Les arbres irriguent leurs organes par un système microfluidique complexe qui permet le transfert d’eau sous des pressions hydrostatiques négatives allant de -0.1 à -13 MPa. Dans ces conditions de métastabilité, les arbres vivent avec le risque d’une vaporisation soudaine de leur sève, qui conduit à l’embolie. Après cavitation, la poche de gaz créée croît ensuite par différence de pression et diffuse dans les vaisseaux du xylème à travers des membranes poreuses appelées “ponctuations”. Ces membranes permettent d’assurer le transfert hydrique vasculaire et de lutter contre la propagation de l’embolie gazeuse pouvant conduire à un état létal de la plante. Pour comprendre les mécanismes d’embolie d’air dans le xylème, nous avons pu étudier la structure des ponctuations du peuplier et caractériser par microscopie à force atomique (AFM) leurs propriétés mécaniques. Nous avons fait des expériences de nano-indentation et de flexion sur des échantillons secs et saturés en eau. Les premières expériences semblent montrer que les propriétés mécaniques sont peu affectées par la sorption d’eau (le module d’Young de la membrane primaire est E 0:40 GPa). Nous avons pu établir que le module des ponctuations était inférieur à celui de la paroi vaisseaux du xylème (E 8 GPa). Des expériences de micromoulages ont montré que les membranes des ponctuations se déforment sous l’effet d’une différence de pression. En tenant compte de la présence des parois secondaires, l’analyse par éléments finis de la déformation des ponctuations permet de calculer le module d’Young des membranes qui est identique à celui déterminé en AFM. Nous avons pu mettre en évidence que les mâchoires constituées par les parois secondaires limitent la déformation de la membrane au niveau de l’encastrement près du bord. Des expériences d’injection d’air ont permis de déterminer la pression critique (Pc = 1:8 MPa) et les diamètres critiques des pores présents sur les valves capillaires (dpore 160 nm). La taille des pores estimée est cohérente avec les données de la littérature. Nous avons proposé une première modélisation de la propagation d’une embolie sur la base de l’écoulement de Darcy dans la membrane. L’ensemble des résultats semble montrer que la diffusion de gaz est rendu possible par l’effet conjoint de la déformation de la membrane qui génère l’ouverture des pores diminuant ainsi la pression critique de passage du gaz et de la rupture des ponts capillaires présents dans les pores de la membrane. / The xylem vessels of trees constitute a model natural microfluidic system. In this work, we have studied the mechanism of air flow in the Populus xylem. The vessel microstructure was characterized by optical microscopy, transmission electronic microscopy (TEM), and atomic force microscopy (AFM) at different length scales. The xylem vessels have length ≈ 15 cm and diameter ≈ 20 μm. Flow from one vessel to the next occurs through ∼ 10 2 pits, which are grouped together at the ends of the vessels. The pits contain a thin, porous pit membrane with a thickness of 310 nm. We have measured the Young’s moduli of the vessel wall and of the pits (both water-saturated and after drying) by specific nanoindentation and nanoflexion experiments with AFM. We found that both the dried and water-saturated pit membranes have Young’s modulus around 0.4 MPa, in agreement with values obtained by micromolding of pits deformed by an applied pressure difference. Air injection experiments reveal that air flows through the xylem vessels when the differential pressure across a sample is larger than a critical value ∆P c ≈ 1.8 MPa. In order to model the air flow rate for ∆P ≥ ∆P c , we assumed the pit membrane to be a porous medium that is strained by the applied pressure difference. Water menisci in the pit pores play the role of capillary valves, which open at ∆P = ∆P c . From the point of view of the plant physiology, this work presents a basic understanding of the physics of bordered pits.

Les arbres sont capables de contrôler leur forme et de résister à la gravité grâce à leur aptitude à produire du bois sous tension en périphérie. Il est connu que cette précontrainte se développe durant la phase de maturation des fibres de bois mais le mécanisme sous jacent de génération de cette contrainte n'est pas encore clairement identifié et compris. Cette étude se focalise sur la formation du bois à deux échelles : i) à l'échelle du tissus, le processus et la chronologie de la formation du bois de tension, du bois opposé et du bois normal ont été étudiés sur des peupliers élevés en pleine terre et ii) à l'échelle de la paroi, la formation de la couche secondaire dans le bois de tension a été étudiée sur de jeunes peupliers inclinés artificiellement. Les résultats montrent que, du coté du bois de tension d'arbres fléchis, le nombre de cellules cambiales au début de la saison de croissance, et ainsi le nombre total de cellules produites au final, augmente comparé au bois opposé et normal. Le nombre de cellules produites du coté du bois opposé est clairement réduit suite à une baisse de l'activité cambiale de ce coté. En conséquence, les arbres fléchis présentent une croissance excentrique. La phase de lignification commence plus tard dans le bois opposé comparé au bois normal et de tension, mais aucune différence significative n'est constatée entre le bois normal et le bois de tension. Le développement de la couche dite G dans le bois de tension commence peu de temps après le début de la lignification. Bien que le nombre total de cellules produites du coté du bois de tension des arbres fléchis est en moyenne plus important que pour les arbres droits, le nombre total de cellules produites globalement dans un cerne de croissance des arbres fléchis est comparable à celui des arbres droits. Ceci est une conséquence directe de la forte réduction du nombre total de cellules produites du coté du bois opposé pour les arbres fléchis. L'inclinaison a aussi un effet évident sur l'épaississement de la couche cellulaire des jeunes peupliers. L'évolution de l'épaisseur de la couche secondaire et de la couche G a été mesurée, du cambium au bois mature, dans des échantillons, prélevés à différentes dates après inclinaison, issus de plusieurs arbres. Les mesures sur des fibres de bois produites avant inclinaison montrent l'épaississement progressif habituellement observé de la paroi secondaire au cours de la saison de croissance. Après la date d'inclinaison, l'épaisseur de la paroi secondaire diminue de façon marquée du bois normal vers le bois de tension alors que l'épaisseur total de la paroi augmente, comparé au bois normal, avec le développement d'une couche G épaisse. Néanmoins, même après la formation de la couche G, l'épaisseur de la couche secondaire continue d'augmenter au cours de la saison de croissance. L'observation montre que l'épaississement de la couche G est plus rapide que celui de la couche secondaire. Le développement de la couche G non lignifiée pourrait être une stratégie économe, mais efficace, pour la production rapide de contrainte de croissance importante chez les feuillus. / Trees can control their shape and resist gravity thanks to their ability to produce wood under tensile stress at their periphery. This prestress is known to be produced during the maturation of wood fibres but its generation mechanism remains unclear. This study focuses on the wood formation process at two levels: i) at the tissue level, the process and timing of tension wood, opposite wood and normal wood formation were investigated on field grown poplar trees and ii) at the cell wall level, the formation of the secondary wall in tension wood was studied in artificially tilted poplar saplings. Results showed that the number of cambial cells at early growing season, and thus the total number of cells produced in the end, on the tension wood side of bent trees increased compared to opposite and normal wood. The total number of opposite wood cells produced obviously decreased as a result of a lower cambial activity on this side. Consequently, one can observe pith eccentricity in the bent trees. The lignification phase starts latter in opposite wood than in tension and normal wood, however no obvious differences were observed between tension and normal wood. The so-called G-layer (gelatinous layer) formed soon after the start of the lignification in tension wood. Although the total number of cells produced on tension wood side was more important than the averaged one produced in upright trees, the total number of cells produced in the whole growth ring of bent trees was similar to the one produced in upright trees. This was the result of a huge reduction in the number of cells produced on the opposite wood side of bent trees. Tilting also had obvious effect on the wall thickening of young poplar. The thickness of the secondary wall layer and G-layer were measured, from cambium to mature wood, in several trees sampled at different times after tilting. Measurements on wood fibres produced before tilting show the usual progressive increase of secondary wall thickness during the growing season. After the tilting date, the secondary layer thickness decreased markedly from normal wood to tension wood while the total thickness increased, compared to normal wood, with the development of a thick G-layer. However, even after the G-layer formation, the secondary layer thickness continues to increase during the growing season. G-layer thickening was observed to be faster than secondary layer thickening. The development of the unlignified GL is proposed to be a low cost but efficient strategy for a fast generation of high tensile stress in hardwood trees.

Le but de cette thèse était d’identifier les mécanismes moléculaires responsables des propriétés particulières de la couche G et les propriétés mécaniques remarquables du bois de tension (BT). Trois acteurs moléculaires potentiels (des protéines à arabinogalactane avec domaine fasciclin-like (FLA), une protéine chitinase-like (CTL) et une β-galactosidase (BGAL)) ont été choisis et étudiés dans: analyse phylogénétique, analyses d'expression et caractérisation de peupliers transgéniques affectés dans l’expression de chacun de ces acteurs. La caractérisation fine de ce matériel a révélé que CTL2 et les FLA jouent un rôle dans la régulation de la cristallinité de la cellulose dans le BT. CTL2 apparaît également important dans l'organisation de la paroi cellulaire et des propriétés mécaniques des tiges. BGAL a été avant proposé pour une fonction dans modification de pectine RG-I potentiellement important pour des propriétés mécaniques de BT. Le bois de tension exhibe une activité BGAL plus élevée que dans le bois opposé. L’inhibition par RNAi de l’expression de BGAL7, spécifiquement exprimée dans le BT, n’est pas responsable à lui seul de la forte activité BGAL présente dans le BT. En contrepoint à l’étude menée sur le peuplier, nous avons également évalué la présence d’acteurs moléculaires potentiellement responsables des propriétés mécaniques du BT chez le simarouba qui développe dans leur BT des fibres ayant leurs sous-couches de la paroi intermédiaire entre la G et la S2. Des protéines à arabinogalactanes ainsi que des pectines du type RG-I sont présentes dans les fibres de BT de peuplier et de simarouba et pourraient avoir une fonction dans un mécanisme commun de génération des contraintes dans le BT. Finalement, un modèle est proposé sur le rôle présumé des différents acteurs moléculaires étudié dans la régulation des propriétés de la couche G et la génération des fortes contraintes du bois de tension. / The aim of this thesis was to approach the underlying molecular mechanisms responsible for the particular properties of the G-layer and the outstanding mechanical properties of tension wood (TW). Accordingly, three potential molecular players (fasciclin-like arabinogalactan protein (FLA), chitinase-like protein (CTL) and β-galactosidase (BGAL)) were chosen and studied through a phylogenetic analysis, expression analyses and most importantly characterization of RNAi transgenic poplars. This multilevel characterization revealed that CTL2 and FLAs have function in the regulation of cellulose crystallinity in TW. CTL2 was also shown to be important both for the cell wall organization and stem mechanical properties. BGAL was studied in a light of the previously reported modifications of RG-I pectin, potentially important for the mechanical properties of TW. Study of BGAL revealed that the enzyme has higher activity in TW than in opposite wood. BGAL7, whose gene was expressed specifically in TW, does not seem to be responsible for the higher BGAL activity in TW. In comparison to poplar, we analyzed the occurrence of molecular players potentially responsible for TW mechanical properties in simarouba, a tropical species, which develops different TW fiber. Arabinogalactan proteins and RG-I pectin potentially targeted by BGAL were localized in TW fibers both in poplar and simarouba and therefore may be involved in a common mechanism of tensile stress generation in different TW types. A model was finally proposed to elucidate a potential function of the studied molecular players in the regulation of G-layer properties and tensile stress generation.

Les plantes adaptent leur croissance en fonction des facteurs environnementaux dont la gravité qui est un facteur constant. Une modification de l’orientation de la plante par rapport à l’axe de la gravité, i.e. une inclinaison induit une réponse de redressement : le gravitropisme. Pour les parties aériennes le gravitropisme est négatif, c’est-à-dire que les plantes vont adapter leur croissance dans la direction opposée à la gravité. Chez les arbres, le redressement est assuré par à la formation asymétrique d’un bois aux propriétés physico-chimiques particulières appelé le bois de réaction. Des récepteurs kinases pourraient participer à la perception et à la réponse précoce au stimulus gravitropique qu’est l’inclinaison. Parmi ces familles protéiques, les kinases associées à la paroi (WAK) sont des candidats intéressants. La liaison de ces protéines à la paroi permettrait de percevoir les déformations qui sont supposées se produire par l’inclinaison de la tige. Nous avons alors identifié et caractérisé pour la première fois la famille WAKs chez une espèce ligneuse, le peuplier, qui est composée de 175 membres. L’étude d’accumulation des transcrits WAKs a permis d’identifier les gènes WAKs qui s’expriment dans la tige puis l’expression de ces gènes a été suivie lors d’une cinétique après inclinaison. Il s’avère que les gènes WAKs sont faiblement exprimés et que 25% des gènes présentent une expression différentielle après inclinaison. Ces données transcriptomiques suggèrent que les WAKs participeraient aux événements cellulaires précoces après l’inclinaison de tiges chez le peuplier. Enfin, une étude plus approfondie a été initiée sur PtWAK70 qui est localisée dans le jeune xylème et le phloème secondaire. Nous avons également généré des outils moléculaires dont l’objectif est d’identifier les interacteurs potentiels de la partie apoplastique de PtWAK70. / Plants adapt their growth to environmental factors whose gravity is a continuous one. A modification of plant orientation by tilting leads to a straightening response: gravitropism. For aerial parts, plants will adapt their growth upward (negative gravitropism). In trees, straightening is accomplished through asymmetric formation of reaction wood which exhibits modifications in its physicochemical properties. Receptors-like kinases could play a role in both perception and early response to a gravitropic stimulus. Among them, Wall-Associated Kinases (WAKs) are interesting candidates because they are bind to the cell wall. They could detect wall deformations that are supposed to occur after tilting of the stem. We identified and characterized for the first time in a woody species (poplar) the largest WAKs family with 175 members. An extensive study of WAKs transcripts accumulation was carried out to identify genes expressed in woody stem. These genes expressions were analyzed during a kinetic after tilting. WAKs genes were overall weakly expressed but 25% of analyzed genes showed a modulation in their transcript accumulation after tilting. This suggests they could play a role in early events after tilting of poplar stems. Lastly, a deeper study was initiated on PtWAK70 which is localized in young xylem and secondary phloem. We generated molecular tools to identify potentials interactors of PtWAK70 apoplastic part.

Dans le contexte des changements climatiques globaux, les arbres devront faire face à une atmosphère différente de celle présente actuellement. L'ozone et le CO2 sont deux des principaux gaz dont la hausse de la concentration est préoccupante. Nous avons étudié les effets de l'ozone et du fort CO2, seuls ou combinés, sur la biosynthèse et la teneur de la lignine, l'anatomie et les propriétés du bois de jeunes plants de peupliers (Populus tremula x alba) placés en conditions contrôlées dans des chambres phytotroniques. De plus, ces arbres étaient inclinés afin d'induire la formation de bois de tension. La voie de biosynthèse de la lignine est affectée majoritairement par l'ozone conduisant à une modification de la composition chimique du bois des arbres. L'ozone modifie l'anatomie du bois de tension en diminuant le nombre des vaisseaux formés, l'épaisseur des parois des fibres et augmentant le diamètre du lumen des vaisseaux. Le fort CO2 stimule la croissance des arbres et la production de biomasse mais ne semble pas modifier les propriétés du bois et la synthèse de lignine. L'interaction des deux gaz révèle un effet bénéfique du fort CO2 vis-à-vis des effets néfastes de l'ozone. La présence de fort CO2 limite la baisse du métabolisme des lignines et favorise l'allocation dans la partie moyenne des tiges des plants. Enfin, les propriétés du bois sont modifiées par les différents traitements suggérant une qualité différente pour l'utilisation future du bois. / In the context of global climate change, trees will have to cope with an atmosphere different from actual. Ozone and CO2 are two of the main gas whose increased concentration is worrying. We investigated the effects of ozone and elevated CO2 single or combined on the biosynthesis and content of lignin, wood anatomy and properties of young poplars (Populus tremula x alba) placed in controlled conditions in phytotronic chambers. Moreover, trees were bent to induce tension wood formation. The metabolism of lignin was mainly affected by ozone leading to a change in the chemical composition of wood. Ozone altered wood anatomy by reducing the vessel number, cell wall thickness of fibers and increasing lumen diameter of vessels. Elevated CO2 stimulated radial and height growth, and biomass production, but seemed to have no effect on wood properties and lignin biosynthesis. The interaction of the two gases showed a benefit effect of elevated CO2 against negative effects of ozone. Presence of high CO2 limited lignin metabolism decrease and promoted a better stem allocation of carbon in middle stem of plant. Wood properties were also altered by these treatments suggesting a different quality for the future use of wood.

Le dépérissement et l’effondrement des peuplements matures dominés par le peuplier faux-tremble (Populus tremuloides Michx.) ont souvent été observés un peu partout en Amérique du Nord. Des études récentes indiquent que la sécheresse, la défoliation par les insectes, l’activité des pathogènes fongiques et les changements climatiques constituent les facteurs majeurs responsables de ces phénomènes dans l’ouest canadien. Ils s’observent également au Québec aux endroits où l’on retrouve de vieux peuplements de peuplier. L’objectif de cette étude est de déterminer les taux d’apparition de dépérissement et d’effondrement du peuplier faux-tremble dans le nord-est de l’Alberta et de déterminer leur variabilité dans le paysage. Nous avons utilisé des données de deux inventaires forestiers consécutifs réalisés en 1978 et en 1990 pour produire un échantillon de 6837 points (peuplements ou parties de peuplements). Nous n’avons retenu que les peuplements de peuplier purs ou presque purs, âgés de 60 ans et plus et dont la hauteur dans le premier inventaire est supérieure à 6-12m. Les attributs du peuplement, tels que la hauteur, l’âge, la densité et la composition du sous-bois, ont été analysés pour déceler des trajectoires de succession possibles et identifier le dépérissement et l’effondrement. Ces attributs du peuplement, avec l’indice d’humidité du climat, le type de couvert forestier et l’intervalle de temps entre les inventaires ont été utilisés comme variables dans les modèles de régression logistique prédisant l’effondrement et le dépérissement. Nos résultats confirment qu’il y a bel et bien dépérissement et effondrement de peupliers: sur un échantillon final de 1756 peuplements, 171 sont classés comme peuplements ayant connus un dépérissement ou un effondrement sur une période d’environ 17 ans, soit 9,73 % de notre échantillon final. Le taux annuel d’effondrement et de dépérissement est de 0,59%, tandis que celui du dépérissement uniquement est de 0,15 %. L’âge, la présence de sous-bois et l’interaction climat-âge augmentent avec la probabilité d’effondrement et de dépérissement tandis que la densité et l’indice d’humidité du climat influencent négativement ces deux phénomènes. Un effet aléatoire à l’échelle du paysage avec une variance de 0,83 (traduisant une influence non négligeable de l’effet aléatoire) contre une variance résiduelle de 0,92 a été observé à partir de l’analyse de modèles mixtes. L’âge et la densité du peuplement restent les meilleurs prédicteurs de ces deux phénomènes. / Dieback and collapse of mature stands dominated by trembling aspen (Populus tremuloides Michx.) have often been observed in North America. Recent studies indicate that drought, insect defoliation, activity of fungal pathogens and climate change are the major factors responsible for these phenomena in Western Canada. They are also observed in Quebec, where we find old aspen stands. The objective of this study is to determine the rates of aspen dieback and collapse in north-eastern Alberta and to determine their variability across the landscape in order to develop predictive statistical models based on stand attributes and climate moisture index. Forest inventory data from approximately 1978 and 1990 were used to produce a large sample of 6837 points (a statistical unit meaning a stand or a part of a stand). A subset of this sample where only pure or nearly pure aspen stands 60 years old or greater and whose height in the first inventory was greater than 6-12m were selected for analysis. The stand attributes height, age, density and the presence or absence of regeneration were compared between the two inventories to find possible successional pathways and identify the phenomena of concern. These stands attributes, along with a climate moisture index, forest cover type and the number of years between inventories, were used as covariates in logistic regression models to predict the aspen collapse and dieback. Our findings confirm the occurrence of aspen dieback and collapse: in a final sample of 1756 points, 171 are classified as having undergone dieback and collapse after 17 years, or approximately 9.73% of our final sample. The annual rate of joint collapse and dieback is 0.59%, while for dieback only it is 0.15%. Age, presence or absence of regeneration and the interaction of climate moisture index and age increase the probability of collapse and dieback. Stand density and climate negatively influence the two phenomena. A landscape level random effect with a variance of 0.83 (showing the importance of random effect influence) versus a residual variance of 0.92 was observed in the mixed models analysis. Stand age and density remain the best predictors of these two phenomena.

La forte concurrence sur le marché du bois de construction exige de la part des industriels de produire des matériaux très performants et à faible coût. Un nouveau produit se doit donc d’être encore plus performant et moins coûteux que les produits déjà établis sur le marché. On peut contrôler le facteur « coût » s’il est possible de se servir d’essences sous-utilisées et d’accéder à des usines existantes auxquelles il faudrait apporter peu de changements dans les procédés de fabrication. On peut contrôler le facteur « performance » en évaluant les différents paramètres qui déterminent les propriétés mécaniques et physiques du produit. Dans le cas des bois d’ingénierie destinés à la charpente, par exemple, voici quelques-uns des facteurs considérés : l’essence, la géométrie des lamelles et leur alignement, les adhésifs utilisés, ainsi que tous les paramètres de pressage. L’objectif de cette étude consiste à développer un produit composite structural à base de bois de haute résistance de type « oriented strand lumber » (OSL), fabriqué par collage de lamelles de bois sous pression. À cette fin, on a développé une stratégie de fabrication d’une poutre composite en utilisant des panneaux de lamelles orientées fabriqués à partir des essences disponibles dans l’Est du Canada. On a déterminé un procédé de pressage qui permet d’obtenir des profils de densité comparables pour le peuplier faux-tremble et le bouleau à papier. On a étudié les effets de l’essence, de la teneur en adhésif, de la longueur et de l’épaisseur des lamelles, ainsi que les effets de la surface spécifique et du coefficient d’élancement. En général, en respectant les mêmes paramètres de production, la performance des panneaux de peuplier est supérieure à celle des panneaux de bouleau. Une teneur en adhésif plus élevée améliore la cohésion interne, mais n’affecte pas les propriétés en flexion. On a également observé qu’une augmentation de la longueur des lamelles augmente les propriétés en flexion et qu’une diminution de l’épaisseur produit le même effet. En conséquence, les panneaux de peuplier faux-tremble avec des lamelles longues et minces pour une résistance à la flexion de 66,3 MPa et une rigidité en flexion sur rive de 13,5 GPa en flexion sur rive offrent la meilleure performance. En ce qui a trait à la surface spécifique, on a établi que l’usage des lamelles avec une surface spécifique similaire permet d’obtenir une performance en flexion comparable pour les deux essences. Le même coefficient d’élancement pour la même essence donne des résultats en flexion comparables ainsi qu’une augmentation du coefficient d’élancement, c’est-à-dire l’usage de lamelles plus longues ou de lamelles plus minces, améliore la performance. Finalement, on a fabriqué des poutres composites à partir de panneaux fabriqués selon les résultats des étapes précédentes et d’autres poutres à partir de panneaux de lamelles orientées (OSB) industriels utilisés pour l’âme des poutrelles en I . La performance en flexion sur rive des poutres laminées d’OSL a été supérieure à celle des poutres laminées d’OSB. La résistance en flexion moyenne d’OSL de peuplier et de bouleau, ajustée à une hauteur de 120 mm, a été estimée à 45,8 MPa et 51,4 MPa, respectivement. La comparaison avec TimberStrand® LSL (bois de lamelles stratifiées) et Solid Start® LSL, a démontré que les propriétés mécaniques du nouveau produit sont concurrentielles. / Intense competition on the construction material market forces the engineered wood product (EWP) industry to produce high-performance materials at low cost. Any new product must not only outperform established products, it must also be more cost efficient. Costs can be kept under control by making minor changes to the manufacturing process in existing mills and by exploiting currently under-utilized species. Performance can be controlled by manipulating different manufacturing parameters that influence the mechanical and physical properties of the final product. For engineered wood products, these factors include species, strand geometry and alignment, resin, and pressing parameters. The objective of this research was to develop a new oriented strand lumber (OSL) type EWP. To achieve this, a concept was developed for a laminated beam, using oriented strand panels made from species currently available in Eastern Canada. A pressing procedure was determined to obtain similar density profiles for aspen and paper birch. The influence of species, resin content, strand geometry, specific surface, and slenderness ratio were studied. Generally, aspen panels outperformed birch panels when using the same production parameters. A higher resin content increased the internal bond, but did not affect the bending properties. Bending properties could be improved by using longer or thinner strands. The best bending properties were therefore observed for panels made from long, thin aspen strands, with an average bending strength (MOR) of 66.3 MPa and a bending stiffness (MOE) of 13.5 GPa. It was shown that a comparable bending performance for both species could be achieved by using strands with a similar specific surface. Within a given species, maintaining the same slenderness ratio resulted in comparable bending properties, while increasing the slenderness ratio—i.e., using longer or thinner strands—improved performance. Based on these results, laminated OSL beams were produced using long, thin aspen and birch strand panels. In addition, laminated OSB beams were produced from commercial web-stock material. Small scale 3-ply OSL and 4-ply OSB beams were tested in edgewise bending, with OSL yielding superior results. The average MOR and shear corrected MOE values obtained for aspen OSL (52.0 MPa and 9.9 GPa respectively) and birch OSL (58.4 MPa and 10.6 GPa respectively) put both prototypes comfortably within the range required to compete with similar engineered wood products.

Chez les végétaux, la défense innée est un mécanisme de protection sophistiqué qui assure la survie de l'organisme face aux stress biotiques. Ce processus comprend la perception de l'agent pathogène, sa reconnaissance, la transmission du signal, l'intégration de celui-ci et finalement la production d'une réponse adéquate. Il existe plusieurs voies de signalisation permettant la transduction du signal vers les cibles intracellulaires. Au cours de mes travaux de doctorat, j'ai étudié les cascades de MAPKs (Mitogen Activated Protein Kinases), qui sont des voies de signalisation assurant le relais vers la génération de processus physiologiques appropriés. Les cascades des MAPKs sont généralement composées de trois MAPKs (MAPKKK, MAPKK et MAPK). Ces trois kinases s'activent de façon séquentielle après la perception d'un changement environnemental intrinsèque ou extrinsèque à la cellule végétale. La cascade des MAPKs est hautement conservée chez tous les eucaryotes où elle régule divers processus, dont la réponse aux différents stress biotiques. Grâce à la disponibilité de la séquence assemblée et annotée du génome de Populus trichocarpa, 11 PtiMKKs et 21 PtiMPKs ont été répertoriées. Une analyse comparée (avec Oryzae sativa et Arabidopsis thaliana) de l'organisation génomique et de la structure de ces gènes a été faite et une nouvelle nomenclature a été proposée. Par la suite, la quantification des transcrits de toutes les PtiMKKs et PtiMPKs a été réalisée dans 17 tissus et organes de peuplier et lors de l'interaction peuplier-rouille. Des feuilles de Populus nigra x P. maximowiczii (NM6) ont été inoculées avec deux espèces de rouille, soit Melampsora medusae f. sp. deltoidae (Mmd) et Melampsora larici-populina (Mlp). Chez le peuplier, Mmd engendre une réponse intermédiaire caractérisée par une faible croissance de cet agent pathogène. Mlp provoque pour sa part une réponse de susceptibilité complète permettant sa croissance sur les feuilles de peuplier. Le patron de variation transcriptomique de certaines PtiMKKs et PtiMPKs est en général comparable à ce qui est observé chez d'autres espèces végétales. Nos résultats mettent en évidence le rôle potentiel d'un groupe de MAPKs dans l'interaction rouille-peuplier. De plus, certains paralogues dupliqués chez ces deux familles de gènes montrent des profils d'expression différents. Finalement, nous avons identifié, par double-hybride, l'aliène oxyde synthase comme cible potentielle de la PriMPK3-l. L'allène oxyde synthase est une enzyme clé de la voie de biosynthèse de l'acide jasmonique. Ces travaux suggèrent une implication possible de cette phytohormone dans l'interaction rouille-peuplier étudiée.

Ce travail de recherche avait un double objectif. D’abord, optimiser la proportion et la granulométrie (forme, dimensions, distribution) des particules d’écorce non extraite et extraite pour la production de panneaux de particules dont les propriétés physiques et mécaniques respectent les exigences des normes en vigueur. Ensuite, mettre en évidence les effets du traitement à l’eau chaude des écorces sur le système constitué des particules d’écorce et de l’adhésif utilisé (phénol-formaldéhyde) afin de déterminer son impact sur les propriétés physiques et mécaniques des panneaux. Les écorces fraîches d’épinette noire (Picea mariana (Mill.)) et de peuplier faux-tremble (Populus tremuloides (Michx.)) provenant d’écorceuses d’usines de transformation du bois ont été collectées, traitées (extraites) à l’eau chaude ou non, séchées et broyées. Les particules obtenues ont été tamisées et séparées en quatre classes de granulométrie : une pour les couches couvrantes (0,2-1,5 mm), et trois autres (fine : 1,5-2,6 mm ; moyenne : 2,6-5,0 mm et grossière : 5,0-7,0 mm) pour les couches médianes. Ces particules d’écorce ont été utilisées seules ou mélangées à des particules de bois obtenues d’usines de panneaux pour fabriquer des panneaux de particules de masse volumique cible 800 kg/m3 et contenant 50 et 100% d’écorce. Les propriétés physiques et mécaniques des panneaux fabriqués comme le module d’élasticité (MOE), le module de rupture (MOR), la cohésion interne (CI), la dureté Janka (DJ), le gonflement en épaisseur (GE) et la dilatation linéaire (DL) ont été déterminées et comparées d’une part entre elles et d’autre part à celles de panneaux témoins constitués de 100% de particules de bois. D’après les résultats, les propriétés mécaniques des panneaux de particules diminuent avec l’augmentation de la proportion d’écorce non extraite et extraite d’épinette noire et de peuplier faux-tremble. Parallèlement, il y a une augmentation légère du GE et substantielle de la DL. L’influence de la granulométrie des particules sur les panneaux a été davantage observée au niveau de la cohésion interne. Ainsi, la cohésion interne des panneaux contenant 50% d’écorce diminue lorsque la taille des particules d’écorce augmente. Pour les autres propriétés, ce facteur est observé surtout dans le cas des panneaux à 100% d’écorce. Les panneaux de particules ayant 50% d’écorce d’épinette noire ont obtenu les valeurs les plus élevées de MOE, MOR, CI et les moins élevées de DL. Ces valeurs étaient respectivement 12, 37, 54% moins élevées et 45% plus élevées que celles des panneaux témoins. Les panneaux d’écorce de peuplier faux-tremble ont obtenu les valeurs de gonflement en épaisseur les moins élevées. Tous les panneaux comportant 50% d’écorce non extraite d’épinette noire et de peuplier faux-tremble ont respecté les exigences de la norme ANSI A208.1-1999 pour les panneaux de particules à moyenne densité à usage commercial (M-1) et de sous-plancher (PBU) en ce qui concerne le MOE, MOR, CI et DJ. Le traitement (ou l’extraction) à l’eau chaude des écorces a affecté leurs propriétés physico-chimiques en diminuant leur mouillabilité, leur acidité et la quantité de polyphénols susceptibles de réagir avec le formaldéhyde. On a observé une détérioration des propriétés physiques et mécaniques des panneaux de particules fabriqués avec les écorces extraites à l’exception de la dureté. / This study aims at optimizing bark content and particle geometry in order to produce bark particleboards that can meet the usual performances required by the standard. Specific objectives were 1) to determine the effects of unextracted and extracted bark content, and particle geometry (shape, size and distribution) on the physical and mechanical properties of particleboard made from black spruce and trembling aspen bark; 2) to highlight the effects of hot water treatment of bark on the bark particles/PF adhesive system as well as its impact on the physical and mechanical properties of particleboard made from black spruce and trembling aspen bark. Fresh black spruce (Picea mariana (Mill.)) and trembling aspen (Populus tremuloides (Michx.)) bark was collected from the debarking units of wood processing plants, treated (extracted) with hot water or not, dried, crushed in a hammer mill and sieved in four groups. The first group with particle size of 0.2-1.5 mm was used for the surface layer. The three other groups called fine, medium and coarse of particle size 1.5-2.6 mm, 2.6-5.0 mm and 5.0-7.0 mm. Wood particles were added to the bark particles to produce mixed wood bark particleboards. Particleboards of different bark content (50 and 100%), with a target density of 800 kg/m3 were manufactured and their mechanical and physical properties including the modulus of elasticity (MOE), modulus of rupture (MOR), internal bond (IB), Janka hardness (HJ), thickness swelling (TS), and linear expansion (LE) investigated and compared to a control made of 100% wood particles. The results showed that, while the mechanical properties of the particleboard made from black spruce and trembling aspen bark decreased with increasing bark content, the linear expansion (LE) increased and the thickness swelling (TS) increased slightly. The effect of particle size was observed mostly on the internal bond (IB). In spite of the low effective bark ratio of the coarse particles, the IB of the boards often decreased with increasing bark particle size. For the other properties, the boards made of 100% bark seem to be more affected by the particle geometry than those made of 50% bark. Particleboard made from 50% black spruce bark showed the highest MOE, MOR, IB and the lowest LE with values 12, 37, 54% lower and 45% higher than the control, respectively. Particleboard made from trembling aspen bark showed the lowest TS. The MOE, MOR, IB and HJ of boards made from 50% unextracted black spruce and trembling aspen bark met the requirements for commercial (M-1) and underlayment (PBU) panels of the ANSI A208.1-1999 standard. Hot water treatment affects the physical and chemical properties of the bark by decreasing the hydrophilic properties, the acidity and the amount of condensable polyphenols able to react with formaldehyde. A detrimental effect was noticed on all the physical and mechanical properties of particleboards made from extracted bark except for the Janka hardness where no significant decrease was found.

Le bois est un matériau renouvelable et une source d'énergie importante dont les caractéristiques physiques et chimiques sont largement définies durant sa formation et plus spécifiquement à l'étape de déposition de la paroi cellulaire secondaire (DPCS). Comprendre les déterminants moléculaires régissant la DPCS améliorera nos connaissances de ce processus biologique et les stratégies d'amélioration génétique du bois. Les études d'associations génétiques ont identifié de nombreux gènes impliqués dans l'étape de DPCS chez l'espèce modèle d'arbre Populus trichocarpa. Ces études n'ont pas permis d'expliquer la plupart de l'héritabilité observé pour des traits phénotypiques en utilisant seulement les variations génétiques communes. Les variations génétiques rares caractérisées par leurs faibles fréquences dans les populations sont prometteuses pour expliquer une plus grande part de l'héritabilité manquante, surtout les variants avec un effet perturbateur sur les produits géniques. Le premier chapitre de cette thèse examine la littérature scientifique sur les dernières innovations technologiques et méthodologiques basée sur la génomique qui sont utilisées pour étudier les aspects moléculaires de la formation du bois. Les avancées dans les technologies de séquençage et l'assemblage de nouveaux génomes végétaux ont permis d'élargir la gamme d'organismes disponible pour l'étude de la formation du bois. L'étude des ARN non codants et des interactions épigénétiques est devenue une partie importante de la recherche sur la régulation de l'expression des gènes impliqués dans la formation du bois. La génétique des systèmes couplée à la théorie des réseaux a été utilisée pour intégrer plusieurs couches de données moléculaires afin d'étudier la formation du bois en tant que processus biologique complexe. En termes d'amélioration du bois, la sélection basée sur la génomique a produit des résultats prometteurs par rapport aux approches de sélection traditionnelles. Les technologies de criblage à haut débit et le reséquençage rentable de génomes complets permettent désormais d'identifier les variants génétiques rares dans une population. Cependant, ces variants rares doivent être identifiées avec confiance car ils peuvent facilement être confondus avec des erreurs de séquençage. Dans le deuxième chapitre, le reséquençage de génomes entiers de P. trichocarpa a été utilisé pour identifier les petites variations génétiques rares et communes présentes chez un grand nombre d'individu. Les variations génétiques caractérisées par deux logiciels d'identification de variants ont été comparées et strictement filtrées en fonction de leur qualité. Nous avons trouvé une grande diversité génomique chez P. trichocarpa, avec 8,5 millions de petites variations génétiques. Fait important, 377 000 variations non-synonymes (5 % du total) ont été découvertes. L'importance de la diversité génomique et le potentiel des variations génétiques défectueuses rares pour expliquer une part importante de la variabilité phénotypique de P. trichocarpa sont mis en évidence. Les variations perturbatrices de l'ADN codant peuvent mener à des produits géniques défectueux et être utilisées en sélection moléculaire. Dans le troisième chapitre, 58 variations génétiques perturbatrices ont été identifiées dans les gènes de DPCS chez P. trichocarpa. Des données transcriptomiques ont ensuite été utilisées pour examiner les patrons d'expression de ces gènes. Une différence d'expression significative a été observée entre les individus avec et sans variants perturbateurs pour 13% des transcrits de gènes dans lesquels des variants perturbateurs ont été trouvés. Chez les individus hétérozygotes, l'expression spécifique de l'allèle correspondant aux variants perturbateurs et à l'allèle de référence était significativement différente pour la moitié de nos observations et variait significativement entre génotypes, clones et environnements. Le potentiel de deux variants perturbateurs dans deux gènes d'hémicellulose a été évalué pour l'amélioration du bois. Ces résultats révèlent une régulation complexe de l'expression des gènes de DPCS possédant des variations perturbatrices et soulignent l'importance des influences environnementales sur l'expression des transcrits. Cette thèse démontre l'importance de la conception des études génomiques pour l'identification des variants génétiques rares. La régulation complexe de l'expression des gènes de DPCS associée à la présence de variants perturbateurs a aussi été mise en évidence. Récemment, le domaine de la génomique du bois a connu une évolution vers une approche de plus en plus holistique pour déchiffrer la formation du bois en tant que processus biologique complexe. Les connaissances qui en résulteront amélioreront davantage nos connaissances sur les déterminants moléculaires de la formation du bois et renforceront l'efficacité des stratégies d'amélioration des arbres. / Wood is an important renewable material and energy source whose physical and chemical characteristics are mainly determined during its formation, and specifically the secondary cell wall deposition (SCWD) step. Understanding the molecular determinants of the SCWD process is thus important to improve knowledge of this biological process and wood improvement strategies. Genomics studies in the form of genetic association studies identified many genes involved in the SCWD step in the tree model species Populus trichocarpa but failed to explain most of the observed heritability in phenotypic traits using common genetic variation only. Rare genetic variants characterized by their low frequency in populations hold potential to explain more of the missing heritability, especially those variants with a disruptive effect on gene products. The first chapter of this thesis review the research literature on the latest genomics-based technological and methodological innovations used to study the molecular aspects of wood formation. Summary of these advancements highlight how breakthroughs in sequencing technologies and the availability of additional assembled and functionally annotated plant genomes have broadened the scope of organisms for investigating the distinct wood formation patterns among seed plants. The study of non-coding RNAs and epigenetic interactions has become an important part of the research on the expression regulation of genes implicated in wood formation. Systems genetics coupled with network graph theory have been used to integrate multiple layers of molecular data to study wood formation as a complex biological process. In terms of wood improvement, genomics-enabled breeding has produced similar or even better results compared to traditional selection approaches. High-throughput technologies and cost-efficient resequencing of complete genomes have enabled the identification of every genetic variation along genomes, and it is now possible to identify rare genetic variants in a population sample. Rare genetic variants, however, must be identified with high confidence, as they can easily be confounded with sequencing errors. In the second chapter, whole genome resequencing of Populus trichocarpa were used to identify rare and common small genetic variants across individual genomes. The genetic variations identified by two variant calling software were compared and filtered using strict quality criteria. Based on the variants identified by both variant callers, we found high genomic diversity in P. trichocarpa germplasm, with 8.5 million small genetic variants. Importantly, 377k non-synonymous variants (5% of the total) were uncovered. The importance of genomic diversity and the potential of rare defective genetic variants in explaining a significant portion of P. trichocarpa's phenotypic variability in association genetics are highlighted. Disruptive variants within coding DNA predictably leads to defective gene products and may be targets for molecular breeding. In the third chapter, 58 disruptive genetic variants were identified in P. trichcocarpa's SCWD genes, using the genetic variants recovered in Chapter 2. Two transcriptomic datasets were then used to examine the expression patterns of these genes. Transcript expression differed significantly between individuals with disruptive variants and those without in 13% of gene transcripts in which disruptive variants were found. In heterozygous individuals, the allele-specific expression of disruptive variants and the reference allele was significantly different in approximately half of our observations and varied significantly between genotypes, clonemates and environments. The potential of two disruptive variants in two hemicellulose genes, GUX and GT8D2, was also evaluated for wood improvement. Overall, these results show complex expression regulation of SCWD genes with disruptive variants and highlight the importance of environmental influences on transcript expression. This thesis demonstrates the importance of study design for the proper identification of rare genetic variants. In addition, the complex regulation of SCWD gene expression associated with the presence of disruptive variants have been highlighted. Over the past five years, the field of wood genomics has seen a shift to an increasingly holistic approach to help decipher wood formation as a complex biological process. The resulting knowledge will further improve our knowledge about the molecular determinants of wood formation and enhance the efficiency of tree breeding strategies.