La germination des spores est une étape essentielle dans le cycle de vie de la majorité des champignons filamenteux. Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) forment un certain nombre de propagules infectieuses différentes qui augmentent leur potentiel à coloniser les racines. Parmi elles se trouvent les spores extraracinaires et intraracinaires. La paroi cellulaire des spores joue un rôle majeur dans la survie de ces propagules en étant une barrière physique et osmotique. Puisque une cellule peut faire des ajustements considérables dans la composition et la structure de sa paroi, en réponse aux conditions environnementales, il est possible que les parois des spores intraracinaires et extraracinaires montrent des propriétés mécaniques et osmotiques différentes affectant leur germination et leur survie. Pourtant, contrairement à la connaissance de la génétique moléculaire et de la formation de la paroi cellulaire des CMA, peu d’information est disponible au sujet de ces propriétés mécaniques. Les informations sur la germination des CMA dans des conditions hypertoniques sont aussi rares, et les modèles expérimentaux ne séparent généralement pas les effets directs de la forte pression osmotique externe sur la germination des champignons et les effets attribuables aux plantes. Cette étude avait pour but de répondre à deux importantes séries de questions concernant le comportement des spores mycorhiziennes. Nous avons d'abord déterminé la relation entre la composition de la paroi cellulaire, la structure et les propriétés mécaniques du champignon modèle Glomus irregulare (isolat DAOM 197198). La micro-indentation a été utilisée pour mesurer quantitativement les propriétés mécaniques de la paroi cellulaire. La composition (contenu de chitine et de glomaline) de la paroi cellulaire a été quantifiée par immunofluorescence tandis que la microscopie optique a été utilisée pour mesurer l'épaisseur de la paroi cellulaire. La densité locale en glomaline et l’épaisseur de la paroi étaient significativement plus élevées pour les parois des spores extraracinaires alors que la densité locale en chitine et la rigidité n’ont pas montré de variations entre les spores extraracinaires et intraracinaires. La grande variabilité dans les paramètres étudiés nous a empêchés de cibler un facteur principal responsable de la force totale de la paroi lors de la compression. La diminution des concentrations de chitine et de glomaline a été corrélée à l'évolution de la paroi du champignon au cours de son cycle de vie. On a aussi observé une composition différentielle des couches de la paroi: les polymères de chitine et de glomaline furent localisés principalement dans les couches externes et internes de la paroi, respectivement. Dans la deuxième partie de notre travail, nous avons exploré les effets directs d'engrais, par rapport à leur activité de l'eau (aw), sur la germination des spores et la pression de turgescence cellulaire. Les spores ont été soumises à trois engrais avec des valeurs de aw différentes et la germination ainsi que la cytorrhyse (effondrement de la paroi cellulaire) des spores ont été évaluées après différents temps d'incubation. Les valeurs de aw des engrais ont été utilisées comme indicateurs de leurs pressions osmotiques. L'exposition des spores de Glomus irregulare au choc osmotique causé par les engrais dont les valeurs de aw se situent entre 0,982 et 0,882 a provoqué des changements graduels au niveau de leur cytorrhyse et de leur germination. Avec l'augmentation de la pression de turgescence externe, la cytorrhyse a augmenté, tandis que le taux de germination a diminué. Ces effets ont été plus prononcés à des concentrations élevées en éléments nutritifs. La présente étude, bien qu’elle constitue une étape importante dans la compréhension des propriétés mécaniques et osmotiques des spores de CMA, confirme également que ces propriétés dépendent probablement de plusieurs facteurs, dont certains qui ne sont pas encore identifiés. / Spore germination is an essential developmental stage in the life cycle of many filamentous fungi. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) form a number of different infectious propagules that increase their potential to colonize roots. Among them are extraradical and intraradical spores. The spore cell wall plays a major role in the survival of these propagules by being a physical and osmotic barrier. Because a cell can make considerable adjustments to the composition and structure of its wall in response to environmental conditions, it is possible that intraradical and extraradical spore walls show different mechanical and osmotic properties affecting their survival and germination. However, in contrast to the knowledge on the genetics and molecular composition of AMF cell wall, little is known about its mechanical properties. Information on the germination of AMF under hypertonic conditions is scarce, and experimental designs and methodologies have generally not allowed the direct effects of high external osmotic pressure on fungal germination to be separated from plant-mediated effects. This study had the goal to address two important sets of questions regarding the behavior of mycorrhizal spores. We first determined the relationship between cell wall composition, structure and mechanical properties of the model fungus Glomus irregulare. Micro-indentation was used to quantitatively measure the cell wall mechanical properties. Cell wall composition (chitin and glomalin content) was studied by immunofluorescence whereas optical microscopy was used to measure the cell wall thickness. Glomalin local density and wall thickness were both significantly higher for extraradical spore walls while chitin local density and rigidity were unaffected by origin of spores. High variability in results prevented us from identifying a primary factor responsible for overall wall strength during compression. Decreases of chitin and glomalin concentrations were correlated to the development of the fungal wall throughout its life-cycle. There was also differential association within the wall layers: The chitin and glomalin polymers were localized mostly in the outer and inner walls, respectively. In the second part of our work, we explored the direct effects of fertilizers, in relation to their water activity (aw), on spore germination and cellular turgor pressure. Spores were exposed to three fertilizers with different aw and spore germination and cytorrhysis of spores were assessed after different times of incubation. Water activities of the fertilizers were used as indicators of their osmotic pressures. Osmotic shock exposure of the Glomus irregulare spores to fertilizers at aw values between 0.982 and 0.882 caused gradual changes in cytorrhysis and germination. With the increase of external turgor pressure, cytorrhysis increased while the rate of germination decreased. These effects were most pronounced at high nutrient concentrations. The present investigation, while likely representing a significant step forward in understanding the mechanical and osmotic properties of AMF spores, also confirms that they might depend on many, as yet unidentified factors. Future research should examine differences in the physiology to discern reasons for such differences in spore properties.

In this thesis, the focus has been on micro-mechanical mechanisms in polymer-based materials and structures. The first part of the thesis treats length-scale effects on polymer materials. Experiments have showed that the smaller the specimen, the stronger is the material. The length-scale effect was examined experimentally in two different polymers materials, polystyrene and epoxy. First micro-indentations to various depths were made on polystyrene. The experiments showed that length-scale effects in inelastic deformations exist in polystyrene. It was also possible to show a connection between the experimental findings and the molecular length. The second experimental study was performed on glass-sphere filled epoxy, where the damage development for tensile loading was investigated. It could be showed that the debond stresses increased with decreasing sphere diameter. The debonding grew along the interface and eventually these cracks kinked out into the matrix. It was found that the length to diameter ratio of the matrix cracks increased with increasing diameter. The experimental findings may be explained by a length-scale effect in the yield process which depends on the strain gradients. The second part of the thesis treats mechano-sorptive creep in paper, i.e. the acceleration of creep by moisture content changes. Paper can be seen as a polymer based composite that consists of a network of wood fibres, which in its turn are natural polymer composites. A simplified network model for mechano-sorptive creep has been developed. It is assumed that the anisotropic hygroexpansion of the fibres leads to large stresses at the fibre-fibre bonds when the moisture content changes. The resulting stress state will accelerate creep if the fibre material obeys a constitutive law that is non-linear in stress. Fibre kinks are included in order to capture experimental observations of larger mechano-sorptive creep effects in compression than in tension. Furthermore, moisture dependent material parameters and anisotropy are taken into account. Theoretical predictions based on the developed model are compared to experimental results for anisotropic paper both under tensile and compressive loading at varying moisture content. The important features in the experiments are captured by the model. Different kinds of drying conditions have also been examined. / QC 20100910

La germination des spores est une étape essentielle dans le cycle de vie de la majorité des champignons filamenteux. Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) forment un certain nombre de propagules infectieuses différentes qui augmentent leur potentiel à coloniser les racines. Parmi elles se trouvent les spores extraracinaires et intraracinaires. La paroi cellulaire des spores joue un rôle majeur dans la survie de ces propagules en étant une barrière physique et osmotique. Puisque une cellule peut faire des ajustements considérables dans la composition et la structure de sa paroi, en réponse aux conditions environnementales, il est possible que les parois des spores intraracinaires et extraracinaires montrent des propriétés mécaniques et osmotiques différentes affectant leur germination et leur survie. Pourtant, contrairement à la connaissance de la génétique moléculaire et de la formation de la paroi cellulaire des CMA, peu d’information est disponible au sujet de ces propriétés mécaniques. Les informations sur la germination des CMA dans des conditions hypertoniques sont aussi rares, et les modèles expérimentaux ne séparent généralement pas les effets directs de la forte pression osmotique externe sur la germination des champignons et les effets attribuables aux plantes. Cette étude avait pour but de répondre à deux importantes séries de questions concernant le comportement des spores mycorhiziennes. Nous avons d'abord déterminé la relation entre la composition de la paroi cellulaire, la structure et les propriétés mécaniques du champignon modèle Glomus irregulare (isolat DAOM 197198). La micro-indentation a été utilisée pour mesurer quantitativement les propriétés mécaniques de la paroi cellulaire. La composition (contenu de chitine et de glomaline) de la paroi cellulaire a été quantifiée par immunofluorescence tandis que la microscopie optique a été utilisée pour mesurer l'épaisseur de la paroi cellulaire. La densité locale en glomaline et l’épaisseur de la paroi étaient significativement plus élevées pour les parois des spores extraracinaires alors que la densité locale en chitine et la rigidité n’ont pas montré de variations entre les spores extraracinaires et intraracinaires. La grande variabilité dans les paramètres étudiés nous a empêchés de cibler un facteur principal responsable de la force totale de la paroi lors de la compression. La diminution des concentrations de chitine et de glomaline a été corrélée à l'évolution de la paroi du champignon au cours de son cycle de vie. On a aussi observé une composition différentielle des couches de la paroi: les polymères de chitine et de glomaline furent localisés principalement dans les couches externes et internes de la paroi, respectivement. Dans la deuxième partie de notre travail, nous avons exploré les effets directs d'engrais, par rapport à leur activité de l'eau (aw), sur la germination des spores et la pression de turgescence cellulaire. Les spores ont été soumises à trois engrais avec des valeurs de aw différentes et la germination ainsi que la cytorrhyse (effondrement de la paroi cellulaire) des spores ont été évaluées après différents temps d'incubation. Les valeurs de aw des engrais ont été utilisées comme indicateurs de leurs pressions osmotiques. L'exposition des spores de Glomus irregulare au choc osmotique causé par les engrais dont les valeurs de aw se situent entre 0,982 et 0,882 a provoqué des changements graduels au niveau de leur cytorrhyse et de leur germination. Avec l'augmentation de la pression de turgescence externe, la cytorrhyse a augmenté, tandis que le taux de germination a diminué. Ces effets ont été plus prononcés à des concentrations élevées en éléments nutritifs. La présente étude, bien qu’elle constitue une étape importante dans la compréhension des propriétés mécaniques et osmotiques des spores de CMA, confirme également que ces propriétés dépendent probablement de plusieurs facteurs, dont certains qui ne sont pas encore identifiés. / Spore germination is an essential developmental stage in the life cycle of many filamentous fungi. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) form a number of different infectious propagules that increase their potential to colonize roots. Among them are extraradical and intraradical spores. The spore cell wall plays a major role in the survival of these propagules by being a physical and osmotic barrier. Because a cell can make considerable adjustments to the composition and structure of its wall in response to environmental conditions, it is possible that intraradical and extraradical spore walls show different mechanical and osmotic properties affecting their survival and germination. However, in contrast to the knowledge on the genetics and molecular composition of AMF cell wall, little is known about its mechanical properties. Information on the germination of AMF under hypertonic conditions is scarce, and experimental designs and methodologies have generally not allowed the direct effects of high external osmotic pressure on fungal germination to be separated from plant-mediated effects. This study had the goal to address two important sets of questions regarding the behavior of mycorrhizal spores. We first determined the relationship between cell wall composition, structure and mechanical properties of the model fungus Glomus irregulare. Micro-indentation was used to quantitatively measure the cell wall mechanical properties. Cell wall composition (chitin and glomalin content) was studied by immunofluorescence whereas optical microscopy was used to measure the cell wall thickness. Glomalin local density and wall thickness were both significantly higher for extraradical spore walls while chitin local density and rigidity were unaffected by origin of spores. High variability in results prevented us from identifying a primary factor responsible for overall wall strength during compression. Decreases of chitin and glomalin concentrations were correlated to the development of the fungal wall throughout its life-cycle. There was also differential association within the wall layers: The chitin and glomalin polymers were localized mostly in the outer and inner walls, respectively. In the second part of our work, we explored the direct effects of fertilizers, in relation to their water activity (aw), on spore germination and cellular turgor pressure. Spores were exposed to three fertilizers with different aw and spore germination and cytorrhysis of spores were assessed after different times of incubation. Water activities of the fertilizers were used as indicators of their osmotic pressures. Osmotic shock exposure of the Glomus irregulare spores to fertilizers at aw values between 0.982 and 0.882 caused gradual changes in cytorrhysis and germination. With the increase of external turgor pressure, cytorrhysis increased while the rate of germination decreased. These effects were most pronounced at high nutrient concentrations. The present investigation, while likely representing a significant step forward in understanding the mechanical and osmotic properties of AMF spores, also confirms that they might depend on many, as yet unidentified factors. Future research should examine differences in the physiology to discern reasons for such differences in spore properties.