Diss. (sammanfattning) Umeå : Sveriges lantbruksuniv., 2001. / Härtill 3 uppsatser.

Plus de la moitié des pertes de bois dans les forêts européennes sont dues aux tempêtes. Une connaissance des mécanismes impliqués dans la stabilité mécanique des arbres est alors capitale. L’ancrage de l’arbre dans le sol constitue l’une des composantes principales du maintien mécanique de l’arbre. Il est principalement déterminé par l’architecture du système racinaire et son interaction mécanique avec le sol. Au cours de son développement, l’arbre modifie ses dimensions et se complexifie. Plus particulièrement, le système racinaire semble s’acclimater (ex : croissance en diamètre plus importante) aux déformations engendrées par le vent. L’ensemble de ces modifications conduit à une évolution des mécanismes à l’origine de l’ancrage au cours du développement de l’arbre. L’étude expérimentale de cette fonction est compliquée car les racines sont difficilement mesurables en continu dans le sol. Nous avons alors mis au point une approche numérique pour décrire la croissance du système racinaire et la distribution des déformations dues au vent. Une grande base de données structurée en chronoséquence de systèmes racinaires numérisés (Pinus pinaster) a été mobilisée. Comme l’étude de la structure et des fonctions des racines est plus efficiente quand la différentiation entre racines est prise en compte, nous avons d’abord formalisé les types racinaires du système racinaire du pin maritime à partir d’une technique de classification (« k-means clustering ») réalisée avec quatre variables. La classification des racines latérales du pin maritime nous a permis d’identifier 5 types racinaires au cours du développement du pin maritime. Ce regroupement explique 70% de la variabilité de notre base de données. Chaque système racinaire est caractérisé par trois grosses racines horizontales émises par la souche. Les racines montrent une forte différentiation pour leur tropisme, avec une direction de croissance soit horizontale soit verticale. La structure de la partie centrale du système racinaire est pratiquement complète dès l'âge de 4 ans. Sur la base des types racinaires identifiés, nous avons calibré un modèle architectural (RootTyp ; Pagès et al. 2004) pour le pin maritime. Treize paramètres pour chaque type racinaire ont été estimés par l’intermédiaire de la base de données, d’informations issues de la littérature et d’une procédure d'optimisation. Une modélisation réaliste du système racinaire jusqu'à 50 ans n’a pu être obtenue qu'en implémentant au modèle RootTyp de nouveaux processus biologiques : la diminution de la ramification avec la croissance de la racine et la diminution de la vigueur des racines avec l'ordre de ramification. Malgré ces améliorations, les systèmes racinaires de la base de données présentent des diamètres plus importants à proximité de la souche par rapport aux systèmes racinaires simulés. Ce biais systématique est principalement attribué à l’acclimatation des racines au vent dominant. Les altérations de croissance dues aux contraintes pédologiques ont également été implémentées grâce à l’amélioration du module de sol du modèle architectural.Enfin, pour comprendre les mécanismes à l’origine de l’acclimatation des racines nous avons combiné plusieurs modèles pour prédire la distribution spatiale des déformations dans des maquettes simplifiées de systèmes racinaires à 4, 6 et 13 ans, pour trois régimes de vent spécifiques à la région étudiée. D’après les simulations, les déformations des racines sous l'effet du vent diminuent avec l’âge, en raison de l’augmentation de la rigidité des racines. Cela suggère une plus forte réponse thigmomorphogénétique aux stades jeunes. Les modifications structurelles et anatomiques du système racinaire par acclimatation au vent s’expliquent principalement par les distributions des déformations et des contraintes dans les racines. / Storms cause more than 50% of the timber loss in European forests. However, forest tree anchorage mechanisms throughout their lifespan are not fully understood, especially the strong acclimation of root systems to common winds. This lack of knowledge is mainly due to technical difficulties: neither the root structure nor the mechanical contribution of the roots could be characterized continually. Thus we set up a numerical approach to model the development of the root system and to describe the strains resulting from common winds. This generic approach has been developed using Pinus pinaster grown in sandy soils as model species.Seven datasets of excavated root systems from 0 to 50 years were employed. The assessment of root structure and functions is more powerful if the differentiation of root system in several root types is considered. We first proposed an automatic classification of roots with the k-means clustering algorithm. Four root traits were chosen as classifiers, including three geometric architectural traits, which can be precisely assessed whatever the tree/root age. Clustering yielded similar five groups of laterals roots at all ages, explaining 70% of the variability. The three largest lateral roots per tree were all horizontal roots branching from stump and the other lateral roots show a large differentiation for tropism: nearly all the roots were horizontal or vertical roots. The framework of the central part of the root system can be almost completed in 4-year-old trees (3.5 cm collar diameter). We then calibrated the existing RootTyp (Pagès et al. 2004) architectural model for P. pinaster for each of the root types defined by the cluster analysis. We used the database combined with a literature review and an optimization method to get accurate values for 13 parameters by root types. We devoted effort to validate our model calibration. In order to model architecture of the root system, damping properties had to be implemented to yield realistic outputs up to the mature stage. Branching varied as a function of distance from the root base, and growth capacity decreased with branching order. Nevertheless, the root diameters of simulated root systems were generally underestimated. This was certainly due to root growth plasticity to the prevailing wind, an acclimation facet not taken into account at this calibration step. Growth alterations due to a cemented horizon were reproduced using the new calibrated soil module. Then, the wind acclimation of roots was numerically investigated by examining the root mechanical stimuli due to wind. A chain of biomechanical models was used to predict the spatial distribution of stress and strain in simplified root systems at 4, 6 and 13-year-old as a result of three levels of usual winds. According to simulations, the strain amplitude decreased with tree growth due to the increasing root system stiffness. This suggests larger thigmomorphogenetic responses at young stages. The modifications of the structural and wood root properties related to wind acclimation were largely explained by the stress and strain distribution in the root system.

Le bois mort a été retenu comme l’un des indicateurs de biodiversité pour la gestion durable des forêts. L’objectif de la thèse est de tester la pertinence de cet indicateur dans le contexte des forêts de plantation grâce à l'acquisition de données expérimentales. L’approche est focalisée sur les Coléoptères qui représentent 20% des espèces saproxyliques. La richesse spécifique et la composition des assemblages sont influencées par des variables à 3 échelles: la pièce de bois mort (diamètre, stade de décomposition et type), le peuplement (volume de bois mort, densité, couvert) et le paysage (% de couvert en pin maritime, feuillus et coupe rase). La diversité des pièces de bois mort de diamètre supérieur à 15cm constitue un bon indicateur de la richesse locale en Coléoptères saproxyliques. Un modèle de dynamique du bois mort a été développé, permettant d’évaluer les incidences potentielles de nouvelles pratiques sylvicoles sur la biodiversité des Coléoptères saproxyliques. / Dead wood has been selected as one of the biodiversity indicators for the assessment of sustainable forest management. We investigated the relevance of this indicator in forest plantations with experimental data. Our approach was focus on beetles which represent 20% of saproxylic species. Effects of environmental variables on species richness and composition of assemblages occurred at three spatial scales : the piece of wood (diameter, decomposition stage and type), the stand (volume of dead wood, density of stems, canopy cover) and the landscape (% of maritime pine stands,% of deciduous stands and % of clear-cut areas). Diversity of dead wood above 15 cm in diameter appeared to be a good indicator of the local species richness of saproxylic beetles. A model of dead wood dynamic has been proposed so as to assess impacts of new forestry practices on saproxylic beetles diversity.

Afin de garantir une gestion durable du massif forestier des Landes de Gascogne (maintien de la fertilité et production élevée), des études sont nécessaires sur la biodisponibilité du phosphore (P) qui est un facteur limitant. Une évaluation fiable de la biodisponibilité du P passe par la quantification des processus d’acquisition par les plantes, à savoir l’interception racinaire, le transport dans la solution et la mobilisation à l’interface solide-solution d’ions phosphates. Dans ce contexte, l’objectif général de la thèse était de faire un bilan biogéochimique de la biodisponibilité du P dans les sols forestiers des Landes de Gascogne, c'est-à-dire une analyse quantitative et comparative des processus physico- chimiques (diffusion) et biologiques (minéralisation et reminéralisation) de réapprovisionnement de la solution en ions phosphates ainsi qu’une caractérisation du système de prélèvement (racines fines) du Pin maritime. Les résultats ont montré une déficience en P pour l’ensemble des sols étudiés. Ils ont également montré une importance variable, en fonction de la profondeur et du type de lande (humide à sèche), des différents processus biologiques et physico-chimiques dans le réapprovisionnement de la solution. Le rôle des micro-organismes, via la minéralisation du P organique du sol et en tant que source (reminéralisation) et puits (immobilisation) de P, est particulièrement important dans les sols peu réactifs vis-à-vis du P comme les litières ou certains sols minéraux de surface. L’étude du système de prélèvement (racines fines, ectomycorhizes) suggère que le prélèvement de P par le Pin maritime concerne aussi bien les horizons de surface que ceux du sous-sol. / In order to guarantee a sustainable management of the forest range the “Landes de Gascogne” (maintaining fertility and elevated productivity), the bioavailability of phosphorus (P), a growth limiting factor, needs to be studied. An accurate evaluation of P bioavailability implies the quantification of plant acquisition processes such as root interception, soil solution transport and the mobilisation of phosphate ions at the soil-soil solution interface. The main objective of the PhD study was to assess a biogeochemical balance of the P bioavailability in the forest soils of the “Landes de Gascogne”, i.e. to carry out an quantitative and comparative analysis of the physical-chemical (diffusion) and biological (mineralization and remineralization) processes of replenishing the soil solution with phosphate ions, as well as the characterisation of the tree uptake system (fine roots) of maritime pine. The results have shown that all of the soils studied are very deficient in P. They have further shown a varying importance of the different biological and physical-chemical processes in supplying P to the soil solution according to the site class (humid to dry moorlands). The role of the microorganisms, via the mineralization of organic P, as a source (remineralization) or a sink (immobilization) of P, is particularly important in the litter and top mineral layers featuring a very low reactivity versus P. The study of the uptake system (fine roots and ectomycorrhizae) suggests that uptake of P by maritime pine takes place both in top soil horizons and in deeper soil horizons.

Les forêts dunaires d’Aquitaine de pin maritime (Pinus pinaster) représentent un intérêt économique et écologique important de par leur rôle multifonctionnel (production de bois,protection contre l’érosion, préservation de la biodiversité, tourisme). La régénération naturelle est pratiquée après coupe rase pour les renouveler. Mais, de nombreux échecs de régénération sont observés depuis 20 ans, entrainant des pertes économiques non négligeables.L’objectif de ce travail a été d’identifier les mécanismes écologiques impliqués dans ces échecs récurrents, afin de proposer des recommandations de gestion pour favoriser le renouvellement de ces pinèdes. Pour cela, nous avons étudié quatre étapes-clés du processus de régénération : dispersion des graines, germination, survie, et croissance. Un réseau de sites d’observation le long du cordon dunaire a été utilisé pour quantifier la régénération, en interactions avec des pratiques sylvicoles (coupe rase vs coupe progressive, semis de graines de pin maritime vs absence de semis). Deux sites semi-expérimentaux ont été installé afin d’étudier en détail certains facteurs explicatifs potentiellement importants dans notre contexte(climat, interactions plante-plante, herbivorie). Nos résultats confirment que la régénération naturelle est un processus complexe, influencé par de nombreux facteurs environnementaux et d’autres liés à la gestion, pouvant être eux mêmes en interaction. La quantité de graines atteignant le sol ne semble pas être limitante. La germination des graines est fortement liée à l’humidité du sol, et est influencée par l’hétérogénéité de la microtopographie. La sécheresse estivale, cause majeure de mortalité des plantules, peut-être modulée par le maintien d’arbres semenciers. Les interactions biotiques directes et indirectes avec la végétation de sous-bois impactent fortement la survie des plantules, mais varient grandement en direction et en intensité selon les saisons et les années.Bien que nos résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans le cycle de régénération du pin maritime, il apparaît difficile de mettre en avant un seul facteur expliquant les échecs de régénération sur certains secteurs. Cependant, dans l’ensemble, le maintien d’arbres semenciers pendant quelques années permet d’obtenir une régénération réussie sur la globalité des forêts dunaires, grâce à l’apport pluriannuel de graines mais aussi à travers les modifications du microclimat sous leur canopée. Contrôler la végétation spontanée afin de réduire la compétition avec les plantules de pin, et augmenter les plans de chasse afin de réduire la pression des herbivores sur les plantules, doit aussi être envisagé dans les secteurs où les échecs de régénération sont fréquents. / In south-western France, the coastal fringe with maritime pine (Pinus pinaster) forest has a multifunctional role, with erosion protection, preservation of biodiversity, tourism, and wood production as main objectives. Natural regeneration is used to renew these stands after clear-cutting. However, in recent years, regeneration failures have increased in some areas,leading to significant economic losses.The objective of this work was to identify the ecological mechanisms involved in these recurrent failures, in order to propose adapted forestry management practices to ensure forest regeneration. To do this, we studied four stages of the regeneration process: seed dispersal, germination, survival, and growth. A monitoring network of five sites along the Aquitaine Coast was also used to quantify the regeneration and characterize local differences in terms of forest management practices (clear-cut vs seed-tree regeneration,and sowing vs no sowing). Two experimental sites were set up to study in detail some factors potentially important in our context (climate, plant-plant interactions, herbivory).Our results confirm that natural regeneration is a complex process, influenced by many –often interacting – environmental and management factors. The quantity of seeds reaching the forest soil does not seem to be limiting. Seed germination is strongly related to soil moisture, and is influenced by the heterogeneity of the micro topography. Summer drought, the main cause of seedling mortality, may be mitigated by remaining seed trees on the stand.Direct and indirect biotic interactions with understorey vegetation have a strong impact on seedling survival, but vary greatly both in direction and intensity, depending on the seasonand the year.Even though our results provide a better understanding of the mechanisms involved in there generation cycle of maritime pine, it is difficult to put forward a single factor explaining local regeneration failures. However, overall, maintaining seed trees for a few years allows obtaining a successful regeneration in the entire coastal forest, thanks to the multi-yearsupply of seeds but also through the modifications of the microclimate under their canopy. Controlling understorey vegetation to reduce competition with pine seedlings and increasing hunting plans to reduce herbivory pressure on seedlings should also be considered in areas where regeneration failures are common.

Les peuplements forestiers mélangés subissent moins de dégâts d’insectes herbivores que les peuplements purs, du fait d’une diminution de l’accessibilité à la ressource ou/et d’une amélioration des conditions de survie de leurs ennemis naturels. Pour vérifier ces hypothèses, nous avons étudié un insecte ravageur, la processionnaire du pin (Thaumetopoea pityocampa), et ses insectes parasitoïdes dans le contexte de monoculture de pin maritime (Pinus pinaster) de la forêt des Landes de Gascogne, où persistent localement des zones de milieu ouvert (parefeux, coupes rases) et des boisements d’essences feuillues (haies en bordure de peuplement de pin, ripisylves, îlots). Nous avons pu démontrer que :(1) La colonisation des parcelles de pin par la processionnaire est limitée parla présence de haies de feuillus en lisière de parcelle. En effet, les feuillus jouent un rôle de barrière physique, entravant la détection visuelle des pins par la femelle de processionnaire lorsqu’elle recherche un site d’oviposition.(2) La longévité des principaux parasitoïdes, spécialiste et généraliste, des oeufs de processionnaire est favorisée par la consommation de miel lat produit pardes pucerons du chêne. Cela permet notamment à l’espèce généraliste, qui émergedeux mois avant la processionnaire, de prolonger sa présence dans le milieu et doncd’augmenter sa probabilité de parasiter des pontes de processionnaire.(3) Les chrysalides de processionnaire du pin survivent mieux dans le sol desmilieux ouverts que sous couvert forestier (de pin ou de feuillus), du fait d’unetempérature et d’une humidité plus élevées. L’association de pins et de milieuxouverts favorise la processionnaire par complémentation des habitats, tandis que laprésence de feuillus peut représenter un piège écologique pour les chenilles aumoment de l’enfouissement.(4) À l’échelle du paysage, les peuplements de pin maritime au centre depaysages hétérogènes sont moins infestés que dans les paysages de monoculture.De plus, les niveaux d’infestation de la processionnaire diminuent lorsque laproportion de feuillus dans le paysage environnant augmente.Ces résultats sont interprétés en fonction des mécanismes écologiquesexpliquant la relation entre diversité et herbivorie. Des possibilités de transfert vers lagestion forestière de la forêt des Landes de Gascogne sont proposées, ainsi que desperspectives en termes de recherche scientifique. / Mixed forests are less prone to insect damage than pure forests because ofreduced host accessibility and/or improved control by natural enemies. To test thesehypotheses, we have studied the ecology of the pine processionary moth (PPM)(Thaumetopoea pityocampa) and its parasitoid, in a monoculture of maritime pine(Pinus pinaster) plantations, the Landes de Gascogne forest. There, open areas(firebreaks, clear cuts) and patches of broadleaved woodlands (hedgerows, riparianforest, natural forest remnants) still persist locally. In this study we have shown that:(1) Pine stand colonization by PPM was limited by the presence ofbroadleaved hedgerows at stand edge. Broadleaved trees formed physical barriersdisrupting the visual detection of pine trees by PPM females when searching for anoviposition site.(2) The longevity of the two main PPM egg parasitoids increased whenspecimen were fed with honeydew produced by oak aphids. The generalist species,which emerges two months before PPM, could benefit from this longer lifespan tooverlap its host emergence.(3) PPM pupae survived better in the soil of open areas than under forestcovers (pine or broadleaved trees), because of higher temperature and humidity. Theassociation between pine stands and open areas benefits PPM through habitatcomplementation, whereas the presence of broadleaved trees may act as anecological trap for PPM caterpillars.(4) Maritime pine stands within heterogeneous landscapes exhibited lowerPPM infestations than similar stands within pine monocultures. PPM infestation levelsdecreased with increasing percent broadleaved area in the surrounding landscape.These results are discussed according to the ecological mechanisms whichmay explain the relationship between insect herbivory and tree species diversity.Perspectives for improved PPM management in the Landes de Gascogne forest, andfor further scientific research are proposed.

L’évaluation de la santé des écosystèmes forestiers nécessite la mise en place de stratégies de surveillance au sol applicables sur le long terme et selon un continuum d’échelles spatiales. Entre les réseaux de placettes permanentes élaborés de façon empirique à l'échelle européenne et les protocoles d’observation à portée très locale, peu de stratégies d’échantillonnage des dommages forestiers ont été validés à l'échelle du paysage (de quelques centaines à plusieurs milliers d’hectares), qui est pourtant celle de l'aménagement forestier. Pour optimiser les performances de l’échantillonnage des dommages forestiers trois critères ont été envisagés : les caractéristiques du paysage, la variabilité des estimations à différentes échelles spatiales et le coût des observations et des déplacements. Pour cela, deux paysages de forêt cultivée de pin maritime ont été suivi de façon intensive. L’usage de statistiques non-paramétriques (bootstrap, simulations géostatistiques) et des statistiques spatiales a été privilégié pour optimiser la répartition de l’effort d’observation au sein de plans d’échantillonnage emboîtés. Dans un premier temps, l’optimisation des réseaux systématiques d’observations actuels (Réseau Européen – ICP Forest level I, Inventaire Forestier National) à été envisagé dans le cadre d’une stratégie de suivi simultané de l’ensemble des dommages forestiers (biotiques ou abiotiques). Puis, des stratégies d’échantillonnage spécifiques ont été envisagées pour deux insectes ravageurs (la chenille processionnaire du pin Thaumetopoea pityocampa et le scolyte Ips sexdentatus) afin de prendre en compte de façon explicite la distribution spatiale de leurs dommages dans l’échantillonnage. Les résultats montrent qu’il est envisageable d’assoir un protocole d’inventaire des dommages forestiers sur les réseaux d’observations existant à l’échelle nationale à condition de porter la densité d’échantillonnage à environ 1 placette pour 700 ha. La configuration optimale des placettes réside alors dans l’observation de 25 arbres, sélectionnés sans discrimination de statut social et intégrant pour partie les arbres en lisières de peuplement (20%). Seules les populations de T. pityocampa ont montré une structure spatiale sur plusieurs dizaines de kilomètres. Un plan d’échantillonnage systématique, d’une maille carrée comprise entre 2 km et 3km, semble un bon compromis pour l’estimation et la cartographie des densités de population de cette chenille défoliatrice. En revanche, les réseaux systématiques d’observations s'avèrent inadaptés pour l’évaluation de dégâts de très faible intensité et/ou agrégés dans l’espace comme ceux des scolytes. Ainsi l’étude rétrospective de dégâts post-tempête 1999 de I. sexdentatus a montré l'intérêt d’une stratégie d’échantillonnage par cheminement adaptatif le long des pistes forestières. L’utilisation des lisières forestières en tant qu’«arbres sentinelles» apparaît prometteuse et ses applications pratiques sont proposées pour la surveillance sanitaire à l’échelle du paysage. / Forest ecosystem health assessment relies on long-term and multiple scales sampling strategies. Neither European networks of permanent plots developed empirically, nor local observation protocols can produce reliable estimates of forest damages over areas ranging from a few hundred to several thousands of hectares. Little attention has been paid to the development of robust sampling designs at the landscape scale, which is however the operational one for forest management. Three criteria were considered to optimize the performance of forest damage sampling: landscape features, variability estimates at different spatial scales and logistics costs of observations. Intensive monitoring was performed on two landscapes of maritime pine plantation forests. Nonparametric statistics (bootstrap, geostatistical simulations) and spatial statistics were used to optimize allocation of sampling effort within nested sampling designs. Firstly, the monitoring of all types of forest damage (biotic or abiotic) was investigated through the optimization of sampling schemes currently applied at the national scale (European Network - ICP forest level I and National Forest Inventory). Then, specific sampling strategies were developed for two insect pests (the defoliator Thaumetopoea pityocampa and the bark beetle Ips sexdentatus), taking into account the spatial distribution of their damage. Increasing the sampling density of national plot networks up to 1/700 ha would be necessary for forest damage survey at the landscape scale. The optimal configuration of inventory plots lies in the observation of about 25 trees, selected without discrimination of social status and partly integrating trees at stand edges (20%). At a large scale, only populations of T. pityocampa showed a spatial structure over several kilometers. A systematic sampling plan, with a square grid between 2 km and 3 km, seems to be a good compromise for estimation and mapping of its nest density. However, systematic plot networks are inadequate for assessing rare and spatially clustered phenomenon such as damage caused by bark beetles damages. A retrospective post-storm 1999 survey of I.sexdentatus damages emphasizes the effectiveness of an adaptive roadside sampling method to monitor this type of damage. The use of forest edges as "sentinel trees" seems promising and its practical applications are proposed for forest health monitoring at the landscape scale.

La symbiose mycorhizienne entre les champignons du sol et les racines de la plupart des plantes constitue une relation à bénéfice réciproque et joue un rôle majeur dans la productivité des écosystèmes. Les récentes avancées dans le domaine ont abouties à l'identification et à la caractérisation fonctionnelle de nombreux systèmes de transport du partenaire fongique. Le travail présenté s'inscrit dans le cadre de développement d'outils permettant la localisation de gènes d'intérêts du champignon ectomycorhizien Hebeloma cylindrosporum et de leur caractérisation fonctionnelle. Les systèmes de transport candidats ont été identifiés au sein d'une banque EST du champignon et semblent impliqués dans les échanges de phosphate (Pi) et de potassium (K+) entre Hebeloma et la plante hôte Pinus pinaster. Une stratégie de fusion transcriptionnelle utilisant l'EGFP comme gène rapporteur a été développée pour permettre la localisation de deux transporteurs de phosphate, HcPT1 et HcPT2, d'un transporteur de potassium, HcTrk1, et d'un canal potassique de type Shaker, HcSKC1, dans les hyphes en culture pure et au sein de l'ectomycorhize. Les Agrotransformations de la souche h7 d'Hebeloma avec des vecteurs de fusion transcriptionnelle ont montré une expression mycélienne de l'EGFP sous contrôle des promoteurs de nos gènes d'intérêts. Sous contrôle des différents promoteurs, l'expression de l'EGFP apparait comme étant site-spécifique dans les hyphes différenciés des ectomycorhizes. Le promoteur du transporteur de Pi HcPT1 induit l'expression du gène rapporteur au niveau des hyphes extramatriciels et du manteau mycélien entourant la racine. De plus, son expression est stimulée en cas de carence en Pi, indiquant ainsi l'implication de ce transporteur dans la récupération du Pi du sol lorsque celui-ci devient limitant. Pour ce qui est du promoteur de HcTrk1, il permet l'expression de l'EGFP dans les hyphes extraracinaires et dans le manteau, tandis que celui de HcSKC1 permet son expression au niveau du réseau de Hartig et du manteau. Ceci indique, qu'ils semblent respectivement participer à la récupération du K+ du sol et à son excrétion vers la plante. Pour poursuivre la caractérisation fonctionnelle de nos systèmes de transport candidats, un second canal potassique, HcSKC2, a été isolé à partir de la souche h1 et exprimé dans des ovocytes de xénope. Tout comme HcSKC1, HcSKC2 n'a pas été actif en système d'expression hétérologue. Cependant, des fusions traductionnelles avec l'EGFP ont montré que la protéine HcSKC2 est bien dirigée à la membrane. En perspective, la caractérisation fonctionnelle de ce canal issue de la souche h7 récemment séquencée sera tentée. / The mycorrhizal symbiosis made it possible the first plants to conquest emerged lands and is a major biological phenomenon of terrestrial ecosystems. The fungal partner efficiently takes up nutritive ions from the soil solution and transfers them to the host plants in exchange for photosynthetates. However, despite the importance of this symbiosis on ecosystem productivity, our knowledge about molecular processes controlling this symbiotic interaction and solute transports at the membrane level is very scarce. The objective of the project aims at dissecting part of the molecular mechanisms required for a functional ectomycorrhizal symbiosis associated with most of the woody species from boreal and temperate forests, by focusing on K+ exchanges occurring through the continuum soil-hyphae-plant. The general aim of the project is to gain new insights into the molecular mechanisms responsible for the polarization and differentiation of the plasma membrane between the site of nutrient uptake and the site of efflux into the apoplastic space in the ectomycorrhizal root. The team "Canaux Ioniques – Ion channels" has obtained an EST library of the fungus Hebeloma cylindrosporum (1) and has identified and characterized a potassium transporter of the Trk family (2). Also a Shaker-type potassium cannel was identified within the EST library but it is not yet functionally characterized. A second transcript was found from this channel with a longer N-terminus compared to the first transcript isolated in the beginning. Also, a sugar transporter was identified among the ESTs that could participate in the absorption of sugars, coming from the host plant, by the fungus. The objective of the PhD thesis is the functional characterization of these fungal transport systems as well as their localization. The functional characterization of these candidate genes will be accomplished using heterologous expression systems (Xenopus oocytes, COS cells, complementation of yeast mutants) and by the means of electrophysiology. Localization of genes within the fungus being in symbiotic interaction with the host plant, the tree Pinus pinaster, will help to better understand the role of the transport systems. The differentiation of the fungus, when establishing symbiosis, into the specialized interfaces soil-fungus and fungal cell- host plant cell within the ectomycorrhiza (Hartig net) is probably accompanied by a specific expression of transport proteins and ion channels

La symbiose ectomycorhizienne se définie comme une association mutualiste entre les racines des plantes ligneuses et le mycélium de champignons du sol. Elle est majoritaire dans les écosystèmes forestiers de l'hémisphère nord et permet l'amélioration de la nutrition hydrominérale des plantes ligneuses, notamment lorsque la disponibilité en ressources se fait rare. Des données transcriptomiques et génomiques du champignon ectomycorhizien Hebeloma cylindrosporum ont permis d'identifier différents gènes codant pour des protéines capables de transporter des nutriments. L'implication éventuelle de ces systèmes de transport dans la nutrition potassique et phosphatée ectomycorhize-dépendante de la plante hôte Pinus pinaster reste à évaluer. Dans cette étude, deux gènes candidats codant pour des systèmes de transport de potassium (K+), HcTrk1 et HcSKC, et deux autres pour des transporteurs de phosphate inorganique (Pi), HcPT1.1 et HcPT2, ont été analysés. Des approches permettant la localisation dans l'ectomycorhize des transcrits (hybridation in situ) et des protéines (fusion traductionnelle) de ces candidats ont été générés. Ces différents outils ont permis de montrer que le transporteur HcTrk1 et le canal HcSKC étaient respectivement localisés dans l'ectomycorhize au niveau des sites de prélèvement et de relargage du K+. D'autre part, des lignées transgéniques d'H. cylindrosporum sur- et/ou sous-exprimant ces gènes ont été produites afin de voir si la nutrition végétale en K+ et en Pi était impactée. Ainsi, l'utilisation en mycorhization de lignées surexprimant HcTrk1 et sous-exprimant HcSKC ont montré une diminution de la nutrition potassique et de l'homéostasie du phosphore de la plante hôte. Les mêmes types d'approches ont été utilisés avec les transporteurs de Pi HcPT1.1 et HcPT2. En utilisant des lignées transgéniques, il a ainsi pu être montré que la surexpression de HcPT1.1 en condition carencée décrite précédemment était liée à l'activité de son promoteur. Quant au transporteur HcPT2, des analyses préliminaires de localisation suggèrent qu'il pourrait être impliqué dans le prélèvement de Pi du sol et dans son relargage au niveau du réseau de Hartig. Des études complémentaires restent cependant à mener. Enfin, cinq autres systèmes de transport de K+ et trois de phosphate ont été récemment identifiés à partir du génome d'H. cylindrosporum, ouvrant la voie à la dissection fine des mécanismes moléculaires régissant la nutrition potassique et phosphatée ectomycorhize dépendante de P. pinaster. / Ectomycorrhizal symbiosis is defined as a mutual association between the roots of woody plants and the mycelium of soil fungi. This symbiosis is widespread in northern forests and plays a major role in nutrient and water uptake of woody plants, especially when resources become scarce. Transcriptomic and genomic data of the ectomycorrhizal fungus Hebeloma cylindrosporum allowed the identification of several genes coding for nutrient transport proteins. Their putative involvement in ectomycorrhiza-dependent potassium and phosphate nutrition of the host plant Pinus pinaster needs to be assessed. In this study, two candidate genes coding for potassium (K+) transport systems, HcTrk1 and HcSKC, and two other genes coding for inorganic phosphate (Pi) transporters, HcPT1.1 and HcPT2, were analyzed. Molecular approaches allowing the localization of transcripts (in situ hybridization) and proteins (translational fusion) of these candidates in ectomycorrhiza were obtained. These tools allowed us to show that the HcTrk1 transporter and the HcSKC channel were localized in K+ uptake and release sites of the ectomycorrhiza, respectively. In order to know whether these proteins play a role in plant K+ and Pi nutrition, H. cylindrosporum transgenic lines with up- and/or down-regulated expression of candidate genes were produced. In mycorrhizal assays, the use of fungal strains with up- or down- regulated expression of HcTrk1 and HcSKC, respectively, affects the K+ nutrition and phosphorus homeostasis of the host plant. The same approaches were used for HcPT1.1 and HcPT2 Pi transporters. Therefore, using transgenic strategies, we demonstrated that the previously shown up-regulation of HcPT1.1 expression under Pi shortage is related to its promoter activity. Concerning HcPT2, preliminary localization analysis suggested that this transporter might be involved in Pi uptake from soil and in release in the Hartig net. However, complementary studies are needed. Five and three novel K+ and Pi transport systems, respectively, were identified from the recent genome accession of H. cylindrosporum, opening the way to a fine dissection of molecular mechanisms controlling the ectomycorrhiza-dependent K+ and phosphate nutrition of Pinus pinaster.

Ce travail de thèse a porté sur la prise en compte de la phase juvénile des peuplements forestiers du Sud-Ouest de la France dans la caractérisation des échanges sol-végétation-atmosphère. L’étude s’est focalisée sur des structures de peuplements contrastées de jeunes peuplements de Pins maritimes et d’Eucalyptus. La première partie de ces recherches a consisté à étudier de façon expérimentale les échanges de masse et d’énergie de jeunes plantations d’Eucalyptus et de Pins maritimes du Sud-Ouest. Trois sites instrumentés pour la détermination en continu des échanges de CO2 et H2O, bilan d’énergie, flux de sève et de croissance et production des arbres ont été suivis durant deux années marquées par des épisodes répétés de sécheresse. Le comportement des essences présentes a été comparé ainsi que les effets de l’environnement et des pratiques culturales sur le fonctionnement de ces écosystèmes. Les bilans annuels d’eau, de carbone et la croissance et la production des trois peuplements ont été établis et comparés. A partir de ces mesures enrichies par des données déjà disponibles et en se basant sur le modèle de production forestière et de transfert sol-végétation-atmosphère GRAECO (INRA-EPHYSE), modèle mécaniste biophysique monodimensionnel, la deuxième partie a consisté à développer une nouvelle évolution de ce modèle pour l’adapter au cas des systèmes de culture de biomasse forestière à croissance rapide. L’approche proposée en couplant ce modèle avec le modèle MAESTRA (Medlyn 2004) a permis de dépasser les hypothèses d’homogénéités verticale et horizontale du couvert pour rendre compte de l’effet de la structure en trois dimensions de peuplements jeunes à couronnes disjointes et sous-étage développé sur les transferts radiatifs, de CO2 et vapeur d’eau. De plus, le modèle a été complété par trois nouveaux modules décrivant respectivement la dynamique du carbone du sol (Roth-C) et la croissance et fonctionnement du sous-étage et du taillis. Il a été évalué sur les données existantes couvrant différents sites et séries temporelles et incluant une série d’interventions de type labour, désouchage, disquage superficiel, semis, dépressages, éclaircies et recépées. Enfin, ce modèle a été implémenté sur un jeu de données décrivant le climat local sous le forçage du scénario climatique A2 régionalisé sur un point de la grille SAFRAN de Météo-France pour trois itinéraires sylvicoles de Pin maritime et Eucalyptus, afin d’évaluer, à titre exploratoire, les potentialités de productivité de ces itinéraires. / In this thesis, the juvenile phase of forest stands of southwestern France was studied in order to characterise soil-vegetation-atmosphere exchanges. The study focused on contrasted structures of young pines and Eucalyptus stands. The first part of this research was to study experimentally the mass and energy exchanges of young plantations of pines and Eucalyptus growing in southwestern France. Continuous measurements of CO2 and H2O fluxes, energy balance, sapflow and tree growth and production were carried out for two years, a period marked by repeated episodes of drought. The behavior of these species was compared, as well as the effects of the environment and cultural practices on these ecosystems. The annual water and carbon balances, growth and production of the three stands were established and compared. These measurements were enriched by data already available and were based on the 1D-mechanistic model of forest production and soil-vegetation-atmosphere transfer GRAECO (INRA-EPHYSE). The second part of the thesis focused on developing a new version of the model to be applied to crop systems for fast-growing forest biomass. By coupling this evolution of the model with the 3D-model MAESTRA (Medlyn 2004), the assumptions of vertical and horizontal homogeneities in the canopy can be exceeded thus accounting for the effect of the three-dimensional structure on the radiative, CO2 and water vapor transfers in young stands, where crowns are separate and the understorey is well-developed. In addition, the model was supplemented by three new modules describing the dynamics of soil carbon (Roth-C) and the growth and functioning of the understory and coppice. It was evaluated on existing data covering different sites and time series and including a series of forest practices, such as plowing, stump removal, superficial disking, seeding, early thinning, thinnings and cutting down close to the ground. Finally, as an exploratory work, this model has been implemented on a data set describing the local climate forced by the A2 climate scenario which was regionalized on a SAFRAN grid point (‘Météo-France’) for three forest itineraries of maritime pine and Eucalyptus, in order to assess the potential productivity of these systems.