Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Développement racinaire du peuplier en réponse aux signaux fongiques lors de la mise en place de l'ectomycorhize Résumé français : L'interaction précoce entre les racines des arbres et les champignons ectomycorhiziens (CEM) est accompagnée d'une forte stimulation du développement de racines latérales (RLs) de la plante hôte. L'objectif de cette thèse est de décrypter les mécanismes moléculaires impliqués dans le développement des RLs de Populus tremula x Populus alba (espèce mycorhizienne) et d'Arabidopsis thaliana (espèce non-mycorhizienne) en réponse au champignon ectomycorhizien Laccaria bicolor. L'auxine étant considérée comme un élément clef de la régulation du développement des RLs, nous avons focalisé notre étude sur les protéines impliquées dans le transport et la signalisation de cette hormone. Nos résultats moléculaires (NimbleGen microarray, RT-PCR quantitative) illustrent que la présence du champignon altère le gradient auxinique dans les racines via une modification de l'expression de PtaPIN9 (AtPIN2), impliqué dans le transport polarisé de l'auxine. Des analyses de plantes mutantes ont suggéré que la stimulation des RLs lors du contact plante/champignon dépend de ce transporteur ainsi que de la signalisation auxinique dans les racines. Notre étude a été élargie à la recherche de molécules émises par le champignon qui interféraient avec les voies auxiniques de la plante. Nos résultats révèlent l'implication des voies de l'éthylène, des jasmonates, des brassinostéroides et des ROS (Reactive Oxygen Species) pendant l'interaction plante/champignon, suggérant une implication des voies de signalisation dépendantes des stress dans les étapes précoces de l'interaction. Nous proposons que Laccaria bicolor stimulerait le développement des RLs en modifiant la répartition et la signalisation de l'auxine endogène de la racine via les voies de signalisation du stress. / The early phase of the interaction between tree roots and ectomycorrhizal (ECM) fungi is accompanied by a stimulation of lateral root (LR) development. This thesis aims on understanding by which molecular mechanisms the interaction of plant and fungus induces LR stimulation. Therefore the ECM fungus L. bicolor in interaction with one of its mycorrhizal hosts, Populus tremula x Populus alba or with the non-mycorrhizal herbaceous model plant Arabidopsis thaliana was studied. We identified gene networks that regulate LR development during the early signal exchanges between Populus tremula x Populus alba and the ECM fungus Laccaria bicolor. We focussed on auxin transport and signalling pathways, as those are key actors regulating LR development. Experiments with poplar and Arabidopsis transgenic auxin response marker lines revealed that the presence of fungal signalling molecules modified auxin gradients in roots. Using microarray- and quantitative Real-time PCR based transcript profiling of poplar roots we uncovered the accumulation of transcripts of the polar auxin efflux carrier PtaPIN9 as well as of auxin responsive transcription factors. A. thaliana transgenics defective in these targets showed that they are crucial for fungus induced LR stimulation. Finally we identified an involvement of ethylene, jasmonates, brassinosteroids and ROS (Reactive Oxygen Species) signalling during fungal LR induction. These pathways are known to be activated upon stress responses in the plant and to interact with auxin pathways. Together these data show how ECM fungi stimulate LR development in plants by interfering with endogenous auxin-levels, -distribution and -signalling most probably through stress signalling pathways.

L'effet à court terme de la disponibilité en azote sur la formation du bois a été étudié chez le peuplier hybride. Les analyses ont été menées sur de jeunes arbres cultivés en serres et qui répondent rapidement à la fertilisation avec différentes concentrations de nitrate d'ammonium. Les arbres ayant reçu un apport élevé d'azote (10 mM) ont produit des fibres de xylème plus courtes (+ 18%) et au diamètre plus larges (+ 17%) dont la paroi cellulaire est plus épaisse par rapport aux témoins (apport d'azote 1 mM). Des colorations histologiques suggèrent que ces fibres accumulent moins de lignines et produisent une paroi enrichie en cellulose. Des variations dans la composition du bois ont aussi été mises en évidence par microspectrophotométrie FT-IR. Des analyses du bois ont donc été entreprises pour déterminer plus précisément le contenu en lignines et pour caractériser la structure des lignines qui sont déposées. Les arbres fortement fertilisés en azote produisent un bois dont la teneur en lignines est inférieure à celle des témoins (diminution de 100/0) d'après la méthode au bromure d'acétyle, mais pas selon la méthode e Klason. Par contre, la structure des lignines semble nettement affectée par l'apport élevé d'azote: on observe une diminution de la fréquence des liaisons β-O-4 et du rapport SIG, ainsi qu'une augmentation de la fréquence des unités H, des esters p-OH benzoïques et des unités G à groupe phénolique libre. Ces caractéristiques sont similaires à celles des lignines de peuplier formées lors des premiers stades de lignification. La fertilisation azotée affecte le taux de cellulose des parois ainsi que l'expression de gènes associés à la mise en place de la paroi. Des analyses réalisées pendant 28 jours de fertilisation ont montré une accumulation rapide des transcrits d'enzymes impliquées dans l'incorporation de nucléotides de sucres en réponse à l'azote. Au contraire, les transcrits de certains gènes participant à la lignification étaient moins abondants. Nos données suggèrent qu'une fertilisation azotée élevée modifie la formation des fibres du xylème de peuplier en leur donnant des caractéristiques similaires à celles des fibres de bois juvénile et de bois de tension.

Les variations de l'environnement peuvent influer sur le métabolisme de la plante, notamment à travers la formation des espèces oxygénées réactives (EOR) nocives à forte concentration. Des systèmes enzymatiques vont dégrader ces EOR mais aussi réparer les molécules oxydées par ces réactifs. Ils sont composés notamment de peroxydases (glutathion peroxydases utilisant les thiorédoxines comme réducteur, et les peroxyrédoxines utilisant les glutarédoxines et les thiorédoxines pour leur régénération) dont l'activité s'appuie sur des échanges dithiol-disulfure. Ces systèmes présentent une complexité liée à l'existence de familles multigéniques. Des hybrides Prx-Grx actifs ont été produits de façon recombinante, donnant des indications sur les interactions entre Prx et Grx. Les études enzymatiques réalisées sur les Prx IIF et IIE ont montré qu'elles sont capables de réduire de nombreux substrats autres que le peroxyde d'hydrogène avec des efficacités variables. De plus, leurs localisations tissulaires sont différentes ainsi que leurs réactions en réponse à divers stress oxydant. Outre leur fonction de réducteurs, les glutarédoxines pourraient participer aussi à la signalisation par le mécanisme de glutathionylation, impliqué dans la protection de cystéines critiques par fixation d'une molécule de glutathion. Un rôle nouveau est apparu, elles aident à la formation et l'intégration des centres fer-soufre et participent donc à la maturation des protéines fer-soufre. Les Grxs chloroplastiques S14 et S16 intègrent de façon naturelle un centre fer-soufre et complémentent des mutants de levure déficients en Grx5, une glutarédoxine CGFS nécessaire pour l'assemblage des centres fer-soufre. Enfin, la GrxS14 est capable de transférer efficacement son centre à une molécule acceptrice. Ces résultats nous permettent de mieux comprendre la redondance des ces familles : ces systèmes modulent différents processus physiologiques, dont certains encore inconnus, en réponse au stress oxydant / Environment variations can modify plant metabolism in particular by production of reactive oxygen species (ROS) which are harmfull at high level. Enzymatic systems are to degrade these ROS but also repair oxidized molecules. They are composed by peroxidases (thioredoxins-reduced glutathione peroxidases and thioredoxin or glutaredoxin-reduced peroxiredoxins) using dithiol exchange for their activity. These systems present a complexity according to their multigenic family origin. Recombinant Prx-Grx hybrids have been produced giving clue to interactions between Prx and Grx. Enzymatic studies showed Prx IIF and IIE can reduced a wide range of substrates other than hydrogen peroxide, with variable activity. Furthermore they are not found identically in plant tissue and react to oxidative stress in different ways. Besides reducing properties Grx could participate in cell signalling by glutathionylation, mechanism which protects cystein by fixating a molecule of GSH. A new role appeared recently, they help production of iron-sulfur cluster and play a role in iron-sulfur proteins maturation. Plastidials S14 and S16 Grxs can naturally bind an iron-sulfur cluster and complement Grx5 (CGFS Grx known entering in iron-sulfur proteins maturation) deficient mutants yeast. Finally GrxS14 is able to transfer efficiently his cluster to accepting molecule. These results allow us understanding better these multigenic families regulating several physiological processes, some still unknown, in oxidative stress

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La structure de trois oxydoréductases (la glutathion peroxydase (Gpx), la thiorédoxine (Trx) et la glutarédoxine (Grx)) de Populus trichocarpa × deltoides (le peuplier) a été caractérisée par diffraction des rayons X. Les Gpxs forment un groupe d’enzymes qui régulent la concentration des espèces réactives de l'oxygène (ROS) dans les cellules, et qui les protègent des effets d’un stress oxydant. Contrairement à leurs homologues d’origine animale, les Gpxs végétales ne dépendent pas du glutathion (GSH) mais des Trx pour leur fonctionnement. Dans cette étude, j'ai résolu les structures des formes réduite et oxydée de la Gpx5 de peuplier et montré que des changements conformationnels drastiques sont nécessaires pour passer d’une forme à l’autre. Les Trxs régulent diverses protéines cibles par la réduction de leur pont disulfure. Mon objectif était de comprendre le mécanisme catalytique d’une nouvelle isoforme, la PtTrxh4, dont la capacité à accepter des électrons de la Grx a été récemment démontrée. Cette PtTrxh4 contient trois cystéines, la première localisée dans une extension en position N-terminale (Cys4) et deux situées dans le site actif classique (WC1GPC2) de la Trx. Les résolutions des structures de l’enzyme sauvage et du mutant C4S m’ont permis de proposer un mécanisme catalytique en quatre étapes en accord avec les études enzymatiques. Les Grxs sont des protéines qui utilisent des électrons du GSH en particulier pour catalyser des réactions d'échange de thiol-disulfure. Ici, je présente la structure de la PtGrxS12 (en complexe avec le GSH), la première structure de la Grx végétale de sous-classe 1 ayant un site actif de motif atypique 28WCSYS32. / Three oxidoreductases (glutathione peroxidase, GPX; thioredoxin, Trx and glutaredoxin, Grx) from Populus trichocarpa × deltoides (poplar tree) were characterized using X-ray crystallography approach. GPXs are a group of enzymes that regulate the levels of oxygen species in cells, and protect them against oxidative damage. In this study, I have determined the crystal structures of the reduced and oxidized form of poplar GPX5 (PtGPX5). Comparison of both redox structures indicates that a drastic conformational change is necessary to bring the two distant cysteine residues together to form an intramolecular disulfide bond. Trxs regulate various protein partners through the thiol-disulfide(s) reduction. The aim of this study is thus to precisely describe the catalytic mechanism of a new isoform of Trx, PtTrxh4, since it has been demonstrated recently to be reduced by Grx. PtTrxh4 contains three cysteines; one localized in an N-terminal extension (Cys4) and two in the usual Trx active site (WC1GPC2). Two crystal structures of PtTrxh4 solved in this study, wild-type and C61S mutant, allow us to propose a four-step disulfide cascade catalytic mechanism in accordance with enzymatic studies. Grxs are highly conserved redox-proteins that utilize electrons from GSH particularly to catalyze thiol-disulfide exchange reactions. Here, I present the structure of glutathionylated PtGrxS12, the first structure of plant Grx of subclass 1 with an atypical 28WCSYS32 active site. Protein structures solved here shed lights to our understanding of the redox mechanism in plant and to the enzyme-substrate interactions.

L'étude vise à vérifier si la préparation de terrain en buttes de même que l'enlèvement de la végétation compétitrice permet d'augmenter significativement la croissance des peupliers hybrides en forêt boréale. Trois plantations ont été établies en 2004 en Abitibi-Témiscamingue sur des sites agricole (1) et forestiers (2) à une densité de 1000 plants par hectare. Deux traitements de préparation de terrain ont été testés (avec buttes ou sans buttes), ainsi que 4 fréquences annuelles d'entretien de la végétation compétitrice (0, 1, 2 ou 3 entretiens par année), sur deux clones de peuplier hybride: P. maximowiczii x P. balsamifera (915319) et P. euramericana x P. maximowiczii (916401). La hauteur, le diamètre, la surface foliaire ainsi que le taux de photosynthèse des arbres ont été évalués en fonction des types de traitement et en relation avec la température du sol, le recouvrement de la végétation compétitrice ainsi que la longueur de la saison de végétation pour les saisons 2004, 2005 et 2006. À la fin de la saison 2006, la préparation de terrain en buttes a favorisé la croissance en diamètre (+14%) et en hauteur (+32%) du clone 916401 sur le site d'Arntfield. L'augmentation de la fréquence des traitements d'entretien de la végétation compétitrice sur le site de Preissac a également favorisé la croissance en diamètre (+35%) et en hauteur (+20%) après 2 entretiens annuels. Le traitement de la végétation n'a eu que peu d'effet sur la croissance lorsque la compétition était moins invasive. L'entretien de la végétation a permis de diminuer les dégâts causés par les rongeurs durant l'hiver, alors que la préparation de terrain en buttes a permis de réduire la sévérité des dommages causés. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Peuplier hybride, Préparation de terrain en buttes, Button, Entretien mécanique, Végétation compétitrice.

Dans la forêt boréale du nord-ouest du Québec (Canada), une plus grande abondance de feuillus dans la portion sud du domaine résineux pourrait créer des conditions plus favorables à l'établissement des espèces associées au domaine mixte. En effet, les propriétés du sous-bois et la réponse à divers types de perturbation sont grandement influencées par la composition des peuplements. Ainsi, la présence du peuplier faux-tremble (Populus tremuloides Michx.) en pessière pourrait offrir des conditions plus propices à l'établissement et à la croissance du sapin baumier (Abies balsamea (L.) Mill.) au nord de sa zone de dominance. L'objectif général de cette étude consiste à déterminer si la présence du peuplier faux-tremble facilite la régénération du sapin baumier au sein de la pessière à mousses de l'ouest du Québec. Pour ce faire, des sites présentant une transition au niveau du couvert, allant d'une dominance de l'épinette noire (Picea mariana (Mill.) BSP) à un peuplement mixte de peuplier faux-tremble et d'épinette noire, ont été sélectionnés. Des transects disposés de façon à traverser la transition entre les 2 types de peuplement ont été utilisés pour caractériser la régénération du sapin baumier et les conditions environnementales le long du gradient mixte-résineux. Les résultats indiquent que la régénération du sapin baumier est généralement plus abondante lorsque le peuplier est présent dans la canopée. Des différences au niveau de la distribution le long du gradient des trois groupes de hauteur utilisés pour décrire l'abondance du sapin en sous-couvert (petits, < 30cm; moyens, de 30 à 100cm; grands, >100 à 300cm) suggèrent que l'établissement est probablement lié davantage à la proximité des semenciers qu'à la disponibilité des substrats. Par contre, des conditions de croissance plus favorables sous le couvert mixte augmenteraient le taux de survie des semis, ce qui expliquerait l'abondance de la régénération avancée. Cette meilleure croissance pourrait être liée au fait que la litière de peuplier, en étant facilement décomposable, ralentit le processus de paludification qui s'observe avec le temps dans les peuplements dominés par l'épinette noire de la région de la ceinture d'argile et qui crée des conditions qui nuisent au développement du sapin baumier. Ainsi, en facilitant la régénération du sapin baumier dans le domaine résineux, la présence du peuplier faux-tremble en pessière pourrait contribuer à l'expansion nordique du domaine de la sapinière à bouleau blanc. Les résultats de cette étude témoignent de l'importance des interactions biotiques positives dans les mécanismes de succession secondaire, en particulier dans les zones où les contraintes environnementales sont plus importantes. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Abies balsamea, Populus tremuloides, Facilitation, Régénération, Pessière, Peuplements mixtes.

Chez certaines espèces telles que le peuplier faux-tremble (Populus tremuloides Michx.), les arbres sont reliés entre eux par une racine mère due à leur mode de propagation par drageonnement. Ces liens racinaires remettent en question les notions classiques d'individualité des arbres pour l'accès aux ressources et pour la compétition, puisqu'ils permettent les échanges d'eau, de minéraux ou encore d'hydrates de carbone. Le but de cette étude était de démontrer qu'un arbre pouvait influencer la physiologie d'un autre arbre grâce au lien racinaire qui les unit. Pendant les étés 2007 et 2008, des couples de peuplier faux-tremble issus du drageonnement (i.e. 2 ramets reliés par une racine parentale) répartis en trois classes de hauteur (dominante, codominante et supprimée) ont été sélectionnés, puis les ramets situés en position distale par rapport à la racine parentale ont été manuellement défoliés. L'effet de la défoliation sur la photosynthèse, la conductance stomatique, la surface foliaire spécifique (SFS) et la concentration en sucres des feuilles a été mesuré sur les ramets non défoliés. Les résultats montrent que la défoliation d'un arbre a causé une réponse physiologique chez un autre arbre relié par la racine. A l'été 2007, l'effet de la défoliation a été plus important sur les ramets de la classe supprimée, dont la photosynthèse avait augmenté de 17% par rapport aux témoins non défoliés. L'effet était moins important sur les ramets codominants (augmentation de 14%) et dominants (12%). A l'été 2007, la SFS était plus importante pour les ramets supprimés, l'effet de la défoliation étant décroissant pour les classes codominante et dominante. Ce résultat suggère une augmentation plus importante des compétences photosynthétiques des ramets supprimés par rapport à ceux des autres classes de hauteur. À l'été 2008, aucun effet de la défoliation n'a été observé, probablement dû à des conditions d'humidité élevées résultant en des valeurs de conductance stomatique beaucoup plus élevées qu'en 2007 (+55%). Sous de fortes conditions d'humidité, la conductance hydrique foliaire ne limite pas la conductance stomatique, donc le taux d'assimilation du CO₂ était probablement à son maximum d'où l'absence d'augmentation du taux de photosynthèse. La concentration en sucres était identique pour les trois classes par rapport aux témoins pour les 2 années d'étude. Ce résultat indique que l'effet de la défoliation interviendrait surtout au niveau des compétences photosynthétiques des feuilles et non au niveau énergétique. Cette étude montre que les arbres peuvent interagir physiologiquement à travers les liens racinaires. La présence de liens racinaires devrait ainsi être considérée dans la dynamique de tels peuplements. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Défoliation, Drageons, Peuplier faux-tremble, Photosynthèse, Lien racinaire, Surface foliaire spécifique.

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.