Face à la toxicité des éléments traces métalliques (ET) dans l’environnement, les plantes ont développé différentes stratégies aujourd’hui exploitées en phytoremédiation. Les arbres paraissent plus efficaces que les herbacées pour la phytoextraction de par leur importante biomasse et leur système racinaire plus profond. Ces travaux ont donc été menés sur des espèces ligneuses largement répandues dans la région Limousin, plus particulièrement des conifères: le Douglas, le mélèze hybride et ses deux parents, le mélèze d’Europe et le mélèze du Japon. Plusieurs modèles de culture ont été utilisés pour permettre, par des approches complémentaires, une meilleure appréhension des réponses de ces conifères aux ET : des plantules cultivées in vitro et des germinations ou des arbres âgés de 2 ans cultivés sous serre. Les conifères ont été exposés soit à un seul ET, le Cadmium (Cd), soit à plusieurs ET (As, Pb, Sb) présents dans des sols collectés sur deux anciens sites miniers. Les résultats ont montré que, parmi les espèces étudiées, le Douglas présentait le taux d’accumulation le plus élevé en Cd. Cependant, la quantité stockée dans la biomasse aérienne est restée faible par rapport à d’autres espèces d’arbres déjà utilisées en phytoextraction. Par ailleurs, la caractérisation chimique des pectines de la paroi a mis en évidence des modifications quantitatives et qualitatives suggérant un processus d’exclusion du Cd. Au niveau intracellulaire, les résultats ont montré que les polyamines et les oligopeptides riches en thiols ne semblaient pas impliqués dans la compartimentation du Cd. En revanche, une accumulation de proline a été observée en réponse au Cd et à d’autres ET, suggérant une implication de la proline comme molécule antioxydante et / ou chélatrice d’ET. L’ensemble des résultats a mis en évidence la nécessité d’optimiser la croissance des conifères et la phytodisponibilité des ET du sol avant de pouvoir proposer ces conifères, et notamment le Douglas, pour la phytoextraction d’ET. / Given the toxicity of trace elements (TE) in the environment, plants developed varions strategies used currently for phytoremediation. Trees appear more efficient than herbaceous species for phytoextraction as they have a larger biomass and a deeper root system. The work was thus performed on woody species widespread in Limousin region, particularly conifers: Douglas fir, hybrid larch and its two parents, European larch and Japanese larch. Several culture models were used to allow, through complementary approaches, a better understanding of the response of these conifers to TE: in vitro grown plantlets and seedlings or 2-year-old trees grown in greenhouse. Conifers were exposed to a single TE, cadmium (Cd), or to several TE (As, Pb, Sb) present in soils collected from two former mining sites. Among investigated species, results showed that Douglas exhibited the highest rate of Cd accumulation. However, the amount stored in aboveground biomass remained low compared to other tree species already used in phytoextraction. Furthermore, the chemical characterization of cell wall pectins highlighted quantitative and qualitative modifications suggesting a Cd exclusion process. At the intracellular level, results showed that polyamines and thiol-rich oligopeptides did not appear to be involved in Cd compartmentation. However, a proline accumulation was observed in response to Cd and other TE, suggesting an involvement of proline as antioxidant molecule and / or TE scavenger. Overall, results highlighted the need to optimize conifer growth and soil TE phytoavailability before to propose these conifers, particularly Douglas, for the phytoextraction of TE.

Au laboratoire, une méthode originale d'encapsulation par transacylation entre l'alginate de propylène-glycol (PGA) et une protéine a été mise au point. Cette méthode est basée sur la création de liaisons amides entre les fonctions amines libres de la protéine et les groupes esters du PGA dans une phase aqueuse émulsionnée (E/H) après alcalinisation. Les microparticules obtenues, stables, biocompatibles et biodégradables, sont potentiellement intéressantes pour la délivrance de substances actives en thérapeutique ou en cosmétique.Le premier objectif de ce travail est d'étudier l'influence des propriétés physicochimiques des deux biopolymères (protéine et PGA) et de leurs solutions, ainsi que l'effet des paramètres de préparation sur la réaction de transacylation et sur les propriétés des microparticules obtenues. Pour cela, la sérumalbumine humaine (HSA) a servi de protéine modèle et les microparticules ont été préparées dans différentes conditions physicochimiques puis caractérisées. Différents liens ont été établis entre les propriétés physicochimiques des solutions initiales des deux polymères et les propriétés fonctionnelles des microparticules obtenues.Le deuxième objectif est de remplacer le PGA, seul polysaccharide utilisable jusqu'à présent pour la microencapsulation par transacylation, par d'autres polysaccharides naturels, dans la préparation de microparticules. Etant donné ses propriétés intrinsèques limitantes, le remplacement du PGA par d'autres esters polysaccharidiques parait avantageux dans le domaine d'application des microparticules.Dans ce travail, le PGA a été remplacé par une série d'esters semi-synthétiques d'alginate puis par d'autres polysaccharides estérifiés naturels (pectines) ou semi-synthétiques (esters polypectiques et esters de l'acide hyaluronique). Les conditions optimales pour l'utilisation de chaque ester ont été alors déterminées. / In our laboratory, an original method of microencapsulation was developed, based on the use of a transacylation reaction, creating covalent bonds between proteins and propylene glycol alginate (PGA). The covalent bonds are created after alkalization of the aqueous phase of a W/O emulsion, without using bifunctional crosslinking reagent.The resulting microparticles, which are stable, biocompatible and biodegradable, have potential applications for the delivery of active compounds for therapeutics or cosmetics.The first aim of this work is to study the influence of the physicochemical properties of the two polymers (protein and PGA) and of their solutions, as well as the effect of the preparation parameters on the transacylation reaction and on microparticle characteristics. For this purpose, human serum albumin (HSA) was picked as a model protein and microparticles were prepared using several physicochemical conditions then characterized. Several relationships were established between the physicochemical properties of the initial solutions of the two polymers and the functional properties of the resulting microparticles.The second purpose is to replace the PGA, only polysaccharide used for microencapsulation by transacylation so far, by other natural polysaccharides in the preparation of microparticles. Given its limiting intrinsic properties, the replacement of PGA by other polysaccharidic esters seems advantageous in the field of microparticle applications.In this work, the PGA was successfully replaced by a series of semisynthetic alginate esters, and then by other polysaccharidic esters, either natural esters (pectin) or semisynthetic esters (polypectate esters and hyaluronate esters). The optimal conditions for the use of each ester were then determined.

In the course of a little over a year, from January, 1950, to March, 1951, core samples of bottom sediments were collected at three different stations in the Dundas Marsh, Hamilton, Ontario. A number of the samples were analysed for total carbon content, bitumen, pectins, hemicelluloses, and cellulose and lignin content. This study is part of a larger investigated by the Department of Zoology to ascertain the relationships between the biological productivity in lakes and the rate of mineralization of the organic detritus in lake bottom sediments. / Thesis / Master of Science (MSc)

L’une des particularités fondamentales caractérisant les cellules végétales des cellules animales est la présence de la paroi cellulaire entourant le protoplaste. La paroi cellulaire joue un rôle primordial dans (1) la protection du protoplaste, (2) est impliquée dans les mécanismes de filtration et (3) est le lieu de maintes réactions biochimiques nécessaires à la régulation du métabolisme et des propriétés mécaniques de la cellule. Les propriétés locales d’élasticité, d’extensibilité, de plasticité et de dureté des composants pariétaux déterminent la géométrie et la forme des cellules lors des processus de différentiation et de morphogenèse. Le but de ma thèse est de comprendre les rôles que jouent les différents composants pariétaux dans le modelage de la géométrie et le contrôle de la croissance des cellules végétales. Pour atteindre cet objectif, le modèle cellulaire sur lequel je me suis basé est le tube pollinique ou gamétophyte mâle. Le tube pollinique est une protubérance cellulaire qui se forme à partir du grain de pollen à la suite de son contact avec le stigmate. Sa fonction est la livraison des cellules spermatiques à l’ovaire pour effectuer la double fécondation. Le tube pollinique est une cellule à croissance apicale, caractérisée par la simple composition de sa paroi et par sa vitesse de croissance qui est la plus rapide du règne végétal. Ces propriétés uniques font du tube pollinique le modèle idéal pour l’étude des effets à courts termes du stress sur la croissance et le métabolisme cellulaire ainsi que sur les propriétés mécaniques de la paroi. La paroi du tube pollinique est composée de trois composantes polysaccharidiques : pectines, cellulose et callose et d’une multitude de protéines. Pour comprendre les effets que jouent ces différents composants dans la régulation de la croissance du tube pollinique, j’ai étudié les effets de mutations, de traitements enzymatiques, de l’hyper-gravité et de la gravité omni-directionnelle sur la paroi du tube pollinique. En utilisant des méthodes de modélisation mathématiques combinées à de la biologie moléculaire et de la microscopie à fluorescence et électronique à haute résolution, j’ai montré que (1) la régulation de la chimie des pectines est primordiale pour le contrôle du taux de croissance et de la forme du tube et que (2) la cellulose détermine le diamètre du tube pollinique en partie sub-apicale. De plus, j’ai examiné le rôle d’un groupe d’enzymes digestives de pectines exprimées durant le développement du tube pollinique : les pectate lyases. J’ai montré que ces enzymes sont requises lors de l’initiation de la germination du pollen. J’ai notamment directement prouvé que les pectate lyases sont sécrétées par le tube pollinique dans le but de faciliter sa pénétration au travers du style. / One of the most important features characterizing plant cells and differentiating them from animal cells is the cell wall that surrounds them. The cell wall plays a critical role in providing protection to the protoplast; it acts as a filtering mechanism and is the location of many biochemical reactions implicated in the regulation of the cell metabolism and the mechanical properties of the cell. The local stiffness, extensibility, plasticity and elasticity of the different cell wall components determine the shape and geometry of the cell during differentiation and morphogenesis. The goal of my thesis is to understand the role played by the different cell wall components in shaping the plant cell and controlling its growth behaviour. To achieve this goal, I studied the pollen tube, or male gametophyte, as a cellular model system. The pollen tube is a cellular protuberance formed by the pollen grain upon its contact with the stigma. Its main purpose is to deliver the sperm cells to the female gametophyte to ensure double fertilization. The pollen tube is a tip-growing cell characterized by its simple cell wall composition and by the fact that it is the fastest growing cell of the plant kingdom. This makes it the ideal model to study the effects of drugs, mutations or stresses on cellular growth behaviour, metabolism and cell wall mechanics. The pollen tube cell wall consists mainly of proteins and three major polysaccharidic components: pectins, cellulose and callose. To understand the role played by these components in regulating pollen tube growth, I investigated the effects of mutations, enzymatic treatments, hyper-gravity and omni-directional gravity on the pollen tube cell wall. Using mathematical modeling combined with molecular biology and high-resolution electron and fluorescent microscopy I was able to show that the regulation of pectin chemistry is required for the regulation of the growth rate and pollen tube shape and that cellulose is crucial for determining the pollen tube diameter in the sup-apical region. Moreover, I investigated the role of the pectate lyases, a group of pectin digesting enzymes expressed during pollen tube development, and I showed that this enzyme activity is required for the initiation of pollen germination. More importantly, I directly showed for the first time that the pollen tube secretes cell wall loosening enzymes to facilitate its penetration through the style.

L’adhésion cellulaire chez les plantes est permise par la présence de la paroi dont les composants sont réticulés afin de former un réseau de polysaccharides liant les cellules entre elles. Cependant, la paroi est un compartiment cellulaire dynamique qui participe à la croissance et au développement de la plante, notamment par son relâchement et sa réorganisation constante et nous ne savons pas exactement comment l'adhésion cellulaire est effectivement maintenue dans ces conditions. Afin d'obtenir une meilleure compréhension des mécanismes qui contrôlent l'adhésion cellulaire chez les plantes, nous avons utilisé une combinaison de crible génétique suppresseur et de crible chémogenomique suppresseur sur les mutants quasimodo1 et quasimodo2 présentant un défaut d'adhésion cellulaire accompagné d’une déficience de synthèse de pectine. Par ces approches nous avons pu isoler des mutants suppresseurs et des molécules chimiques impliquées dans l'adhésion cellulaire. Le crible génétique a conduit à l'identification et l'étude d'un suppresseur muté dans le gène ESMERALDA1, une O-fucosyltransférase putative non caractérisée. L'étude génétique du défaut d’adhésion cellulaire en incluant friable1, muté dans une autre O-fucosyltransférase putative, a montré que la mutation de ESMD1 était suffisante pour supprimer le défaut d'adhésion cellulaire de qua1, qua2 et frb1, ce qui en fait un acteur majeur de l’adhésion cellulaire. Le crible chemogenomic a montré l'implication du transport de l'auxine et de l'activité pectin méthylesterase dans le processus contrôlant l'adhésion cellulaire. Sur la base de ces nouvelles informations, nous avons établi un modèle qui explique la perte de l'adhésion cellulaire chez les mutants quasimodo et friable1, et à partir de ce modèle, nous avons pu déduire l'existence de mécanismes qui permettent le maintien de l'adhésion cellulaire de façon dynamique au cours de croissance et de développement chez les plantes. / Cell to cell adhesion in plants is mediated by the cell wall in which the components are cross-linked in order to create a continuum of polysaccharides linking the cells together. However the cell wall is a dynamic compartment that participates in growth and development through its constant loosening and remodeling and it is not very clear how cell adhesion is actually maintained in these conditions. In order to get a better understanding of the mechanisms that control cell adhesion in plants we used a combination of a forward genetic suppressor screen and a chemical genomic suppressor screen on the cell adhesion defective and pectin synthesis deficient mutants quasimodo1 and quasimodo2, and have isolated a number of suppressor mutants and molecules implicated in cell adhesion. The genetic screen led to the identification and study of a suppressor mutated in the gene ESMERALDA1, an uncharacterized putative O-fucosyltransferase. The genetic study of cell adhesion including another putative O-fucosyltransferase FRIABLE1 showed that the disruption of ESMD1 was sufficient to suppress the cell adhesion defect of qua1, qua2 and frb1, making it a major player of the pathway. The chemical genomic screen has revealed the implication of auxin transport and pectin methyl esterase activity in the process of cell adhesion. Based on these new information we have established a model explaining the loss of cell adhesion in the quasimodo and friable1 mutants, and from this model we have inferred the existence of the mechanisms that dynamically allow the maintenance of cell adhesion in plants during growth and development.

L’une des particularités fondamentales caractérisant les cellules végétales des cellules animales est la présence de la paroi cellulaire entourant le protoplaste. La paroi cellulaire joue un rôle primordial dans (1) la protection du protoplaste, (2) est impliquée dans les mécanismes de filtration et (3) est le lieu de maintes réactions biochimiques nécessaires à la régulation du métabolisme et des propriétés mécaniques de la cellule. Les propriétés locales d’élasticité, d’extensibilité, de plasticité et de dureté des composants pariétaux déterminent la géométrie et la forme des cellules lors des processus de différentiation et de morphogenèse. Le but de ma thèse est de comprendre les rôles que jouent les différents composants pariétaux dans le modelage de la géométrie et le contrôle de la croissance des cellules végétales. Pour atteindre cet objectif, le modèle cellulaire sur lequel je me suis basé est le tube pollinique ou gamétophyte mâle. Le tube pollinique est une protubérance cellulaire qui se forme à partir du grain de pollen à la suite de son contact avec le stigmate. Sa fonction est la livraison des cellules spermatiques à l’ovaire pour effectuer la double fécondation. Le tube pollinique est une cellule à croissance apicale, caractérisée par la simple composition de sa paroi et par sa vitesse de croissance qui est la plus rapide du règne végétal. Ces propriétés uniques font du tube pollinique le modèle idéal pour l’étude des effets à courts termes du stress sur la croissance et le métabolisme cellulaire ainsi que sur les propriétés mécaniques de la paroi. La paroi du tube pollinique est composée de trois composantes polysaccharidiques : pectines, cellulose et callose et d’une multitude de protéines. Pour comprendre les effets que jouent ces différents composants dans la régulation de la croissance du tube pollinique, j’ai étudié les effets de mutations, de traitements enzymatiques, de l’hyper-gravité et de la gravité omni-directionnelle sur la paroi du tube pollinique. En utilisant des méthodes de modélisation mathématiques combinées à de la biologie moléculaire et de la microscopie à fluorescence et électronique à haute résolution, j’ai montré que (1) la régulation de la chimie des pectines est primordiale pour le contrôle du taux de croissance et de la forme du tube et que (2) la cellulose détermine le diamètre du tube pollinique en partie sub-apicale. De plus, j’ai examiné le rôle d’un groupe d’enzymes digestives de pectines exprimées durant le développement du tube pollinique : les pectate lyases. J’ai montré que ces enzymes sont requises lors de l’initiation de la germination du pollen. J’ai notamment directement prouvé que les pectate lyases sont sécrétées par le tube pollinique dans le but de faciliter sa pénétration au travers du style. / One of the most important features characterizing plant cells and differentiating them from animal cells is the cell wall that surrounds them. The cell wall plays a critical role in providing protection to the protoplast; it acts as a filtering mechanism and is the location of many biochemical reactions implicated in the regulation of the cell metabolism and the mechanical properties of the cell. The local stiffness, extensibility, plasticity and elasticity of the different cell wall components determine the shape and geometry of the cell during differentiation and morphogenesis. The goal of my thesis is to understand the role played by the different cell wall components in shaping the plant cell and controlling its growth behaviour. To achieve this goal, I studied the pollen tube, or male gametophyte, as a cellular model system. The pollen tube is a cellular protuberance formed by the pollen grain upon its contact with the stigma. Its main purpose is to deliver the sperm cells to the female gametophyte to ensure double fertilization. The pollen tube is a tip-growing cell characterized by its simple cell wall composition and by the fact that it is the fastest growing cell of the plant kingdom. This makes it the ideal model to study the effects of drugs, mutations or stresses on cellular growth behaviour, metabolism and cell wall mechanics. The pollen tube cell wall consists mainly of proteins and three major polysaccharidic components: pectins, cellulose and callose. To understand the role played by these components in regulating pollen tube growth, I investigated the effects of mutations, enzymatic treatments, hyper-gravity and omni-directional gravity on the pollen tube cell wall. Using mathematical modeling combined with molecular biology and high-resolution electron and fluorescent microscopy I was able to show that the regulation of pectin chemistry is required for the regulation of the growth rate and pollen tube shape and that cellulose is crucial for determining the pollen tube diameter in the sup-apical region. Moreover, I investigated the role of the pectate lyases, a group of pectin digesting enzymes expressed during pollen tube development, and I showed that this enzyme activity is required for the initiation of pollen germination. More importantly, I directly showed for the first time that the pollen tube secretes cell wall loosening enzymes to facilitate its penetration through the style.

Au cours de la reproduction sexuée chez les plantes supérieures, les grains de pollen adhérent aux stigmates, se réhydratent et produisent des tubes polliniques qui se développent à travers le tissu de transmission femelle afin d’assurer la fécondation. Les tubes polliniques sont des cellules dont la croissance est rapide et polarisée à l’apex du tube. Ils représentent de bons modèles pour étudier la dynamique de la croissance cellulaire. Les tubes polliniques sont aussi capables de percevoir des signaux de guidage et d’adhérer à la matrice extracellulaire du tissu femelle. Afin de comprendre le mécanisme cellulaire de la croissance et de l'adhésion du tube pollinique, deux approches différentes ont été utilisées. Premièrement, un criblage de 258 molécules a permis d’isoler deux composés qui perturbent in vitro la croissance des tubes polliniques de tabac, de tomate et d' Arabidopsis thaliana. Les effets d’un inhibiteur des monogalactosyldiacylglycérol synthases, la galvestine-1, ont également été étudiés sur la croissance des tubes. Nous avons montré que ces trois composés réduisent la longueur du tube pollinique et induisent des phénotypes anormaux de façon dose-dépendante. La germination du pollen était réduite avec les deux composés isolés du criblage. Ils ont également affecté la distribution des polymères de la paroi des tubes polliniques. Les composés ont perturbé la production de ROS, ont désorganisé la dynamique des filaments d'actine et de la protéine RIC4 suggérant qu'ils pourraient perturber le trafic de vésicules à l'extrémité du tube pollinique. Dans un second temps, nous avons mis au point une approche de déconstruction enzymatique d’une matrice enrichie en polysaccharides afin d’étudier les phénomènes d’adhésion in vitro des tubes polliniques. Ce test a été développé sur des plaques 96 puits pour les tubes polliniques d'A. thaliana, en utilisant différents extraits de parois cellulaires de fleurs et de feuilles d'A. thaliana comme matrice ou des pectines commerciales de citron avec différents degrés de méthylestérification. Les traitements avec une polygalacturonase et une endo-galactanase des pectines commerciales et de l'extrait de paroi cellulaire de feuilles ont totalement ou partiellement perturbé l'adhésion des tubes polliniques. Ces résultats montrent que les tubes polliniques d’A. thaliana sont capables d'adhérer à des pectines d'origines diverses (espèces et organes) et suggèrent que les chaînes d’homogalacturonanes, les chaînes latérales du rhamnogalacturonane-I, en particulier les galactanes, avec un poids moléculaire minimum seraient nécessaires à l'adhésion des tubes polliniques. / During plant sexual reproduction pollen grains land on the stigma, rehydrate and produce pollen tubes that grow through the female transmitting-tract tissue to assure a proper fertilization. Pollen tubes are fast tip-growing cells and represent a good model to study growth dynamics. Pollen tubes are able to perceive female guidance signals and to adhere to the extracellular matrix of the female transmitting tract. In order to improve our knowledge on the cell mechanisms implicated during pollen tube growth and adhesion, two different approaches have been used. First, 258 compounds were screened and two small compounds were isolated. They disrupted in vitro pollen tube growth of tobacco, tomato and Arabidopsis thaliana. The effects of an inhibitor of monogalactosyldiacylglycerol synthases, galvestine-1, on pollen tube growth were also studied. We showed that these 3 compounds reduced pollen tube length and induced abnormal phenotypes in a dose dependent manner. Pollen germination was significantly reduced with the two compounds isolated from the screen. They also affected cell wall material arrangement in pollen tube cell wall. The compounds modified ROS production and were able to disorganized actin filaments as well as the dynamic changes of the protein RIC4 suggesting that they might perturb vesicle trafficking at the pollen tube tip. Secondly, using a plant-made adhesion matrix in 96 –well plates, we studied the in vitro adhesion of A. thaliana pollen tubes. Different cell wall extracts from A. thaliana flowers and leaves or commercial lemon pectins with different degree of methylesterification were tested and the adhesive fractions were deconstructed by enzymatic treatments. Polygalacturonase or endo-galactanase treatments of commercial pectins and pectin-enriched cell wall extracts totally or partially disrupted pollen tube adhesion. Our results pointed out that A. thaliana pollen tubes are capable of adhering on pectins from diverse origins (species and organs) and suggested that homogalacturonan, the side chains of rhamnogalacturonana-I, especially galactans, as well as a minimum molecular weight may be necessary for pollen tube adhesion.