Thèses (Ph.D.)--Université de Sherbrooke (Canada), 1997. / Titre de l'écran-titre (visionné le 24 août 2006). Publié aussi en version papier.

Les régulateurs de croissance et facteurs environnementaux régulent le développement et la croissance des plantes, ce qui affecte la biomasse et le rendement des cultures. Un déterminant important de la biomasse est l'étendue de la ramification, c'est-à-dire l'élongation des branches latérales. Les strigolactones (SL), des régulateurs de croissance dérivés de caroténoïdes et produits de la voie MORE AXILLARY BRANCHING (MAX), sont des régulateurs négatifs du développement des bourgeons axillaires. Les gènes AtMAX1 à AtMAX4 chez Arabidopsis codent pour des protéines impliquées dans la synthèse et la régulation de ces molécules. Parallèlement, une autre protéine, nommée BRANCHED1 (BRC1), est impliquée dans l'arrêt du développement des bourgeons, et il a été suggéré que son action se trouvait en aval de la voie MAX. D'autre part, une étude récente a démontré que l'expression constitutive du gène TRITICUM AESTIVUM VERNALIZATION1 (TaVRN1) du blé chez Arabidopsis affecte la ramification. Ce gène code pour un facteur de transcription à boîte MADS (MADS-box). TaVRN1 se lie à des motifs CArG de la région promotrice de AtMAX4, et provoque une augmentation de l'expression de AtMAX4. TaVRN1 fait partie du clade APETALA1/SQUAMOSA, tout comme les gènes APETALA1 (AtAP1), FRUITFUL (AtFUL) et CAULIFLOWER (AtCAL) chez la plante-modèle Arabidopsis thaliana, toutefois seul le membre AtAP1 de ce clade est surexprimé en présence de TaVRN1. Dans ce travail, nous avons procédé à une analyse détaillée des régions promotrices des gènes AtBRC1, AtMAX2 et AtMAX4, ainsi que du gène codant pour le MADS-box AtAP1. Cette analyse nous a permis d'identifier de nombreux éléments de régulation situés dans la région proximale des promoteurs (800 pb), dont des motifs CArG et CArG consensus chez AtBRC1 et AtMAX4 auxquels nous avons porté une attention particulière. Des analyses de gels de retardement effectuées avec des sondes contenant ces CArG et avec les protéines recombinantes AtAP1, AtFUL, et TaVRN1 (comme contrôle) indiquent qu'AtAP1 et TaVRN1 ont la capacité de se lier aux différents motifs CArG et CArG consensus des gènes AtAP1, AtBRC1 et AtMAX4. Ceci suggère qu'AtAP1 est un orthologue de TaVRN1 chez Arabidopsis. Nos résultats suggèrent aussi qu'AtAP1 est un FT MADS ayant la capacité de s'autoréguler et de moduler l'expression des gènes AtMAX4 et AtBRC1. Ces gènes étant impliqués dans le développement des branches latérales, ceci suggère que la dominance apicale est un phénomène qui dépend de facteurs de régulation MADS et plus spécifiquement d'AtAP1. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Arabidopsis thaliana, APETALA1, bourgeons axillaires, BRANCHED1, branches latérales, croissance, développement, dominance apicale, MADS, MAX, motif CArG

En réponse aux conditions environnementales sous- et supra-optimales, les plantes manifestent des variations au niveau de leur croissance et de leur développement. Ces conditions non-optimales de croissance peuvent toutefois affecter la biomasse et le rendement des cultures. La température est l'un des facteurs environnementaux qui affectent le plus la croissance. Dans ce travail, nous avons effectué une analyse détaillée sur le développement (nombre et longueur des branches de la rosette et caulinaires, fleurs et bourgeons) de la plante modèle Arabidopsis thaliana sous différents conditions non-optimales de température et à différents stades de développement (Végétatif ou Reproductif). Les plantes témoins ont été cultivées à la température optimale de 22°C. Les résultats ont montré que des températures inférieures (12, 17°C) ou supérieures (27, 32°C) affectent le branchement et la floraison. L'allongement des entrenœuds et des branches caulinaires primaires est réduit à des températures plus basses et augmenté à des températures supérieures. Des résultats semblables ont été obtenus chez les plantes avant ou après l'initiation du développement de l'inflorescence principale. Nos données indiquent que les plantes qui sont passées au stade reproductif avant le traitement sont légèrement moins affectées par les variations de température que les plantes qui sont au stade végétatif. Nos résultats suggèrent aussi que les plantes doivent atteindre une taille maximale (longueur des entrenœuds) avant de former des méristèmes floraux, et que cette taille maximale dépend de la température de croissance. Les plantes à 17°C montrent un branchement légèrement inférieur alors que celles à 27°C montrent un branchement supérieur. Ceci suggère que la dominance apicale est un phénomène qui dépend de la température. Ce travail présente à notre connaissance la première étude élaborée de l'effet de la température sur le développement des inflorescences chez Arabidopsis. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Arabidopsis thaliana, branches, bourgeons axillaires, croissance, développement, entre-nœuds, stade reproductif, stade végétatif, température

Dans cette thèse, nous nous intéressons à une classe particulière de modèles stochastiques de croissance de plantes structure-fonction à laquelle appartient le modèle GreenLab. L'objectif est double. En premier lieu, il s'agit d'étudier les processus stochastiques sous-jacents à l'organogenèse. Un nouveau cadre de travail combinatoire reposant sur l'utilisation de grammaires formelles a été établi dans le but d'étudier la distribution des nombres d'organes ou plus généralement des motifs dans la structure des plantes. Ce travail a abouti 'a la mise en place d'une méthode symbolique permettant le calcul de distributions associées 'a l'occurrence de mots dans des textes générés aléatoirement par des L-systèmes stochastiques. La deuxième partie de la thèse se concentre sur l'estimation des paramètres liés au processus de création de biomasse par photosynthèse et de son allocation. Le modèle de plante est alors écrit sous la forme d'un modèle de Markov caché et des méthodes d'inférence bayésienne sont utilisées pour résoudre le problème.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à une classe particulière de modèles stochastiques de croissance de plantes structure-fonction à laquelle appartient le modèle GreenLab. L’objectif est double. En premier lieu, il s’agit d’étudier les processus stochastiques sous-jacents à l’organogenèse. Un nouveau cadre de travail combinatoire reposant sur l’utilisation de grammaires formelles a été établi dans le but d’étudier la distribution des nombres d’organes ou plus généralement des motifs dans la structure des plantes. Ce travail a abouti `a la mise en place d’une méthode symbolique permettant le calcul de distributions associées `a l’occurrence de mots dans des textes générés aléatoirement par des L-systèmes stochastiques. La deuxième partie de la thèse se concentre sur l’estimation des paramètres liés au processus de création de biomasse par photosynthèse et de son allocation. Le modèle de plante est alors écrit sous la forme d’un modèle de Markov caché et des méthodes d’inférence bayésienne sont utilisées pour résoudre le problème. / This PhD focuses on a particular class of stochastic models of functional-structural plant growth to which the GreenLab model belongs. First, the stochastic processes underlying the organogenesis phenomenon were studied. A new combinatorial framework based on formal grammars was built to study the distributions of the number of organs or more generally patterns in plant structures. This work led to the creation of a symbolic method which allows the computation of the distributions associated to word occurrences in random texts generated by stochastic L-systems. The second part of the PhD tackles the estimation of the parameters of the functional submodel (linked to the creation of biomass by photosynthesis and its allocation). For this purpose, the plant model was described by a hidden Markov model and Bayesian inference methods were used to solve the problem.

Les modèles de croissance de plantes cherchent à décrire la croissance de la plante en interaction avec son environnement. Idéalement, les paramètres du modèle ainsi défini doivent être stables pour une large gamme de conditions environnementales, et caractéristiques d'un génotype donné. Ils offrent ainsi des nouveaux outils d'analyse des interactions génotype X environnement et permettent d'envisager de nouvelles voies dans le processus d'amélioration génétique chez les semenciers. Malgré tout, la construction de ces modèles et leur paramétrisation restent un challenge, en particulier à cause du coût d'acquisition des données expérimentales. Dans ce contexte, le premier apport de cette thèse concerne l'étude de modèles de croissance. Pour le tournesol (Helianthus annuus L.), il s'agit du modèle SUNFLO [Lecoeur et al., 2011]. Il simule la phénologie de la plante, sa morphogenèse, sa photosynthèse, sous les contraintes de stress abiotiques. Une amélioration de ce modèle a été proposée : il s'agit du modèle SUNLAB, implémentant dans le modèle SUNFLO les fonctions d'allocation de biomasse aux organes, en utilisant les concepts sources puits du modèle GREENLAB [De Reffye et Hu, 2003]. Pour le maïs (Zea mays L.), le modèle CORNFLO, basé sur les mêmes principes que SUNFLO a également été étudié. Ces modèles permettent la différenciation entre génotypes. D'autre part, afin de paramétrer ces modèles, une méthodologie originale est conçue, adaptée au contexte de l'amélioration variétale chez les semenciers : la méthode MSPE (\multi-scenario parameter estimation") qui utilise un nombre restreint de traits expérimentaux mais dans un grand nombre de configurations environnementales pour l'estimation paramétrique par inversion de modèles. Les questions d'identifiabilité, d'analyse de sensibilité, et du choix des méthodes d'optimisation sont discutées. L'influence du nombre de scénarios sur la capacité de prévision du modèle, ainsi que sur l'erreur d'estimation est également étudiée. Enfin, il est démontré que le choix des scénarios dans des classes environnementales différentes (définies par des méthodes de classification - clustering) permet d'optimiser le processus expérimental pour la paramétrisation du modèle, en réduisant le nombre de scénarios nécessaires. / Plant growth models aim at describing the interaction between the growth of plants and their environment. Ideally, model parameters are designed to be stable for a wide range of environmental conditions, and thus to allow characterizing genotypes. They offer new tools to analyze the genotype X environment interaction and they open new perspectives in the process of genetic improvement. Nevertheless, the construction of these models and their parameterization remain a challenge, in particular because of the cost of experimental data collection. In this context, the first contribution of this thesis concerns the study of plant growth models. For sunower (Helianthus annuus L.), the model SUNFLO [Lecoeur et al., 2011] is considered. It simulates the plant phenology, morphogenesis and photosynthesis under abiotic stresses. An extension of this model is proposed: this new SUNLAB model adapts into SUNFLO a module of biomass allocation to organs, using the source-sink concepts inspired by the GREENLAB model [De Reffye and Hu, 2003]. For maize (Zea mays L.), the CORNFLO model, based on the same principles as SUNFLO, was also studied. These models helps discriminating genotypes and analyzing their performances. On the other hand, in order to parameterize these models, an original methodology is designed, adapted to the context of plant variety improvement by breeders. The MSPE methodology (\multi-scenario parameter estimation") uses a limited number of experimental traits but in a large number of environmental configurations for the parameter estimation by model inversion. Issues including identifiability, sensitivity analysis, and the choice of optimization methods are discussed. The influences of environmental scenarios amount on the model predictive ability and on estimation error are also studied. Finally, it is demonstrated that selecting scenarios in different environmental classes (obtained by data clustering methods) allows to optimize the multi-scenario parameter estimation performances, by reducing the required number of scenarios.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à une classe particulière de modèles stochastique de croissance de plantes structure-fonction à laquelle appartient le modèle GreenLab. L'objectif est double. En premier lieu, il s'agit d'étudier les processus stochastiques sous-jacents à l'organogenèse. Un nouveau cadre de travail combinatoire reposant sur l'utilisation de grammaires formelles a été établi dans le but d'étudier la distribution des nombres d'organes ou plus généralement des motifs dans la structure des plantes. Ce travail a abouti à la mise en place d'une méthode symbolique permettant le calcul de distributions associées à l'occurrence de mots dans des textes générés aléatoirement par des L-systèmes stochastiques. La deuxième partie de la thèse se concentre sur l'estimation des paramètres liés au processus de création de biomasse par photosynthèse et de son allocation. Le modèle de plante est alors écrit sous la forme d'un modèle de Markov caché et des méthodes d'inférence bayésienne sont utilisées pour résoudre le problème.

Les champignons endomycorhiziens arbusculaires (MA) forment des relations symbiotiques avec la majorité des espèces végétales terrestres. Leur rôle écologique dans la productivité et la stabilité des agrosystèmes sont connus depuis de nombreuses années. Plusieurs études ont montré que ces symbiotes augmentent la croissance végétale et la résistance des plantes aux stress biotiques et abiotiques. Malgré le potentiel avéré de la symbiose MA pour augmenter durablement la productivité des agrosystèmes dans le cadre d’une agriculture à faibles apports d’intrants, cette biotechnologie est encore sous exploitée. Ce constat résulte essentiellement de difficultés techniques pour produire en quantité un inoculum fongique de qualité et un manque de connaissance concernant les facteurs biologiques régulant la réceptivité des sols à l’inoculation des champignons MA. Les principaux objectifs de ces travaux sont d’optimiser les performances d’un inoculum MA. (1), en associant le champignon MA avec des bactéries PGPR ou MHB. Cette stratégie vise à promouvoir l’établissement et le fonctionnement de la symbiose MA. En effet, ces bactéries bénéfiques aux plantes peuvent augmenter la croissance végétale, directement en fournissant à la plante des composés bénéfique (phytohormone, etc), et indirectement en réduisant ou prévenant les effets délétères de phytopathogènes ou en augmentant l’établissement de la symbiose MA. (2), par la gestion des cultures, notamment par l’association céréales/légumineuses en culture intercalaire. Les légumineuses sont souvent dépendantes des associations symbiotiques avec les champignons MA, et ceux-ci peuvent participer dans la nutrition azotée et phosphatée de la plante. (3), par l’amendement en composé ou organique. Ces amendements peuvent être solubilisés et dégradés par des bactéries et ainsi promouvoir la nutrition végétale sans augmenter la disponibilité de P et N dans le sol. (4), en développant des inocula complexes associant bactéries bénéfiques, champignons MA et amendement, l’ensemble contenu dans un gel d’alginate. / Arbuscular Mycorrhizal fungi (AM) are ubiquitous microorganisms forming symbiotic relationships with the majority of terrestrial plant species. Their ecological functions in the productivity and stability of agroecosystems have been recognized for many years. Many studies have shown that these symbionts improved plant growth and plant resistance to biotic and abiotic stresses. Despite the proven potential of mycorrhizal symbiosis to sustainably improve the productivity of agroecosystems under low input agriculture, this biotechnology is still under exploited. This failure mainly results from technical difficulties to mass-produced fungal inoculum of high quality and a lack of knowledge about the biological factors regulating the soil receptivity of AM inoculation. The main objectives of our studies are to optimize the performance of an AM fungal inoculum. (1), by combining the AM fungus with Plant Growth Promoting Rhizobacteria, or Mycorrhizal Helper Bacteria. This strategy aims to promote the establishment and the functioning of the mycorrhizal symbiosis. Indeed, this plant beneficial bacteria may affect plant growth through two different pathways, directly by providing to the plant some beneficial compounds (i.e. phytohormones, etc), indirectly, by reducing or preventing the deleterious effects of phytopathogens or by improving the establishment of the mycorrhizal symbiosis. (2), by plant management with the association of cereal/leguminous in intercropping. Leguminous are often dependent of AM association and AM fungi may participate to promote N and P plant uptake. (3), by amendment of mineral or organic compounds. These amendments can be degraded slowly by bacteria and promote plant nutrition without increase P and N soil availability. (4), by development of complex inocula associating beneficial bacteria, AM fungi and amendment, based on the entrapment of these inocula in alginate gels

Le développement et le fonctionnement harmonieux des plantes dépendent de cofacteurs comme le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD). Outre ses rôles dans le recyclage redox, le NAD est également impliqué dans les processus de signalisation cellulaire, qui sont des acteurs centraux dans les conditions de stress. Ainsi, le NAD est l'un des principaux déterminants de l'homéostasie de l'énergie des plantes et a un impact important sur la productivité des plantes et la résistance au stress. La L-aspartate oxydase (LASPO) et l'acide nicotinique / nicotinamide mononucléotide adénylyltransférase (N(a)NMNAT) sont deux enzymes importantes dans la biosynthèse du NAD. Par surproduction de ces deux enzymes dans E. coli, nous avons identifié les propriétés biochimiques de ces enzymes. Il ressort que la surexpression de la N(a)MNAT stimule la croissance des plantes en activant les métabolismes photosynthétiques et respiratoires, sans pour autant augmenter les teneurs en NAD. La surproduction de la LASPO augmente la teneur en NAD des plantes, laquelle est corrélée à une augmentation significative de la production de biomasse foliaire et des rendements en graines, et l’inverse est observé lorsque les teneurs en NAD diminuent. La modification des teneurs en NAD affecte les fonctions photosynthétiques et respiratoires, et l’expression de quelques gènes qui pourraient participer au contrôle de la croissance des plantes semble régulée par les histones déacétylases NAD-dépendantes. / The development and smooth functioning of plants depends on co-factors such as nicotinamide adenine dinucleotide (NAD). In addition to its roles in redox recycling, NAD is also involved in cell signaling processes, which are central actors in stress conditions. Thus, NAD is one of the main determinants of plant energy homeostasis and has a significant impact on plant productivity and stress resistance. L-aspartate oxidase (LASPO) and nicotinic acid / nicotinamide mononucleotide adenylyltransferase (N (a) NMNAT) are two important enzymes in the biosynthesis of NAD. By overproducing these enzymes in E. coli, we have identified the biochemical properties of these enzymes. Overexpression of N(a)MNAT stimulates plant growth by activating photosynthetic and respiratory metabolisms, without increasing NAD levels. Overproduction of LASPO enhances NAD content in plants, which is correlated with a significant increase in foliar biomass production and seed yields, and the reverse is observed when NAD levels decrease. Changes in NAD levels affect photosynthetic and respiratory functions, and the expression of a few genes that may be involved in plant growth control appears to be regulated by NAD-dependent histones deacetylases.

L’utilisation du panic érigé amendé avec du biochar et/ou inoculé avec des rhizobactéries, pour produire de l’énergie, pourrait permettre de réduire les gaz à effets de serre. Afin d’évaluer les effets de ces amendements sur le contenu en carbone (C) de la plante et du sol, un essai a été mis en place sur un loam sableux à St-Augustin-de-Desmaures, selon un plan en tiroirs répété 3 fois avec en parcelles principales, un traitement de biochar de 10 Mg MS ha-1 et un traitement sans biochar, et en sous-parcelles, 3 doses d’azote ( 0,  25,  50 kg ha-1) et 2 traitements d’inoculation bactérienne. L’apport d’engrais minéral azoté a augmenté significativement le rendement en biomasse aérienne et en C lors de la 2e année de croissance. Le biochar et l’inoculation n’ont eu aucun effet sur la biomasse aérienne du panic et un effet marginal sur la biomasse racinaire. Aucun effet significatif n'a été observé sur le contenu en C du sol. / The use of switchgrass (Panicum virgatum L.) amended with biochar and/or rhizobacteria to produce energy, could potentially be a solution to reduce greenhouse gases and contribute to increase carbon (C) sequestration in soil. In this experiment, switchgrass was treated with biochar and N-fixing and P-solubilising bacteria in a split-plot experimental design. To assess the C dynamics in switchgrass production, the experiment was established on a sandy loam in St-Augustin-de-Desmaures near Quebec. A biochar treatment of 10 Mg of dry matter per hectare and treatments without biochar has been used as main plots, while three nitrogen rates (0,  25 and 50 kg ha-1) and treatments of bacterial inoculation were installed as sub-plots. The mineral nitrogen fertilizer significantly increased the aboveground biomass yield and C after two years of growth. A small positive effect of biochar (p=0,08) increase root C. Soil C was not affected by any treatment after two years of growth.