Pour étudier le rôle de la mitochondrie dans la tolérance à la sécheresse, la réponse à la contrainte hydrique a été comparée entre une lignée sauvage (WT) et un mutant CMSII (Cytoplasmic Male Sterile) de Nicotiana sylvestris. Chez le mutant CMSII, le complexe I mitochondrial est absent et la respiration est assurée par les NAD(P)H déshydrogénases alternes et elle est maintenue à un niveau supérieur de l’ordre de 20 à 30% à celui du WT. La différence observée entre les plantes WT et CMSII met en jeu non seulement le fonctionnement mitochondrial, mais également le fonctionnement des chloroplastes. En effet, l’activité photosynthétique du mutant est plus faible que celui du WT et elle est corrélée avec une plus faible conductance stomatique (gs) et mésophyllienne (gm).Après l’arrêt de l’arrosage, on observe que le contenu relatif en eau (RWC) diminue plus lentement chez les feuilles du CMSII. Ceci n’était pas le résultat d’une plus petite surface de transpiration ou d’une masse racinaire d’absorption plus élevé puisque le rapport partie aérienne/racine et la surface foliaire totale ont été similaires au début de l’expérience chez les deux génotypes. De plus la mutation n’a pas induit des changements au niveau des paramètres hydriques (P0, PTLP, RWCTLP) ni au niveau de la densité stomatique. La tolérance des plantes CMSII a été le plus probablement la conséquence de sa plus faible transpiration en conditions bien hydratées et aux premiers jours de déshydratation et non pas d’une meilleure efficacité d’absorption de l’eau puisque le contenu en eau du sol reste plus élevé chez CMSII après l’arrêt de l’arrosage. La plus faible conductance stomatique chez le CMSII bien hydraté a été expliquée par sa plus faible conductance hydraulique. De plus, contrairement au WT, le niveau des acides aminés totaux diminue au cours de la déshydratation lorsque le contenu en protéines solubles augmente chez les feuilles du CMSII, suggérant une accélération de la remobilisation des acides aminés. D’autre part, il a été aussi montré que le mutant CMSII est capable de s’acclimater mieux à la sécheresse que le WT lorsqu’ils ont été maintenus à un RWC de 80 % sur plusieurs jours. Sous ces conditions, la photosynthèse reste plus élevée chez le mutant que chez le WT. Cette meilleure acclimatation corrèle avec une plus forte photorespiration du CMSII sous conditions bien hydratées et sous conditions d’acclimatation. La photorespiration chez CMSII et le WT a été estimée par le transport électronique dévolu à l’oxygénation de RuBP et en plus par l’accumulation des métabolites impliqués dans la photorespiration. D’une part, l’acclimatation à la sécheresse diminue gm plus fortement chez le WT que chez le CMSII. D’autre part, le WT accumule la glycine ce qui laisse supposer que le glycine décarboxylase mitochondrial est plus affectée chez le WT que chez le CMS et inhibe ainsi la photorespiration. En effet, cette plus faible photorespiration chez le WT affecte les réactions primaires de la photosynthèse par une accumulation d’un gradient de protons estimé par le quenching non-photochimique (NPQ) de la fluorescence chlorophyllienne ce qui induit une diminution du transport électronique des réactions primaires de la photosynthèse. / To investigate the role of mitochondria in drought stress, the response to water deprivation was compared between Nicotiana sylvestris wild type (WT) plants and the CMSII respiratory complex I mutant. In CMSII, alternative NAD(P)H-dehydrogenases bypassing complex 1 allow respiration.. The difference of mitochondrial function between WT and CMSII plants affect also photosynthesis. The CMSII has lower photosynthetic actitvity than the WT and lower stomatal (gs) and internal (gm) conductances to CO2. When watering of plants with similar leaf surface and similar shoot/root ratio was stopped the relative water content (RWC) declined faster in WT as compared to CMSII leaves. Furthermore, CMSII and WT leaves had the same osmotic potential at leaf saturation (P0) and at leaf turgor lost pressure (PTLP) and the same stomatal density. The slower decline of RWC in CMSII, compared to WT leaves, was most likely the consequence of the lower stomatal conductance (gs) under well-watered conditions and during the first days after withholding watering, The lower stomatal conductance of well-watered CMSII leaves correlated with a lower hydraulic conductance of leaves. Remarkably, total free amino acid levels declined and total soluble protein content increased in CMSII leaves, while the opposite was observed in WT leaves. This suggests protein synthesis in CMSII but protein degradation in WT leaves during drought stress. We also show that CMSII leaves better acclimate to drought stress than the WT leaves. After several days at 80 % RWC , photosynthesis is higher in the mutant than in WT. As compared to the WT, the mutant shows higher rates of photorespiration before and after acclimation to drought.The strong accumulation of glycine in the WT suggests that photorespiration may be limited at the level of glycine decarboxylase. In addition, after acclimation to drought gm declined markedly in WT but not in CMSII leaves, thus further limiting CO2 supply for photosynthesis in the WT. The resulting lower photosynthesis and photorespiration in WT leaves affect also the primary reaction of photosynthesis by increasing the non-photochemical fluorescence quenching (NPQ) and decreasing linear electron transport.

Les objectifs de ce travail étaient d’approfondir les connaissances sur les capacités d’adaptation des diatomées à différentes concentrations de CO2 et plus précisément sur l’implication des CCM dans l’assimilation du carbone minéral dissous. Des études sur la physiologie, les enzymes de différentes voies métaboliques et des analyses de transcriptomique et de protéomique ont été réalisées. Nous avons observé que les espèces de diatomées étudiées étaient capables de réguler leurs systèmes de concentration du carbone minéral suivant les conditions environnementales. Certaines semblent utiliser préférentiellement le CO2 ou le bicarbonate tandis que d’autres espèces utilisent les deux. L’activité des anhydrases carbonique est fortement induite en faible concentration de CO2. Nos travaux montrent cependant, que l’activité de cette enzyme est variable d’une espèce à l’autre. Nous avons aussi observé que dans la majorité des diatomées que nous avons étudiées, la photosynthèse de type C3 et non de type C4 est présente, apportant ainsi un éclairage à une véritable controverse sur le métabolisme du carbone chez les diatomées. Nos travaux soulignent de plus, une grande diversité de stratégies de CCM chez les diatomées. Chez T. pseudonana, une nouvelle protéine, LCIP63, a été observée en conditions de faible concentration de CO2. Son rôle physiologique est actuellement inconnu ouvrant de nouvelles perspectives de recherche. / The objectives of this work were to improve the knowledge on ability of diatoms to scope with different CO2 concentrations and to study their carbon concentrating mechanisms (CCM). Studies of their physiology, their metabolic enzymes, and analyses at transcriptomic and proteomic levels were performed. In all studied diatoms, the CCMs can be regulated according to CO2 availability in the environment. Some diatoms seem to use preferentially CO2, others, bicarbonate and some can use both. The carbonic anhydrase (CA) activity is strongly induced when cells were grown at low vs high CO2. However, our work shows that CA activity is highly variable among the different diatoms. Most of the studied diatoms perform a C3 photosynthesis and not C4 photosynthesis. In diatoms, there is a huge diversity in the CCM strategy. A new protein, LCIP63, was observed when T. pseudonana was grown under low CO2. The physiological role of this protein is yet unknown and this finding opens new research perspectives.

Le mutant immutans d'Arabidopsis présente un phénotype panaché et accumule du phytoène, précurseur des caroténoïdes.<br />Le gène IMMUTANS code une protéine plastidiale, homologue à l'oxydase alterne mitochondriale, et loacalisée dans les lamelles stromatiques du thylacoïde et dans les membranes achlorophylliques des chromoplastes. Son expression chez E. coli permet l'établissement d'un transport d'électrons résisatn au KCN et inhibé par le n-PG.<br />Cette protéine apparait être une oxydase terminale plastidiale (PTOX), dont l'activité dépend de la présence de PQ et de fer.<br />PTOX semblerait églaement être l'oxydase terminale de la chlororespiration; exprimée chez le tabac, elle accélère la ré-oxydation non photochimique des PQ, et entraine un flux d'électrons vers l'O2, évitant ainsi la sur-réduction des PQ. La forte expression de PTOX chez le plante d'altitude Ranunculus glacialis pourrait indiquer un role particulièrement actif de PTOX dans les mécanismes de résistance à la photoinhibition.

Chez les plantes supérieures, les membranes thylacoïdiennes des chloroplastes contiennent des protéines de type respiratoire, un complexe NADH déshydrogénase (Ndh) homologue au complexe I bactérien et une oxydase (PTOX) homologue à l'oxydase alternative des mitochondries. Dans le but d'élucider la fonction du complexe Ndh, le gène chloroplastique ndhB a été inactivé par transformation chloroplastique du tabac. Chez les plantes transplastomiques obtenues, des mesures de fluorescence de la chlorophylle ont permis de démontrer que ce complexe est impliqué dans la réduction non photochimique du pool de plastoquinones (PQ). Chez les mutants dépourvus de complexe Ndh, un retard de croissance ainsi qu'une altération des capacités photosynthétiques ont été observés dans des conditions où la photorespiration est stimulée par une limitation de la disponibilité en CO2 (par exemple un déficit hydrique modéré). En étudiant les effets de l'antimycine A, un inhibiteur du transfert cyclique des électrons autour du PS I, sur l'activité photosynthétique de ces plantes, nous avons conclu que le complexe Ndh est impliqué dans une voie de transfert cyclique et participe à la fourniture en ATP nécessaire à la fixation de CO2 quand la demande est forte. <br />Afin de déterminer le rôle de PTOX, nous avons généré des plantes de tabac surexprimant cette protéine. Des mesures de fluorescence de la chlorophylle nous ont permis de démontrer l'implication de PTOX dans l'oxydation non photochimique du pool de PQ. Nous avons conclu que le complexe Ndh et PTOX, tous deux localisés dans les thylacoïdes lamellaires, constituent avec le pool de plastoquinones les éléments d'une chaîne de transfert d'électrons de type chlororespiratoire. Nous avons proposé un mécanisme par lequel l'activité du transfert cyclique des électrons autour du PS I serait régulée par l'activité de la chlororespiration, à travers un contrôle fin du niveau rédox de certains transporteurs de la chaîne de transfert d'électrons.

L'activité photosynthétique foliaire est fonction de la disponibilité en CO2 au niveau de la Rubisco dans le chloroplaste. La disponibilité en CO2 est déterminée par une série de limitations au transfert du CO2 entre l'air ambiant et les sites enzymatiques de la Rubisco, qui sont à l'origine d'un gradient de concentration. La limitation à la diffusion du CO2 dans le mésophylle, d'abord dans le réseau des espaces gazeux intercellulaires puis dans la cellule, contribue de manière très significative à ce gradient. Cette limitation est quantifiée sous la forme d'une conductance au transfert du CO2 : la conductance interne (gi). Ce travail de thèse a été consacré à l'étude de la diffusion du CO2 dans le mésophylle des plantes ayant un métabolisme photosynthétique de type C3. Nous avons tout d'abord amélioré l'estimation de gi grâce une méthode d'analyse simultanée des échanges gazeux et de la fluorescence chlorophyllienne. Nous avons ensuite analysé les deux composantes déterminant gi : la limitation dans les espaces gazeux intercellulaires du mésophylle, et la limitation en phase liquide cellulaire. Nous montrons, grâce à une approche originale d'estimation de gi dans une atmosphère à base d'hélium, chez le peuplier, le rosier, le chêne vert et le laurier rose, que la totalité de gi est déterminée par la limitation en phase liquide cellulaire. Enfin, nous avons étudié la variabilité interspécifique et phénotypique de gi. Nous confirmons l'existence d'une corrélation entre gi et l'assimilation maximale pour les différentes espèces étudiées (espèces citées ci-dessus, et chez le noyer et le lamier), et nous montrons que la présumée distinction entre ligneux présentant une faible gi et herbacées présentant une forte gi n'est pas pertinente. Nous montrons également que chez le noyer, une réponse de gi accompagne l'acclimatation foliaire à l'environnement lumineux, et proposons une paramétrisation de gi pour modéliser la photosynthèse.

Algues et champignons ont formés par association symbiotique les lichens qui, de par leur amplitude écologique, ont pu coloniser tous les milieux. Nous proposons d'appeler " hydrophiles ", les lichens soumis à des périodes d'immersion par les eaux d'un cours d'eau Les compositions floristiques des communautés lichéniques hydrophiles ont été définies par leur durée annuelle d'immersion. Les groupements subhydrophiles sont immergés pendant moins de trois mois, les groupements mésohydrophiles pendant plus de trois mois et moins dix mois et enfin les groupements hyperhydrophiles sont immergés plus de dix mois de l'année. Sur la base de trois cent relevés effectués par la méthode de prélèvement intégral, un schéma phytosociologique a été construit. Les lichens présents aux différents niveaux de noyage et d'altitude des cours d'eau forment une classe au sein de laquelle sont identifiés les trois ordres phytosociologiques caractérisés par la durée annuelle d'immersion. Dans chacun de ces ordres, deux alliances sont définies par l'étage bioclimatique. Pour chacune de ces six alliances, des associations de plusieurs lichens existent et sont définies par leurs caractéristiques biotiques. Du fait de leur fréquence dans un niveau d'immersion et de l'importance de leur recouvrement, quatre lichens " modèles " ont été retenus (une espèce aérienne et trois hydrophyles). Pour la première fois concernant des lichens hydrophiles, les flux de CO2 et d'O2 ont été quantifiés sous différents éclairements, en milieux aquatique et aérien. Les pigments photosynthétiques ainsi que l'ergostérol ont été estimés ; la réponse du potentiel photochimique ( PSII) au taux d'hydratation a été caractérisée. L'activité photosynthétique et respiratoire des lichens hydrophiles est comparable à celle de la littérature pour les lichens aériens. Les lichens hydrophiles démontrent des cinétiques rapides d'hydratation-déshydratation lors des transitions immersion-exondation.  PSII s'avère très sensible à ces transitions. Pour toutes les fonctions étudiées, des différences significatives apparaissent entre les lichens hyper et subhydrophile alors que les lichens mesohydrophiles se comportent de façon intermédiaire. Nos résultats constituent la première caractérisation écologique et fonctionnelle des lichens hydrophiles. Ils pourront certainement être exploités et développés pour permettre une meilleure compréhension du rôle des lichens dans la colonisation des terres émergées par les phanérogames.

Depuis les dernières décennies, l'hydroélectricité est devenue une source majeure d'électricité pour le Québec, tout en représentant une source importante d'exportation d'énergie pour cette province canadienne. Malgré le fait qu'il est de plus en plus évident que toutes les formes d'électricité ont des répercussions environnementales, les impacts cumulatifs des grands barrages hydroélectriques du nord ne sont pas bien étudiés. Il y a encore de grandes questions à aborder, particulièrement concernant les effets cumulatifs et à long terme sur les écosystèmes estuariens. Les rivières Romaine et Sainte-Marguerite se situent sur la côte-nord du Québec, et tandis que la rivière Sainte-Marguerite est déjà harnachée, des barrages sur la rivière Romaine sont présentement en construction. Les deux rivières coulent directement dans le golfe du Saint-Laurent, un écosystème marin ayant une diversité animale et végétale importante. En utilisant deux approches différentes, les études de laboratoires et les images satellites, l'objectif de cette étude était de déterminer les impacts des barrages hydroélectriques sur les écosystèmes marins. Au laboratoire, notre but était de déterminer comment le taux de croissance et la photosynthèse de deux espèces de phytoplancton d'eau douce retrouvées dans l'estuaire de la rivière Romaine sont affectés par les changements de salinité et de température. Avec l'aide d'images satellites provenant du Landsat-TM5 bande 6 et les images SeaWiFS, il a été possible d'approfondir nos connaissances quant aux changements entraînés sur l'estuaire par le barrage de la rivière Sainte-Marguerite, avant et après la mise en eau en 1998. Le taux de croissance et la photosynthèse d'Ankistrodesmus falcatus et Fragilaria crotonensis ont été affectés par une augmentation de salinité. Le taux de croissance a diminué linéairement avec l'augmentation de la salinité et une diminution significative du rendement photochimique (Φ’M) a été observé en fonction de ce dernier. La température de l'eau a aussi affecté le taux de croissance ainsi que la photosynthèse, et une interaction a été notée entre la salinité et la température. Ces résultats ont été corroborés avec les images satellites. Dans le cas de la rivière Sainte-Marguerite, nous avons déterminé que la superficie du panache diminue linéairement en fonction des débits de la rivière. En plus, il y avait une différence significative entre la biomasse de phytoplancton dans l'estuaire avant et après la construction du barrage. Les résultats suggèrent que les répercussions environnementales peuvent être importantes parce que les débits d'eau douce qui arrivent dans le golf du Saint-Laurent ont déjà diminué à cause des barrages hydroélectriques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : photosynthèse, salinité, température, fluorescence, estuaires, A. falcatus, F. crotonensis, rivière Sainte-Marguerite, rivière Romaine, hydroélectricité, Landsat-TM5, SeaWiFS, production primaire

Le but principal de cette thèse était de réaliser une simulation du climat du 21e siècle, en tenant compte non seulement des émissions de gaz à effet de serre et d'aérosols produites par l'activité humaine, mais aussi des changements de végétation résultant du développement démographique et économique et des rétroactions climatiques. Pour réaliser cette simulation, il a été décidé d'utiliser le modèle d'impact intégré IMAGE2.2 (développé au RIVM, en Hollande) qui simule l'évolution de la concentration des gaz à effet de serre et de la végétation, et de le coupler au modèle climatique de circulation générale ARPEGE/OPA, disponible au CNRM. Avant de réaliser la simulation, des expériences de sensibilité de chacun des deux modèles au forçage produit par l'autre ont été réalisées. Finalement, la simulation couplée a montré qu'à l'échelle du siècle les interactions entre le climat et la végétation sont relativement peu importantes.

Le microphytobenthos (MPB) des latitudes tempérées est dominé par les diatomées. Deux grands groupes se distinguent, les épipéliques (mobiles) des sédiments vaseux, et les épipsammiques (fixées) des sédiments sablo-vaseux. Afin de mieux comprendre la production des vasières, le MPB a été étudié par des approches du niveau physiologique au niveau écologique. Dans un premier temps, l’étude s’est focalisée sur des expérimentations en laboratoire. La réponse des différents groupes à la lumière a montré que la forme de vie et la mobilité sont en lien étroit avec la capacité de photoprotection physiologique. Ainsi, les diatomées non-mobiles présentent une meilleure photoprotection physiologique que les diatomées mobiles qui peuvent fuir les excès de lumière. Dans une deuxième partie, le travail s’est effectué sur des échantillons ramenés en laboratoire. Des profils de migrations ont été réalisés par mesure continue de la fluorescence. Il a été établi que le MPB présente un rythme de migration interne pouvant être modulé par la lumière. De plus la qualité de la lumière modifie les profils de migration. Il est communément admis que les phases de division cellulaire se dérouleraient en profondeur. La cytométrie en flux permet de vérifier cette hypothèse. Finalement les mesures effectuées en laboratoire ont été comparées à des mesures effectuées directement sur le terrain à l’échelle de la communauté. Il a ainsi pu être vérifié que la photoprotection sous lumière fluctuante est fonction de la population. Pour les populations épipéliques, la photoprotection physiologique ne varie pas au cours des fluctuations lumineuses, laissant supposer que la migration module ces fluctuations. Les populations épipsammiques, quant à elles, modifient leur réponse physiologique en fonction des fluctuations lumineuses. / Microphytobentos (MPB) from temperate latitude is mainly composed of diatoms. Those microorganisms can be separated in two groups: the epipelic one from muddy sediments (composed of mobile diatoms) and the epipsammic one from sandy-muddy sediments (composed of diatoms living attached to their substrate). In order to investigate mudflats’ primary production, the MPB compartment was studied through diverse approaches from the physiological level to the ecological one. In the first place, laboratory experiments (in vitro experiments), focusing on light reaction of epipelic and epipsammic diatoms, showed that their life form and their mobility were strongly connected to their physiological photoprotection ability. Thereby, the motionless diatoms were characterized by higher physiological photoprotection abilities than the mobile ones, which could avoid excess of light. In the second place, the fluorescence of collected samples (in vivo experiments) was measured to acquire diatoms’ migration profiles. The results pointed out an internal and light-regulated migration pattern of the MPB and furthermore highlighted the effect of light quality on migration profiles. Besides, the commonly accepted hypothesis of deep cell division phases was tested and confirmed through flow cytometry experiments. Eventually, laboratory measurements were compared to in situ ones realized at the scale of the whole community. These comparisons revealed that diatoms photoprotection in fluctuating light depended on the targeted populations. Epipelic organisms were indeed characterized by an unvarying photoprotection, diatoms migration regulating alone the effect of light fluctuations. On the contrary, motionless epipsammic populations required a light-regulated photoprotection.

Le changement climatique entraîne un changement profond des régimes thermiques qui a des conséquences importantes sur la croissance des plantes. Toutefois, les effets des températures extrêmes ont été peu étudiés chez espèces fourragères pérennes, et ne sont pas intégrés dans les modèles actuels de prairie. Or ces modèles ont un rôle central à jouer dans le développement de stratégies d'adaptation au changement climatique. Dans ce contexte, cette thèse a cherché à approfondir la compréhension de la réponse de la luzerne et de la fétuque élevée à une large gamme de températures et à améliorer la prise en compte de ces réponses dans le modèle STICS. Un volet de travail expérimental en conditions contrôlées n'a pas permis de mettre en évidence de différences de réponses entre génotypes d'origine contrastées (tempéré/Méditerranéen) pour différents processus de croissance et de développement des deux espèces. En revanche, il est apparu des différences significatives entre les réponses normalisées de différents processus ; l'allongement des tiges en particulier se distinguant nettement des autres processus chez la luzerne. La réponse de la photosynthèse à la température a montré une forte acclimatation à la température de croissance, aussi bien pour des génotypes d'origine tempérée que méditerranéenne. Ces derniers sont apparus plus sensibles aux températures élevées du fait d'une désactivation de la RUBISCO. La modification des formalismes de réponse à la température de la croissance et du développement dans STICS (fonction non linéaire, pas de temps) a eu un fort impact sur le cumul de temps thermique pour des scénarios climatiques « futurs ». Toutefois, du fait de l'effet majoritaire d'autres stress conjoints durant les périodes de stress thermique et d'une rapide saturation du rayonnement intercepté, l'impact sur les projections de production fourragère s'est avéré limité pour les conditions testées. Au total ces résultats suggèrent que les productions fourragères pourraient être moins exposées au stress thermique que les cultures annuelles. / Due to climate change, the global average temperature is expected to rise with marked impacts on crop growth. However, extreme temperature's impacts on perennial herbaceous species have received much less attention to date than other crops and aren’t currently implemented in grassland models. Yet, grassland models have a major role to play in defining adaptation options to global warming’s impacts on agriculture. In this context, our aims were to characterise the responses to temperature of two major perennial forage species over a large range of growth temperature and to improve the temperature response formalisms in the STICS model. First, experiment conducted in growth chambers indicated that the responses of normalized developmental rates did not differ between genotypes from contrasting thermal areas (Mediterranean/temperate) within each species. On the other hand, the responses to temperature of normalised rates differed significantly between several of the physiological processes studied; in particular stem elongation rate differed from other developmental rates in alfalfa. Irrespective of cultivar origin, a remarkable acclimation of photosynthesis to growth temperature was observed. Mediterranean genotypes displayed a greater sensitivity of the maximum rate of Rubisco carboxylation to elevated temperatures. Modifications of temperature formalism in the STICS crop model (implementation of nonlinear response, hourly/daily step of response) had a significant impact on thermal time accumulation and crop development for future climate scenarios. However, due to larger effects of water stress and to saturation of radiation interception, impacts on projections of grassland dry matter production were limited. This result suggests that grassland production could be less exposed to thermal stress than annual crops.