Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / La génogéographie de l'épinette nOIre (Picea mariana) a été étudiée à l'échelle transcontinentale à l'aide de marqueurs microsatellites de l'ADN chloroplastique, puis comparée à celle obtenue par Jaramillo-Correa et al. (2004) à l'aide de marqueurs du génome mitochondrial. Cette approche a permis de confirmer l'existence de lignées génétiques distinctes au sein des populations modernes résultant de l'isolation probable des arbres dans plusieurs populations ancestrales lors du dernier épisode glaciaire. L'intensification de l'échantillonnage a permis de détecter une nouvelle lignée génétique en Alaska. La comparaison de l'étendue des lignées chloroplastiques et mitochondriales a montré que le flux génique par le pollen est beaucoup plus important que celui par les graines et agit préférentiellement de manière unidirectionnelle d'ouest en est. Cette étude a également mis en évidence que certains individus sont caractérisés par des assemblages de génomes chIoroplastique . et mitochondrial probablement apparus sous l'effet du flux génique lors de la recolonisation postglaciaire.

La forêt du Sanctuaire fait partie des quelques pessières à lichens qui n'ont pas connu d'épisodes de feu dans la région de la rivière Boniface. Le renouvellement de cette forêt ancienne repose principalement sur une dynamique de comblement des ouvertures. Toutefois, le processus naturel de remplacement de la végétation ne semble pas effectif dans les ouvertures. Le nombre d'épinettes noires (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) mortes est considérable et la régénération faible ou absente. Afin de mieux comprendre ce phénomène, l'histoire récente de la pessière a été reconstituée en mettant l'accent sur différents aspects de la mortalité. À cet égard, la dynamique structurale, les patrons spatio-temporels et les facteurs responsables de la mortalité de l'épinette noire ont été caractérisés. Pour ce faire, toutes les épinettes mortes, les macrorestes et les plantules localisés dans les ouvertures sélectionnées aléatoirement ont été recensés. Toutes les épinettes mortes ont été décrites, cartographiées et datées à l'aide des cernes de croissance. Les macrorestes ont été datés au radiocarbone. Ainsi, au sein des 25 ouvertures étudiées, 763 épinettes mortes et 14 plantules ont été dénombrées. Le centre des ouvertures était parfois dépourvu d'arbres depuis plus de 1000 ans. La population d'épinettes se trouve actuellement dans un état d'équilibre précaire attribuable au déséquilibre démographique existant au sein des ouvertures. Des épisodes de forte mortalité ont été décelés pendant les décennies de 1810, 1870-80-90, 1930-40 et 1980-90. La mortalité des épinettes découle probablement d'une cause commune puisque des îlots d'épinettes mortes à la même époque ont été détectés à la périphérie de certaines ouvertures. La forte croissance radiale de l'épinette au cours des épisodes de mortalité laisse croire que les précipitations étaient abondantes pendant ces années. Ainsi, sans pour autant exclure le vieillissement naturel des individus, les précipitations semblent impliquer dans la mortalité de l'épinette noire. À titre d'hypothèse, la principale cause de la mortalité des épinettes serait attribuable à une maladie défoliante appelée la ± brûlure printanière ¿ et la deuxième cause, à des bris mécaniques, deux phénomènes étroitement liés aux conditions de précipitations abondantes.

Face à l’augmentation observée des accidents de régénération en forêt boréale et leur impact sur la productivité et la résilience des peuplements denses d’épinette noire, une meilleure compréhension des mécanismes de résilience et une surveillance des risques d’accident de régénération sont nécessaires. L’objectif principal de cette étude visait donc le développement de modèles prédictifs et spatialement explicites de la régénération de l’épinette noire. Plus particulièrement, deux modèles ont été développés soit (1) un modèle théorique, développé à l’aide de données in situ et de données spatiales et (2) un modèle cartographique, utilisant uniquement des données spatiales accessibles telles que les inventaires forestiers provinciaux et l’indice spectral de sévérité des feux « differenced Normalized Burn Ratio » (dNBR). Les résultats obtenus ont permis de constater que la succession rapprochée (< 55 ans) d’une coupe et d’un feu n’entraîne pas automatiquement une ouverture des peuplements d’épinette noire. Tout d’abord, les peuplements affectés par la coupe de récupération de brûlis (1963), immatures lors du feu de 2005, sont caractérisés par une faible régénération. En contrepartie, la régénération à la suite du feu de 2005, observé dans les peuplements coupés entre 1948 et 1967, est similaire à celle observée dans les peuplements non perturbés dans les 60 années précédant le feu. Le modèle théorique sélectionné à l’aide des critères d’information d’Akaike a, quant à lui, permis d'identifier trois variables déterminantes dans le succès ou l’échec de la régénération de l’épinette noire soit (1) la végétation potentielle, (2) le pourcentage de recouvrement du sol par les sphaignes et (3) la sévérité du feu évaluée à l’aide du dNBR. Des validations bootstrap et croisée ont permis de mettre en évidence qu’un modèle utilisant ces trois variables explique 59 % de la variabilité de la régénération observée dans le territoire d’étude., Quant à lui, le modèle cartographique qui utilise uniquement les variables végétation potentielle et dNBR explique 32 % de la variabilité. Finalement ce modèle a permis la création d’une carte de risque d’accident de régénération. Basée sur la précision du modèle, cette carte offre un potentiel intéressant afin de cibler les secteurs les plus à risque et ainsi appuyer les décisions relatives aux reboisements dans les zones incendiées.

Identifier la nature de la matière sombre est l'un des plus grands problèmes de la physique contemporaine. Si la matière sombre est constituée de particules, on peut espérer la détecter, directement ou indirectement, grâce à des expériences terrestres ou spatiales. Prédire les résultats de ces expériences, ou les interpréter en cas de détection, nécessite une compréhension profonde de la structuration de la matière sombre dans notre Galaxie. En partant de considérations issues de la physique des particules et de la cosmologie, je construits un modèle du halo de matière sombre Galactique contraint dynamiquement qui incorpore une description détaillée des ses inhomogénéités. L'impact des ces inhomogénéités sur les recherches utilisant le rayonnement cosmique est ensuite analysé en détails. J'étudie également une méthode permettant de prédire la distribution dans l'espace des phases des particules de matière sombre, et discute sa possible application aux recherches de matière sombre. Cet outil est ensuite appliqué aux recherches utilisant les électrons et positrons cosmiques, et de nouvelles contraintes très fortes sont obtenues sur les modèles microscopiques de matière sombre. / Understanding the nature of dark matter is one of the greatest challenges of modern physics. If dark matter is made of particles, we can hope to detect it, directly or indirectly, using Earth-based or spatial experiments. Make predictions for the outcome of these experiments, or interpret the results in case of a detection, requires a deep understanding of the structuring of dark matter in our Galaxy. Starting from particle physics and cosmological considerations, I built a dynamically constrained model of the Galactic dark halo including a detailed description of its inhomogeneities. The impact of these inhomogeneities on searches with cosmic rays is then analysed in details. I also study a method allowing to predict the phase-space distribution of dark matter particles, and discuss its possible application to dark matter searches. This method is then applied to searches with cosmic-ray electrons and positrons, and new very stringent constraints are obtained on microscopic models of dark matter.

Neutrino oscillations, the baryon asymmetry and dark matter are important evidences of new physics beyond the Standard Model. Neutrino oscillations imply neutrino masses and a lepton mixing matrix that can contribute to flavour violating processes and CP violation at low energies, accessible to next experiments, and to the CP violation necessary for baryogenesis. Among the most interesting implications, is flavour violation in the lepton sector, but it has only been observed in neutrino oscillations. By analogy with quarks, it is then possible to deduce a principle of minimal flavour violation for leptons. Since such formulation is not straightforward in the lepton sector, we discuss dierent possibilities. Then we propose a definition which could be applied to various models and could help us in selecting between the possible neutrino mass generating mechanisms. Furthermore, if the seesaw mechanism describes neutrino masses, we can have a natural explanation to the baryon asymmetry of the universe with leptogenesis. In the context of leptogenesis including flavour effects, we demonstrate that the baryon asymmetry of the universe is insensitive to the low energy CP violating phases. This study is performed in the minimal extension of the Standard Model, with the introduction of 3 right-handed neutrinos and type-1 seesaw, only, and it is extended, in a following study, to the supersymmetric case. Since the seesaw parameter space is quite large, the numerical study is developed with the Markov Chain Monte Carlo method. In relation to dark matter, we study a scenario with very weakly coupled candidates and their production through the decay of a charged long-lived scalar particle. We compute the scalar particle number density, evaluating its gauge interactions, and compare it with Big-Bang Nucleosynthesis bounds. Then, we apply our results to the Minimal Supersymmetric Standard Model scenario with axino or gravitino as Lightest Supersymmetric Particle and stau or stop as Next to Lightest Supersymmetric Particle.

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La dynamique des systèmes gravitationnels s'appuie traditionnellement sur la physique de Newton. Appliquée à l'échelle des galaxies, la gravitation newtonienne impose l'existence d'une certaine matière, actuellement invisible : la matière noire. Si ce modèle ($\Lambda$ Cold Dark Matter) rencontre des succès à grande échelle, des difficultés apparaissent à l'échelle des galaxies. Dans ma thèse, j'explore par des simulations numériques une alternative de la gravitation newtonienne : MOND (Modified Newtonian Dynamics), où la loi newtonienne de la gravité est modifiée selon une échelle d'accélération, sans l'intervention de la matière noire.<br />Cette expression de la gravitation est non-linéaire et impose une méthode différente de celle utilisée dans les systèmes avec matière noire. J'ai écrit un code permettant la résolution des deux modèles de gravité, ce qui a permis de les comparer. J'ai testé ainsi l'évolution de galaxies spirales isolées puis en interaction. Ces simulations modélisent aussi la dissipation du gaz froid et la formation d'étoiles. Celles-ci ont montré que les galaxies sont moins stables en gravitation modifiée qu'en gravitation newtonienne, elles forment des barres plus rapidement. Ces simulations ont aussi révélé des différences importantes sur les transferts de moment angulaire lors des formations des barres et sur les effets de friction dynamique qui ralentissent les barres. Ce travail a permis de réaliser, pour la première fois en gravité modifiée, des simulations de galaxies en interaction du type des Antennes. Là encore, les effets de friction dynamique ont un rôle majeur sur la durée du temps de fusion, plus long en gravitation modifiée. Ceci ouvre des horizons vers des simulations cosmologiques qui pourraient valoriser un modèle en analysant la formation hiérarchique des structures à partir des fluctuations de densité primordiales. Par ailleurs, la modélisation de la cinématique des galaxies (naines, spirales et elliptiques) est aussi approfondie. En particulier, l'analyse des courbes de rotation des galaxies spirales montre que celles-ci peuvent contenir un composant de gaz moléculaire froid deux fois plus massif que le composant atomique.

Par définition, la phénologie végétale est l'étude de l'apparition d'événements annuels, cycliques et périodiques dans la croissance déterminée par les variations saisonnières du climat (exemple: débourrement des bourgeons, fructification, etc.). La phénologie constitue par le fait même un outil important dans l'étude des changements climatiques. Mieux comprendre comment la température de l'air influence directement le développement de l'arbre au jour le jour et durant une saison de croissance peut nous aider à anticiper les impacts des changements climatiques. Cette étude tente d'approfondir les connaissances actuelles restreintes sur la relation entre la température de l'air et la phénologie de l'épinette noire. L'objectif principal de la recherche est d'obtenir un patron de la phénologie de croissance intra-annuelle en relation avec les températures de l'air. Cette recherche se déroule près de la localité de Radisson dans la municipalité de la Baie James (53° 42' 24"N, 77° 45' 03" W). Ce site a été choisi en raison de la présence d'un dispositif expérimental qui offre la possibilité d'isoler les différents facteurs qui influencent la croissance de l'épinette noire (Picea mariana Mill. BSP). Il s'agit d'un site du réseau Sila (climat en inuktitut) installé par le Centre d'études nordiques (Université Laval, UQAR et INRS). Le réseau Sila est un réseau de télémétrie environnemental qui a été construit pour alimenter des recherches en données sur l'environnement. Il comprend 75 stations automatisées réparties sur 4500 km de latitude entre la vallée du St-Laurent près de Québec jusqu'à l'île Ward Hunt à l'extrémité septentrionale du Canada. Le site SILA de Radisson comprend quatre stations voisines; trois stations sont situées en tourbière et présentent des températures plus froides que la quatrième qui est en milieu sec de type pessière à lichen (différence de 1 à 2 C°). La croissance de l'épinette noire sera étudiée en deux volets: • La croissance primaire soit le débourrement des bourgeons et l'élongation des tiges; La croissance secondaire soit la croissance radiale. Chaque étape de la phénologie est d'abord étudiée séparément puis mise en relation entre elles. Par la suite, la phénologie sera comparée entre les sites Sila. Les résultats montrent que la phénologie est reliée à la température de l'air. Les températures plus chaudes du site 4 par rapport aux autres sites ont entraîné un débourrement précoce, une élongation plus grande et une croissance radiale plus forte et plus longue. Pour tous les sites, lors de journées pluvieuses la croissance radiale est favorisée et la croissance des branches est ralentie. Le contraire s'applique lors de journées chaudes et ensoleillées. Pour l'élongation des tiges, le taux de croissance des arbres entre les sites ne présente pas de différence significative. Cependant, la température à laquelle le taux de croissance maximum est atteint est plus élevée sur le site 4 que sur les autres sites. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Croissance intra annuelle, Débourrement, Croissance radiale, Températures journalières, Changements climatiques.

Dans la pessière noire à mousse de la forêt boréale, la succession forestière tend naturellement vers la paludification du sol. La paludification ou l'entourbement est l'accumulation de matière organique peu ou pas décomposée sur le sol minéral. Cette accumulation est due principalement à un bilan hydrique positif qui crée des conditions d'anaérobiose diminuant le taux de décomposition. Les conditions créées par la paludification nuisent à la régénération et à la croissance de l'épinette noire (Picea mariana (Mill.)), notamment à cause d'une faible disponibilité des nutriments et de la compétition avec les sphaignes, ce qui entraîne avec le vieillissement de la forêt une ouverture de la canopée. Cette ouverture est accompagnée d'une expansion du recouvrement en sphaigne et change la forêt en une tourbière arborée. Le feu, perturbation importante de la forêt boréale, broie la totalité (ou presque) de la couche organique et le sol perturbé présente alors des conditions favorables pour l'établissement et la croissance de l'épinette noire. La succession forestière peut reprendre, menant au bout d'une cinquantaine d'années à un peuplement équienne fermé, dominé dans les basses terres de la ceinture d'argile par l'épinette noire. La ceinture d'argile, large bande de 125000 km² au nord-ouest du Québec et nord-est de l'Ontario, est une région particulièrement sujette à la paludification: le sol est majoritairement constitué des dépôts lacustres argileux des lacs proglaciaires Barlow et Ojibway et de till argileux. La topographie ondulée, alternant des plaines et des collines, le drainage généralement faible et le climat froid et humide favorise le bilan hydrique positif à l'origine de la paludification. Cette région soutient une industrie forestière importante qui exploite les peuplements d'épinette noire. Or, les forêts dans la ceinture d'argile sont en grande proportion des forêts matures, voire surannées, dans lesquelles le processus de paludification est déjà avancé. Les pratiques sylvicoles appliquées limitant la perturbation du sol (Careful Logging Around Advanced Growth CLAAG) ne semblent pas reproduire les effets du feu notamment au niveau du sol, ce qui augmente le taux de paludification en ouvrant le couvert sans peturber la couche organique et le sous-bois. De plus les coupes CLAAG semblent favoriser l'ensapinage car elles conservent la régénération préétablie de sapin baumier (Abies balsamea). Certaines techniques de préparation de terrain qui ont été développés pourraient limiter la paludification. Parmi elles le brûlage dirigé, peu étudié dans les pessières paludifiées en Amérique du Nord et notamment dans la ceinture d'argile, pourrait être une solution pour contrôler la paludification dans le cadre d'un aménagement durable de la forêt boréale. Au travers d'une étude descriptive rétrospective nous avons déterminé l'impact de différents traitements (soit coupe CLAAG, coupe totale d'été et brûlage dirigé après coupe totale d'hiver) sur l'entourbement du sol, l'état du sous-bois et sur la croissance de l'épinette noire. La comparaison de variables de paludification du sol (par exemple l'épaisseur de la couche organique) entre les différents traitements montre que la coupe totale et le brûlage dirigé après coupe perturbent la couche organique ce qui réduit la paludification du sol comparativement à la coupe CLAAG. En outre le brûlage dirigé a des effets positifs plus prononcés sur la chimie des sols que la coupe totale. De même la comparaison de la composition du sous-bois montre que le brûlage dirigé contrôle le recouvrement en sphaigne et semble être capable de diminuer le recouvrement en éricacées. Aussi, le recouvrement en sapin baumier est diminué par l'application d'un brûlage dirigé. L'étude des taux de croissance nous a révélé une meilleure croissance de l'épinette noire suivant le traitement brûlage dirigé comparativement aux autres traitements étudiés. Le brûlage dirigé après coupe présente donc un fort potentiel comme préparation de terrain sur les sites paludifiés de la ceinture d'argile: non seulement il semble améliorer la production ligneuse mais son homologie avec le feu naturel permet au brûlage de restaurer certains mécanismes écologiques nécessaires à la conservation des attributs écosystémiques de la forêt boréale. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Brûlage dirigé, Coupe forestière, Paludification, Picea mariana, Préparation de terrain, Sol organique, Sphaigne.

En forêt boréale, les couverts de mousses et de neige, deux isolants et importants régulateurs de la température du sol, sont susceptibles de changer considérablement avec les changements climatiques prévus. Nous avons évalué la réponse physiologique de l'épinette noire et du peuplier faux-tremble à différentes épaisseurs de mousses et de neige dans la pessière à mousses du sud-ouest du Québec. Pendant un an, des épinettes et peupliers de 10 ans ont poussé avec un couvert additionnel de mousses, sans couvert de mousses, avec un couvert de neige modifié pour retarder ou accélérer le dégel du sol, ou avec une dose de fertilisant d'azote. Au cours de la saison de croissance 2008, nous avons suivi le débourrement des deux espèces, leur rendement de fluorescence chlorophyllienne et leur contenu foliaire en carbone, azote et en isotopes stables 13C, 15N et 18O. Au printemps, les traitements qui ont impliqué l'ajout d'une couche isolante de mousse ou de neige ont refroidi le sol, tandis que l'enlèvement de la mousse et de la neige l'ont réchauffé. Une tendance prédominante est que le couvert du sol, qu'II soit neigeux ou végétal, a accru le taux de reprise de la photosynthèse au printemps. Réciproquement, l'enlèvement du couvert de neige et de mousses a été néfaste pour la reprise de la photosynthèse, particulièrement chez l'épinette, où l'on a enregistré un taux de transport d'électrons maximal 39.5% plus bas sans mousses qu'avec mousse additionnelle, et 16.3% plus bas suivant un dégel accéléré qu'avec un dégel retardé. Le rendement potentiel du PSII (Fv/Fm) était 3.3% plus bas sans mousse qu'avec mousse additionnelle, et 3.8% plus bas avec un dégel accéléré qu'avec un dégel retardé. Ces taux de reprise modérés étaient généralement accompagnés de contenus foliaires en azote plus bas. La reprise de photosynthèse et l'assimilation de nutriments affaiblis en l'absence d'une couche isolante de mousses ou de neige ont été principalement attribuées à une assimilation réduite de nutriments occasionnée par des changements au niveau de la microbiologie du sol probablement causés par une plus grande amplitude des variations journalières de la température du sol. Il est probable que les champignons mycorhiziens et/ou organismes décomposeurs du sol en aient été affectés dans leurs fonctions, perturbant les dynamiques de N du sol. Les deux espèces ont été affectées dans le même sens, mais le peuplier a réagi de façon moins importante. Le système racinaire de l'épinette, qui se développe en surface dans le profil du sol, rend l'assimilation de nutriments par voie mycorhizienne plus susceptible aux variations de température de l'air que le peuplier, qui développe ses racines davantage en profondeur. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Picea mariana, Populus tremuloides, changements climatiques, couvert de neige, couvert de mousses, température du sol, photosynthèse, fluorescence chlorophyllienne, rendement quantique du PSII, taux du transport d'électrons, isotopes stables.