Les larves de Lymantria dispar asiatica (la spongieuse Asiatique) sont des insectes polyphages envahissants qui se nourrissent de plus de 600 espèces végétales. Elles ont pour cibles des espèces de feuillus comme le chêne (Quercus spp.) ou encore les saules (Salix spp), qui sont reconnus comme ses hôtes préférés. Toutefois, dans la forêt boréale du Canada, certaines espèces de conifères sont des espèces à risque face au développement des larves de la spongieuse Asiatique. Généralement, les conifères répondent aux attaques des bio-attaqueurs, par la formation de canaux de résines et de cellules parenchymateuses poly-phénoliques qui sont des structures anatomiques spécialisées dans la production et le stockage des composés de défenses. Ainsi, il est bien établi que dans une population d'arbres, certains individus de résistance apparente vont avoir une différence dans la composition de composé de défenses de leur feuille ou aiguille par rapport aux individus plus fréquemment attaqués par des pathogènes ou insectes. Au travers de tests d'alimentations des larves de la spongieuse, plusieurs études ont déjà permis la catégorisation d'espèces végétales en trois catégories différentes : favorable, intermédiaire et non favorable. Certaines espèces de conifères sont donc plus susceptibles aux attaques de la spongieuse Européenne et Asiatique et les attaques de la spongieuse ont alors un effet important sur la valeur économique des espèces de conifères dans l'industrie du bois. L'étude du profilage métabolique permettrait donc la découverte de métabolites spécifiques qui agiraient chez les conifères comme prédicteurs d'espèces à risque contre de potentiels stress biotiques et abiotiques. Au niveau des peuplements naturels, l'étude des différences entre les profils métaboliques d'individus de résistance apparente et d'individus plus vulnérables permettrait de favoriser les croisements entre parents porteur des gènes responsable du phénotype de résistance à l'herbivorie. Ainsi, l'objectif de ce projet de Maîtrise était d'établir un lien entre le rôle que jouent les métabolites secondaires constitutifs dans la susceptibilité d'une espèce de conifère dans le développement des larves de spongieuse Asiatique. Nous avons donc étudié le développement des larves de la spongieuse Asiatique sur dix espèces de conifères à l'aide d'une expérience d'alimentation artificielle. Nous avons également effectué des extractions de métabolites secondaires en utilisant deux protocoles différents pour les extractions de terpènes et d'acides phénoliques, en utilisant une technique de chromatographie à phase gazeuse et liquide couplé à un spectromètre de masse (respectivement GC et LC-MS). Nos résultats démontraient que parmi les conifères, deux espèces, Pseudotsuga menziesii var. menziesii et Pinus contorta sont des espèces favorables au développement des larves de spongieuse pour deux sous-populations traitées, Beijing et Harbin. Sur quelques espèces de conifères, les sous-populations de Harbin ont un gain de masse et un stade larvaire plus élevés que les sous-populations de Beijing. Cela suggère que les sous-populations de Harbin sont mieux adaptées ou démontrent une meilleure utilisation des espèces nord-américaines. Lors de l'étude des profils de métabolites secondaires, il s'est avéré que les espèces favorables au développement des larves de spongieuse présentaient des différences dans leur profil biochimique à la fois pour les terpènes et les phénols, par rapport aux espèces défavorables telles que Picea abies. Nos résultats devraient aider à fournir les informations nécessaires aux autorités locales de conservation et aux aménagistes forestiers pour déduire de meilleurs plans de contrôle de la propagation de la spongieuse Asiatique en Amérique du Nord. / Lymantria dispar asiatica (Asian gypsy moth) larvae are invasive polyphagous insects that feed on over 600 plant species. Their preferred targets are deciduous species such as oak (Quercus spp.) or willows (Salix spp). However, in Canada's boreal forest, certain conifer species may be at risk for the successful development of Asian gypsy moth larvae. Generally, conifers respond to the attacks of bio-attackers, by the formation of resin channels and poly-phenolic parenchymal cells which are anatomical structures specialized in the production and storage of defense compounds. Thus, it is well established that in a population of trees, certain individuals with apparent resistance will have a difference in the composition of the defense compound of their leaf or needle compared to individuals more frequently attacked by pathogens or insects. Through feeding tests of gypsy moth larvae, several studies have already issued the categorization of plant species into three different categories: favorable, intermediate, and unfavorable. Some conifer species are therefore more susceptible to European and Asian gypsy moth attack and gypsy moth attack then has a significant effect on the economic value of conifer species in the timber industry. The study of metabolic profiling would allow the discovery of specific metabolites which would act in conifers as predictors of species at risk against potential biotic and abiotic stresses. At the level of natural stands, the study of the differences between the metabolic profiles of individuals with apparent resistance and more vulnerable individuals would make it possible to promote crosses between parents carrying the genes responsible for the herbivory resistance phenotype. Thus, the objective of this master's project was to establish a link between the role that constituent secondary metabolites play in the susceptibility of a conifer species in the development of Asian gypsy moth larvae. We therefore studied the development of Asian gypsy moth larvae on ten species of conifers using an artificial feeding experiment. We also performed secondary metabolite extractions using two different protocols for terpene and phenolic acid extractions, using GC and LC-MS, respectively. Our results showed that among conifers, two species, Pseudotsuga menziesii var. menziesii and Pinus contorta are favorable species for the development of gypsy moth larvae from the two studied subpopulations, Beijing and Harbin. Among a few conifer species, Harbin subpopulations have higher mass gain and larval stage than Beijing subpopulations. This suggests that the Harbin subpopulations are better adapted or demonstrate better utilization of North American conifer species. When studying secondary metabolite profiles, it was found that species favorable to the development of gypsy moth larvae had differences in their biochemical profile for both terpenes and phenols, compared to unfavorable species such as Picea abies. Our results should help provide the information needed by local conservation authorities and forest managers to devise better plans for controlling the eventual spread of Asian gypsy moths in North America.

La direction principale des travaux de recherche de ce mémoire est de valoriser les composés phytochimiques se trouvant au cœur de la flore nordique. Cette dernière possède de nombreuses adaptations impressionnantes aux conditions climatiques extrêmes sur ces territoires. On y retrouve peu de végétation pouvant se développer dû à l'environnement particulier de ces régions. La flore nordique du Québec exploite des mécanismes de défense différents et particuliers des végétaux ne se trouvant pas dans ces conditions. Dans ce contexte, l'objectif des recherches de ce projet de maîtrise est de faire l'investigation phytochimique des métabolites secondaires de Racomitrium lanuginosum, une bryophyte très peu étudiée. Pour ce faire, nous avons utilisé un processus d'extraction par solvants de différentes polarités, suivi de différentes étapes de purification et de caractérisation. Racomitrium lanuginosum est une mousse présente dans des écosystèmes du Sud et du Nord. Les échantillons étudiés proviennent du Nunavik, plus précisément des alentours de Kuujjuarapik-Whapmagoostui. Il s'agit de la première investigation phytochimique sur cette bryophyte pour des spécimens nordiques. Notre investigation phytochimique a commencé par un processus d'extraction avec de l'hexanes, suivi du dichlorométhane, puis du méthanol. Les extraits bruts ont été soumis à la chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS) afin de faire l'identification putative de composés volatils. Par la suite, les extraits bruts ont été fractionnés par chromatographie liquide à moyenne pression (MPLC). Subséquemment, certaines fractions ont été soumises à la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse (LC-MS) afin de faire l'identification putative des composés. Des molécules n'ayant pas été identifiées putativement ont été ensuite purifiées par chromatographie liquide à haute performance (HPLC) semi-préparative. Cette étape a permis d'obtenir certains métabolites secondaires purs pour en faire l'élucidation de la structure par résonance magnétique nucléaire (RMN) et par spectrométrie de masse. / The main direction of the research work of this thesis is to valorize the phytochemicals found in the heart of the northern flora. The latter has many impressive adaptations to the extreme climatic conditions in these territories. There is little vegetation that can develop due to the particular environment of these regions. The northern flora of Quebec exploits different and particular defence mechanisms of the plants not being in these conditions. In this context, the research objective of this master's project is to investigate phytochemically the secondary metabolites of Racomitrium lanuginosum, a very little studied bryophyte. To do so, we used a solvent extraction process of different polarities, followed by distinct purification and characterization steps. Racomitrium lanuginosum is a moss present in southern and northern ecosystems. The samples studied come from Nunavik, more precisely from the vicinity of Kuujjuarapik-Whapmagoostui. This is the first phytochemical investigation of this bryophyte for northern specimens. Our phytochemical investigation started with an extraction process with hexanes, followed by dichloromethane, then methanol. The crude extracts were subjected to gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) for putative identification of volatile compounds. Subsequently, the crude extracts were fractionated by medium pressure liquid chromatography (MPLC). Subsequently, some fractions were subjected to liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) for putative identification of compounds. Molecules that were not putatively identified were then purified by semi-preparative high-performance liquid chromatography (HPLC). This step allowed us to obtain some pure secondary metabolites for structure elucidation by nuclear magnetic resonance (NMR) and mass spectrometry.

Les pathosystèmes, plante-bactérie, aboutissent souvent au niveau de la plante à de profondes reprogrammations tant au niveau de la morphogenèse que du métabolome. Dans le cas de l’interaction plante-Rhodococcus fascians, une bactérie phytopathogène, il se développe au niveau du site d’infection, une structure morphologique particulière nommée « galle feuillée ». <p>Au sein de cette hyperplasie, les altérations métaboliques induites concernent non seulement les produits du métabolisme primaire mais également le métabolisme secondaire et plus particulièrement des composés qui interviennent dans les mécanismes de défense ou qui affectent la prolifération cellulaire végétale. <p>Dans le cadre de notre travail de thèse, nous nous sommes fixé deux objectifs principaux qui sont de caractériser les altérations métaboliques au niveau des tissus hyperplasiques de tabac mais aussi de rechercher des applications potentielles du point de vue thérapeutique de cette interaction.<p>L’approche métabolomique globale basée sur une analyse comparative des spectres 1H-RMN d’extraits bruts de tissus infectés et de tissus non-infectés couplée à des analyses statistiques de données multivariées (ACP, OPLS-DA) a été utilisé pour l’étude de la reprogrammation métabolique. Le résultat indique une accumulation de composés phénoliques et des métabolites de la famille des diterpènes dans les tissus de la galle feuillée. <p>Les activités biologiques des extraits de la galle feuillée ont ensuite été évaluées, notamment des activités antioxydantes (DPPH, FRAP), anti-inflammatoire (15-LOX) et antiproliférative (MTT). Il ressort de cette analyse une augmentation du potentiel réducteur et anti-radicalaire des extraits de la galle feuillée, une activité inhibitrice de la lipoxygénase ainsi qu'une activité antiproliférative sur lignées tumorales humaines, comparée à la plante non infectée. <p>L’étude des composés affectant la prolifération des cellules cancéreuses humaines a aboutit à la mise en évidence d’un mélange de molécules (F3.1.1) appartenant au groupe des incensoles (cembrènoïdes). Ces composés ralentissent la durée de la division cellulaire, affectent la taille des cellules et induisent des anomalies de la karyokinèse et de la cytokinèse des cellules de glioblastome U373. La dynamique tubuline/microtubule est identifiée comme étant la cible des cembrènoïdes (F3.1.1). L’effet des ces composés est original comparé aux anti-tubulines usuels tel que la colchicine et le paclitaxel. Le mécanisme d’action des incensoles est unique et donc prometteur du fait que la dynamique des microtubules reste une cible de choix dans le traitement des cellules cancéreuses.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’orientation principale des travaux de recherches qui sont présentés dans cette thèse est de valoriser les espèces nordiques de la région du Nunavik en démontrant la diversité structurale et la spécificité biochimique des métabolites qu’elles biosynthétisent. Nous croyons que la flore nordique du Québec est une source inestimable de composés bioactifs en raison des stress environnementaux auxquels les espèces sont soumisses. En fait, c’est cette pression évolutive qui mène à la diversification structurale des métabolites spécialisés afin que les espèces soient mieux adaptées à leur environnement. La dynamique des écosystèmes du Grand Nord du Québec est toutefois appelée à changer drastiquement avec les changements climatiques. L’expansion de l’arbuste Betula glandulosa depuis les années 1990 est d’ailleurs un problème préoccupant puisque la densification menace la biodiversité en altérant tant l’environnement biotique qu’abiotique des écosystèmes nordiques. Il est ainsi pertinent de caractériser le métabolome nordique de la flore du Québec via l’investigation phytochimique de ces espèces qui sont en continuelle évolution. La présente thèse rapporte les investigations phytochimiques du lichen Stereocaulon paschale qui sont axées vers l’identification de composés anti-inflammatoires. En plus de démontrer le potentiel d’inhibition de l’acide lobarique et de pseudodepsidones envers plusieurs cibles pro-inflammatoires, une relation structure-activité et un mécanisme d’action ont été proposés en réalisant des simulations d’arrimage moléculaire. L’étude de la composition phytochimique des feuilles de l’arbuste Betula glandulosa et l’évaluation du potentiel d’inhibition des métabolites vis-à-vis l’élastase sont également rapportées. L’étude de cette espèce a été un défi de taille en termes d’extraction et de purification en raison de son profil en métabolites très complexe. L’approche des réseaux moléculaires a ainsi été employée pour accélérer le rythme de la découverte des composés inédits et/ou bioactifs. L’étude détaillée du profil en métabolites et la localisation des composés d’intérêts qui ont été respectivement dérépliqués et ciblés par l’utilisation des réseaux moléculaires, sont ainsi présentées. / The main orientation of this thesis is to enhance species in subarctic ecosystem in Northern Quebec by demonstrating the high chemical diversity and biochemical specificity of the secondary metabolites they biosynthesize. We believe that northern flora of Quebec is of great interest for the discovery of novel or bioactive secondary metabolites due to extreme growing conditions in the Nunavik region. In fact, it is this evolutionary pressure that leads to the adaptation of living organisms in their specific ecosystem and the chemical diversification of natural products in nature. The dynamics of the ecosystems of Northern Quebec are, however, about to change drastically with the warming trend that is observed since the 1990s in Nunavik. The expansion and extreme densification of the dwarf birch (Betula glandulosa) in lichen-dominated ecosystems threatens biodiversity by altering biotic and abiotic environment of northern ecosystems. Hence, it is important to characterize the metabolome of northern flora of Quebec by carrying out phytochemical investigations on species that are continuously evolving. In this thesis, the phytochemical investigations of the lichen Stereocaulon paschale focused on the discovery of anti-inflammatory secondary metabolites. Herein we report the potential of lobaric acid and pseudodepsidones to reduce the expression of several pro-inflammatory targets. In addition, docking simulation experiments provided insight on the structure-activity relationship and the mechanism of action. The phytochemical study of the leaf of the shrub Betula glandulosa and the potential of the metabolites to exhibits significant elastase inhibition are also reported in the thesis. The very high complexity of the crude extracts of this species was very challenging in term of extraction and purification. The identification of novel bioactive NPs from such complex matrices remain a significant challenge in drug discovery programs. A molecular networking approach was thus used to explore the chemical diversity and accelerate the speed of the discovery of novel and bioactive NPs. By using this advanced mass spectrometry approach of dereplication, the thorough metabolite profiling of the crude extract was performed with the objective of targeting compounds of interest.

Le plus grand défi qui se pose pour les générations actuelles et futures est celui des changements climatiques. Les impacts se feront sentir pour les humains, les sociétés, mais aussi pour les écosystèmes. Ces changements climatiques entrainent déjà des modifications de la faune et la flore des écosystèmes autour du globe et il est accepté que les régions du Nord subiront les modifications les plus drastiques de leurs conditions menaçant ainsi les ressources naturelles qu'elles renferment. De nombreux secrets et les connaissances associées pourraient donc disparaitre avec les changements climatiques. Les plantes et les lichens produisent toute une kyrielle de molécules jouant divers rôles dans leur croissance, leur survie, leur reproduction, leur communication, etc. Un nombre considérable de ces produits naturels issus de végétaux sont d'ailleurs utilisés en pharmaceutique, en cosméceutique, en cosmétique, en parfumerie, en alimentation, etc. Les organismes produisent des métabolites en réponse aux stress qu'ils subissent et ces stress sont très différents dans la nordicité en comparaison des autres écosystèmes de la planète ce qui peut avoir un impact sur la composition moléculaire des végétaux et des autres organismes qui s'y trouvent. Le métabolome de végétaux issus de la nordicité a été étudié, en analysant les huiles essentielles de Rhododendron groenlandicum, Rhododendron subarcticum et Myrica gale, ainsi que la fraction volatile de Betula glandulosa par chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse. Les huiles essentielles ont été comparées à des huiles essentielles des mêmes espèces ne provenant pas de la nordicité. Pour Betula glandulosa, il s'agissait de la première investigation de sa fraction volatile. Les huiles essentielles des deux Rhododendron ont également été évaluées pour diverses activités biologiques. Aussi, l'impact de la nordicité a été évalué en développant une méthodologie permettant la comparaison de la composition en métabolites secondaires d'échantillons de lichens prélevés à différentes latitudes. / The biggest challenge for current and future generations is climate change. Impacts will be felt by humans and society but also by ecosystems. Climate change already modifies fauna and flora around the world and the most intense modifications of ecosystem conditions will take place in the northern regions. The natural resources found in northern regions have a great potential. Their ecosystems are still full of secrets, knowledge that could very well disappear with climate change. Plants and lichens produce a variety of molecules playing diverse roles in their growth, their survival, their reproduction, their communications, etc. and a great number of natural products from plants are used in pharmaceuticals, cosmeceuticals, cosmetics, perfumes, foods, etc. Organisms produce secondary metabolites in response to stresses they are enduring and those are very different in northern regions compared to ecosystems elsewhere, which certainly have an impact on molecular composition of plants and other organisms evolving there like lichens. Metabolome of some plants from Nunavik have been studied, by analysis of essential oils from Rhododendron groenlandicum, Rhododendron subarcticum and Myrica gale and of the volatile fraction of Betula glandulosa by gas chromatography-mass spectrometry. Those essential oils have been compared with essential oils from the same species growing outside Nunavik. The investigation of volatile fraction from Betula glandulosa was the first ever. Essential oils from both Rhododendron species have been submitted to biological activity assays. Also, the impact of latitude has been examined by developing a method allowing comparison of secondary metabolites in lichens collected over a gradient of latitudes.