling. This study shows that the variability in the start of the growing season in permafrost-free sites is directly controlled by the variability in vegetation development stage as well as by the thawing of seasonally frozen ground. This result thus emphasizes the importance of access to liquid soil water for the vegetation to initiate photosynthesis. No environmental variable could significantly explain photosynthesis recovery in sites with permafrost. In fall, the soil water content as well as the start of snow cover directly influence the variability in the end of the photosynthetic growing season. These results suggest that the availability of water can limit photosynthesis in the fall. The effect of snow cover is opposite in sites with and without permafrost. A delay in the appearance of continuous snow cover in sites without permafrost indicates that the air temperature is high enough for precipitation to fall in liquid form and for photosynthesis to continue. In contrast, its delay in sites with permafrost indicates less snowfall, thus delaying the appearance of an insulating layer for the soil, which could have lengthened the photosynthetic growing season. This study sheds light on the controls of the annual variation of the timing of the photosynthetic growing season and will help understanding of the effects of climate change on the strength of the North American boreal forest carbon sink.