In 1990, creosote contamination was discovered at the location of a railroad tie treatment facility active in the 1950s until 1973. In 1997, a phytoremediation field study was implemented with the planting of 1,026 hybrid poplar trees and 36 cells of vegetated and unvegetated grass and legume treatments. The hybrid poplar tree phytoremediation system was designed to control infiltration and groundwater flow and enhance subsurface remediation. The grass phytoremediation system was designed to control erosion and enhance surface soil remediation. The overall objectives of this study were to: (1) assess the extent of subsurface remediation, (2) determine the mechanisms of remediation attributable to the hybrid poplar tree phytoremediation system and microbial degradation, (3) assess the effects of the grass phytoremediation system on surface soil remediation, and (4) determine the mechanisms of surface soil remediation resulting from the grass phytoremediation system. / Master of Science

Analysis and evaluation of the simultaneous growth and yield equations presented by Beck and Della-Bianca (1972) for predicting basal area growth and cubic-foot volume growth and yield in yellow-poplar stands after a single thinning indicated that a separate set of coefficients was required for stands thinned twice. A joint loss function involving both volume and basal area was used to estimate the coefficients in the system of equations. The estimates obtained were analytically compatible, invariant for projection length, and numerically equivalent with alternative applications of the equations. Given estimates of basal area and cubic-foot volume from these equations, board-foot volumes can also be calculated. As an adjunct to the stand level equations, compatible stand tables were derived by solving for the parameters of the Weibull distribution from attributes predicted with the stand-level equations. This procedure for estimating the parameters of the diameter distributions of the stands before thinning gave reasonable estimates of number of trees, basal area, and cubic-foot volume per acre by diameter class. The thinning algorithm removes a proportion of the basal area from each diameter class and produces stand and stock tables after thinning from below that are consistent with those generated before thinning. Finally, volume ratio equations were fitted to provide estimates of merchantable volume, i.b. or o.b., to either a specified diameter or height limit, where volume between any two diameter or height limits can be obtained through subtraction. Through rearrangement of the ratio equations, implicit taper functions were specified to predict height at a given diameter and diameter at a given height. / Master of Science

There are many methods for cleaning up contaminated soil and groundwater. Phytoremediation is an engineered method that utilizes plants and trees to remove or immobilize inorganic and organic contaminants. The plants and trees can contain contaminant plumes, uptake the contaminants, or aid in the degradation of the contaminants through several poorly understood mechanisms. Hybrid poplar trees were planted to contain a creosote contaminant plume at the study-site in Oneida, Tennessee. This research looks at how the trees will affect groundwater flow in the site. This is accomplished with the groundwater modeling program MODFLOW. The trees are simulated using the Evapotranspiration Package within MODFLOW, within the GMS modeling platform, to produce a two-dimensional unconfined aquifer viewpoint groundwater model. Site characterization, setup, and rationale are provided. The modeling methodology including calibration, sensitivity analysis, non-unique solution check, and verification are also provided. The modeling methodology included steady-state model calibration at the study-site to match observed field data; precursory steady-state and subsequent practice transient calibrations at the site; and incorporation of the simulation of evapotranspiration in the final transient model calibrations at the site. The results show that a phytoremediation system consisting of densely-planted hybrid poplar trees can indeed impact groundwater flow, although not to the extent that clearly would contain a creosote contaminant plume. Various input parameters including specific yield, transient recharge, starting heads, evapotranspiration rates, and evapotranspiration extinction depths impacted MODFLOW model sensitivity in transient calibrations. Varying the time steps in post-precipitation stress periods did not significantly impact the model output. The interception trench conductance played a minimal role in the calibration, but trench groundwater collection data was lacking, and the trench was frequently in need of maintenance. Further suggested data requirements include more frequently collected rainfall and piezometer data, as well as the installation of more piezometers outside the model domain contained in this study. Using the Evapotranspiration Package in MODFLOW provided more realistic and authentic results than using the Well Package (used in a previous study of the site by Panhorst in 2000) to simulate evapotranspiration. The Evapotranspiration Package in MODFLOW incorporates transpiration extinction depths that prevent transpiration when the water table drops below a certain depth. Further suggested program development includes incorporating an asymptotic function for transpiration rates and allowing the Evapotranspiration Package to import evapotranspiration rates, extinction depths, and elevations. It may be deduced from this impact of flow that the tree system will aid in containment of a contaminant plume, but at the trees current growth stage, and with the coal layer present at the site, the containment is limited. / Master of Science

Vegetative propagation allows the amplification of selected genotypes for research, breeding, and commercial planting. However, efficient in vitro regeneration and genetic transformation remains a major obstacle to research and commercial application in many plant species. Our aims are to improve knowledge of gene regulatory circuits important to meristem organization, and to identify genes that might be useful for improving the efficiency of in vitro regeneration. In this thesis, we have approached these goals in two ways. First, we analyzed gene expression during poplar (Populus) regeneration using an AffymetrixGeneChip® array representing over 56,000 poplar transcripts. We have produced a catalog of regulated genes that can be used to inform studies of gene function and biotechnology. Second, we developed a GUS reporter system for monitoring meristem initiation using promoters of poplar homologs to the meristem-active regulatory genes WUSCHEL (WUS) and SHOOTMERISTEMLESS (STM). This provides plant materials whose developmental state can be assayed with improved speed and sensitivity. For the microarray study, we hybridized cDNAs derived from tissues of a female hybrid poplar clone (INRA 717-1 B4, Populus tremula x P. alba) at five sequential time points during organogenesis. Samples were taken from stems prior to callus induction, at 3 days and 5 days after callus induction, and at 3 and 8 days after the start of shoot induction. Approximately 15% of the monitored genes were significantly up-or down-regulated based on both Extraction and Analysis of Differentially Expressed Gene Expression (EDGE) and Linear Models for Microarray Data (LIMMA, FDR<0.01). Of these, over 3,000 genes had a 5-fold or greater change in expression. We found a very strong and rapid change in gene expression at the first time point after callus induction, prior to detectable morphological changes. Subsequent changes in gene expression at later regeneration stages were more than an order of magnitude smaller. A total of 588 transcription factors that were distributed in 45 gene families were differentially regulated. Genes that showed strong differential expression encoded proteins active in auxin and cytokinin signaling, cell division, and plastid development. When compared with data on in vitro callogenesis from root explants in Arabidopsis, 25% (1,260) of up-regulated and 22% (748) of down- regulated genes were in common with the genes that we found regulated in poplar during callus induction. When ~3kb of the 5' flanking regions of close homologs were used to drive expression of the GUSPlus gene, 50 to 60% of the transgenic events showed expression in apical and axillary meristems. However, expression was also common in other organs, including in leaf veins (40% and 46% of WUS and STM transgenic events, respectively) and hydathodes (56% of WUS transgenic events). Histochemical GUS staining of explants during callogenesis and shoot regeneration using in vitro stems as explants showed that expression was detectable prior to visible shoot development, starting 3 to 15 days after explants were placed onto callus inducing medium. Based on microarray gene expression data, a paralog of poplar WUS was detectably up-regulated during shoot initiation, but the other paralog was not. Surprisingly, both paralogs of poplar STM were down-regulated 3- to 6-fold during early callus initiation, a possible consequence of its stronger expression in the secondary meristem (cambium) than in shoot tissues. We identified 15 to 35 copies of cytokinin response regulator binding motifs (ARR1AT) and one copy of the auxin response element (AuxRE) in both promoters. Several of the WUS and STM transgenic events produced should be useful for monitoring the timing and location of meristem development during natural and in vitro shoot regeneration. / Graduation date: 2008

Both transportation costs and market values of woody biomass are strongly linked to the amount of moisture in the woody biomass. Therefore, managing moisture in the woody biomass well can lead to significant advantages in the woody biomass energy business. In this study, two prediction models were developed to estimate moisture content for Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco) and hybrid poplar (Populus spp.) woody biomass. Experimental data for the Douglas-fir model were collected over four different seasons at two different in-forest study sites in Oregon (Corvallis and Butte Falls) between December 2010 and December 2011. Three woody biomass bundles consisting of 3-meter length logs (30 to 385 mm diameter) were built each season at each study site; a total of 24 Douglas-fir bundles (1,316 to 3,621 kg weight) were built over the period. Experimental data for the hybrid poplar model were collected in two drying trials at two off-forest study sites in Oregon (Clatskanie and Boardman) between April 2011 and January 2012. Two types of woody bundles consisting of 3-meter length logs were built each trial: small (28 to 128 mm diameter, 2,268 to 5,389 kg weight) and large (75 to 230 mm diameter, 3,901 to 7,013 kg weight). A total of eight hybrid poplar bundles were built over the period. These data were used to develop linear mixed effects multiple regression models for predicting the moisture content of Douglas-fir and hybrid poplar biomass, respectively. The major factors considered in this study for predicting woody biomass moisture content change were cumulative precipitation, evapotranspiration (ET₀), and biomass piece size. The Food and Agriculture Organization (FAO) Penman-Monteith method, which requires temperature, solar radiation, wind, and relative humidity data, was used to calculate ET₀. The developed models can be easily applied to any location where historic weather data are available to calculate estimated air-drying times for Douglas-fir and hybrid poplar biomass at any time of the year. Oregon has been split into nine climate zones. Use of the model was demonstrated for four climate zones, two in which air-drying data were collected, and two in which it was not collected. Considerable differences in predicted drying times were observed between the four climate zones. / Graduation date: 2013

Master of Science / Department of Geology / Sambhudas Chaudhuri / Rare earth element (REE) concentrations were measured in a source (reference) clay Ca-smectite standard and in the roots, stems, and leaves of a species of poplar plant (Populus eugenei). The poplar plant was grown in the clay standard under controlled laboratory conditions during a period of about three months. REEs were shown to fractionate in the clay mineral and plant materials with greater fractionation observed in plant materials. The REE data provide insight into the process of weathering of clay minerals such as a Ca-bearing smectite and provide insight into the degradation of and the composition of clay minerals in the plant environment. The degradation process is not followed by significant interlayer ion exchange effect on remaining clay minerals in the root environment. REEs were found to be transported into complex forms, potentially as REE-carboxylic anion pair complexes. The plant materials in this study were in general heavy REE (HREE) enriched relative to the source clay minerals due to the complexation effect. The REE anomalies observed in this study, in addition to the Ce and Eu anomalies, may be explained by the selective uptake by the plant by an enzyme effect rather than due to the influence of oxidation-reduction. The enzyme influence was more evident in the REE distribution when compared among the plant organs. These REE characteristics described for the plants may eventually be incorporated with data from numerous other studies and also used as a guide in the assessment of the contribution of plant materials to dissolved REE content in surface water and groundwater.

Pflanzen verfügen über ein hohes Maß an phänotypischer Plastizität. Modifikationen ihres genetisch determinierten Aufbaus ermöglichen ihnen, flexibel auf ein breites Spektrum von Umwelteinflüssen zu reagieren. Dies umfasst Veränderungen der Pflanzenarchitektur, die durch den modularen Aufbau des Sprosses ermöglicht werden. In den Blattachseln des Primärsprosses werden Achselknospen angelegt. Jede einzelne dieser Knospen hat das Potenzial, zu einem Sekundärspross, d.h. einem Zweig, auszuwachsen. Der Knospenaustrieb wird jedoch reguliert und die meisten Knospen verbleiben in einem dormanten Status. Bei der Entscheidung, ob die Dormanz einer Knospe gebrochen wird und sie zu einem Zweig auswächst, spielen diverse endo- und exogene Faktoren eine Rolle, die in einem komplexen, aus Hormonen und Transkriptionsfaktoren bestehenden Regelnetz, integriert werden. Dieses umfasst Strigolactone (SL), eine neuartige Klasse von Phytohormonen, die im Allgemeinen den Knospenaustrieb hemmen. Es wird diskutiert, dass der inhibitorische Effekt der SL durch eine Modulation des Flusses des Phytohormons Auxin und/oder die Regulation anderer nachgelagerter Faktoren direkt in der Knospe herbeigeführt wird. Das bekannteste Beispiel für ein knospenspezifisches, SL-reguliertes Gen ist BRANCHED1 (BRC1), dessen mRNA-Abundanz positiv von SL beeinflusst wird. Es codiert einen Transkriptionsfaktor der den Knospenaustrieb unterdrückt, was höchstwahrscheinlich über eine Regulation des Zellzyklus erfolgt. SL und BRC1 wurden umfassend in Modellarten wie Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), Erbse (Pisum sativum), Petunie (Petunia hybrida) und Reis (Oryza sativa) untersucht. Im Gegensatz dazu ist das Wissen über die Gene und Stoffwechselwege dieses Regelkreises in verholzten, ausdauernden Arten wie dem Modellbaum Pappel (Populus sp.), limitiert. In der vorliegenden Arbeit wurden Pappel-Orthologe von Genen, die an der SL-Biosynthese (MAX4) und der SL-Signaltransduktion (MAX2) beteiligt sind, identifiziert und auf eine vermutete Funktion in der Regulation der Baumarchitektur untersucht. Es existieren jeweils zwei Orthologe in der Pappel. Um ihre Funktion zu charakterisieren, wurden Expressionsanalysen durchgeführt und transgene Linien für amiRNA-vermittelte simultane oder einzelne knock-downs der beiden Orthologe erzeugt. Knock-downs von MAX2 waren nur teilweise erfolgreich. Es konnte kein Phänotyp beobachtet werden, was höchstwahrscheinlich auf eine redundante Funktion des nicht herunterregulierten Orthologs zurückzuführen ist. MAX4 Doppel-Knock-downs waren hingegen erfolgreich und es konnten typische SL-Mangelphänotypen in den entsprechenden amiMAX4-1+2 Linien beobachtet werden. Diese umfassten eine erhöhte Sprossverzweigung, eine Reduktion der Pflanzenhöhe, eine verkürzte Indernodienlänge sowie eine erhöhte Adventivbewurzelung. Durch ihre geringe Konzentration, hohe Instabilität und große Diversität ist die direkte Quantifizierung von SL sehr anspruchsvoll. Außerdem sind Standards und Referenzen für Pappel-SL nicht verfügbar, was direkte Messungen nicht durchführbar machte. Stattdessen wurden indirekte Hinweise auf SL-Mangel in den amiMAX4-1+2 Pflanzen gesammelt. Ein Beispiel dafür ist die erfolgreiche Komplementation der Sprossphänotypen durch Pfropfung. Baumspezifische Aspekte der Knospendormanz, besonders die Winterdormanz, wurden ebenfalls untersucht. Ein Einfluss von SL konnte aber nicht nachgewiesen werden, was darauf hinweist, dass SL den Knospenaustrieb nur in der vegetativen Periode hemmen. Als ein SL-reguliertes Zielgen und daher eine weitere wichtige Komponente der Verzweigungskontrolle wurde ein Pappel BRC1 Ortholog identifiziert. Dieses Gen wies die typischen, in anderen Arten nachgewiesenen Expressionsmuster, sowie eine signifikant reduzierte Expression in den erzeugten amiMAX4-1+2 Linien auf, welche wahrscheinlich reduzierte SL-Level haben. Zusätzlich wurde auf der Basis von Sequenz- und Expressionsanalysen ein Pappel BRC2 Ortholog identifiziert. Beide Gene kontrollieren möglicherweise die Verzweigung in Pappeln und integrieren verschiedene Umwelteinflüsse. Zusammengefasst legen die in diesem Projekt gewonnenen Daten eine Rolle von SL und BRC1 als wichtige Regulatoren des Knospenaustriebs in Pappeln nahe. Die Ergebnisse machen deutlich, dass grundlegende Prozesse in der Kontrolle der Pflanzenarchitektur über ein breites Spektrum von Arten, einschließlich Bäumen, hoch konserviert sind. Abgesehen von ihrer Relevanz als Grundlage zur Erforschung der Rolle von SL und BRC1 in Pappeln, sind die in diesem Projekt erzeugten stark verzweigten Linien möglicherweise wirtschaftlich für die Nutzung auf Kurzumtriebsplantagen interessant, auf welchen sie vermutlich über verbesserte Eigenschaften im Stockaustrieb nach der Ernte und im Kronenschluss verfügen.

Pappelsorten (Populus) für den Anbau in Kurzumtriebsplantagen sollten neben einer hohen Biomasseproduktion und der Vermehrbarkeit über Steckhölzer auch Trockentoleranz aufweisen. Trockenheit stellt einen wichtigen abiotischen Stressor dar, der das Wachstum der Pflanze, ihre Vitalität und ihre Produktivität negativ beeinflussen kann. Polyploide Sorten von Getreidepflanzen (Triticum), krautigen Pflanzen (Lonicera, Spathiphyllum und Nicotiana) aber auch Baumarten (Betula) zeigen eine höhere Toleranz gegenüber Stress, wie z.B. Trockenstress, im Vergleich zu Sorten mit niedrigerem Ploidiegrad. Hybridaspen Populus tremula (L.) x P. tremuloides (Michx.) der Sektion Populus können auch auf Grenzertragsböden ökonomische Zuwächse verzeichnen, auf denen andere Baumarten ausfallen. Den Hybridaspen fehlt allerdings die Vermehrbarkeit über Steckhölzer. Anderen Pappelarten der Sektionen Tacamahaca und Aigeiros wie beispielsweise P. nigra (L.) and P. trichocarpa (Torr. & Gray) x P. deltoides (Bartram ex Marsh) zeigen diese entscheidende Eigenschaft. Da Kreuzungen zwischen den Sektionen Populus und Tacamahaca oder Aigeiros auf natürlichem Weg schwierig sind, wurde die Methode der somatischen Hybridisierung eingesetzt. Der Klon P. tremula x P. tremuloides ('Münden 2') wurden als ein Fusionspartner und einer der Klone P. x canescens (INRA clone No. 717 1‑B4), P. nigra oder P. trichocarpa x P. deltoides (B19) als zweiter Fusionspartner in Hybridisierungsexperimenten verwendet. Blattmorphologisch und durch Mikrosatellitenanalysen konnten die erhaltenen Fusionsprodukte dem Ausgangsklon P. tremula x P. tremuloides ('Münden 2') zugeordnet werden, wiesen dabei aber einen tetraploiden Chromosomensatz auf. In der vorliegenden Dissertation war das zentrale Ziel, Trockenstressreaktionen tetraploider Hybridaspenlinien (HAL) im Vergleich zur diploiden Ausgangslinie P. tremula x P. tremuloides ('Münden 2') zu untersuchen. Dazu wurden die folgenden Fragen aufgestellt. (i) Sind die tetraploiden HAL dem diploiden Ausgangsklon unter Trockenheit überlegen z.B. hinsichtlich des Wasserverbrauchs und des Verwelkungs- und Vertrocknungszeitpunktes der Blätter? (ii) Unterscheiden sich die tetraploiden HAL von dem diploiden Ausgangklon in morphologischen Ausprägungen wie beispielsweise der Stomatamorphologie, der Höhe, der Biomasse und der Gesamtblattfläche? (iii) Ist die höhere Trockentoleranz der tetraploiden HAL durch den erhöhten Ploidiegrad verursacht? (iv) Zeigen die tetraploiden HAL unter Trockenstress früh physiologische Veränderungen im Kohlenhydratgehalt, dem relativen Blattwassergehalt und der stomatären Leitfähigkeit? (v) Gibt es genetische Modifikationen abgesehen von der Tetraploidie wie z.B. Duplikationen und Deletionen, die eventuell Einfluss auf das Trockensressverhalten haben könnten? In einem ersten Experiment wurden vier tetraploide HAL untersucht. Zwei HAL zeigten einen geringeren Wasserverbrauch und drei HAL eine spätere Verwelkung als der diploide Ausgangsklon. Außerdem entwickelten die tetraploiden HAL eine geringere Stomatadichte, größere Stomata und eine vergleichbare oder geringere Höhe, Biomasse und Gesamtblattfläche im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon. Das zweite Experiment wurde mit vier diploiden und 16 weiteren tetraploiden HAL durchgeführt. Auch die diploiden Linien stammten aus Protoplastenfusions-experimenten. Die tetraploiden HAL wiesen im Mittel eine höhere Überlebensrate als die diploiden HAL auf, entwickelten aber durchdschnittlich ein geringeres Höhenwachstum. Unter Berücksichtigung der Höhe verwelkten 11 tetraploide, aber keine diploide HAL später als der diploide Ausgangsklon. In einem dritten Experiment wurden zwei Linien aus dem zweiten Experiment ausgewählt, die vergleichbares Höhenwachstum zeigten, aber später verwelkten als der diploide Ausgangklon. Es wurden physiologische Merkmale wie der Wasserverbrauch und der Verwelkungszeitpunkt der Blätter beobachtet und der relative Blattwassergehalt, die stomatäre Leitfähigkeit und der Kohlenhydratgehalt in einer Zeitreihe untersucht. Geringerer Wasserverbrauch im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon konnte in beiden tetraploiden HAL gezeigt werden. Diese Beobachtung deckt sich mit dem höheren relativen Bodenwassergehalt der tetraploiden HAL im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon. Insgesamt spricht das für geringeren Trockenstress in den tetraploiden HAL. Auf der anderen Seite sollte ein geringerer Wasserverbrauch auch eine geringere stomatäre Leitfähigkeit nach sich ziehen. Dies war in den tetraploiden HAL nicht durchgehend der Fall. Relativ zur Kontrolle konnten die tetraploiden Linien aber eine höhere stomatäre Leitfähigkeit bei Bodenwassergehalten aufrechterhalten, bei denen die diploide Ausgangslinie bereits ihre Stomata geschlossen hatte. Dies weist ebenfalls auf eine höhere Trockentoleranz der tetraploiden HAL hin. Genetische Modifikationen wie beispielsweise Duplikationen und Deletionen wurden mit Hilfe von “copy number variation”(“Kopienzahlvariation”)-Analysen an drei tetraploiden HAL und der diploiden Ausgangslinie durchgeführt. Die drei tetraploiden Linien zeigten vergleichbares Höhenwachstum, aber spätere Verwelkung als die diploide Ausgangslinie. Bei dieser Analyse konnten nur drei Segmente detektiert werden, die bei allen drei tetraploiden HAL im Vergleich zum diploiden Ausgangsklon verändert vorlagen. Die putativen Gene der detektierten Segmente wiesen keine Annotation auf. Eine der drei tetraploiden HAL zeigte eine hohe Anzahl von 90 Segmenten, die hier aber weder in dem diploiden Ausgangsklon noch in den beiden anderen tetraploiden Linien erhöht vorlagen. Diese Linie zeigte zwar eine höhere Trockentoleranz als der diploide Ausgangsklon, aber nicht gegenüber der anderen untersuchten tetraploiden HAL (Experiment 3). Beide tetraploiden HAL waren bezüglich des Wasserverbrauchs, des Verwelkungszeitpunktes und der stomatären Leitfähigkeit ähnlich. Dies lässt vermuten, dass die Trockentoleranz durch die Tetraploidie und nicht durch weitere genetische Modifikationen bedingt ist. Trotzdem ist eine weiterführende funktionelle Untersuchung der drei Segmente, die in allen tetraploiden HAL verändert auftraten, sinnvoll, da auch hier ein trockenrelevantes Gen verändert sein könnte. Um eine Relevanz der putativen Gene bezüglich Trockenheit zu testen, könnte zukünftig das Verhalten von Knock-out-Mutanten, denen die entsprechende Sequenz fehlt, unter Trockenstress untersucht werden. Abschließend ist zu bemerken, dass neben den hier untersuchten HAL mehrere hundert Fusionsprodukte in einem Verbundprojekt genetisch charakterisiert wurden. Die Heterofusionsfrequenz war äußerst gering und die Hybriden waren bereits in der in vitro Phase nicht überlebensfähig. Geringe Heterofusionsfrequenz wurde beteits in anderen Arten beobachtet (Cyclamen, Brassicaceae, Fabaceae, Poaceae, Solanaceae). Da in dieser Dissertation nur Homofusionslinien verwendet wurden, wurde die Vermehrbarkeit über Steckhölzer nicht getestet, sondern der Fokus auf das Trockenstressverhalten der tetraploiden Homofusionslinien gelegt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass veränderte morphologische Ausprägungen und eine höhere Trockentoleranz in den HAL mit erhöhten Ploidiegrad auftraten. Dies prädestiniert die tetraploiden Linien für Standorte, an denen Wasser als limitierender Faktor auftritt und hohe Ausfallraten durch Dürre erwartet werden.

Understanding the lignin effect and related structural parameters relevant to the recalcitrance of the plant cell wall and the individual and cooperative effects on enzymatic saccharification are vital for improving current processing and conversion methods for cellulosic biofuels. Data were collected from several pretreatment technologies (Hot-water, organo-solv, lime, lime-oxidant, dilute acid, and dilute acid-oxidant pretreatments) on cellulose ultrastructure, partial delignification followed by dilute acid pretreatment, dilute acid pretreatment of enzymatic isolated lignin, and melt rheology test of organo-solv lignin. Results showed minimal cellulose ultrastructural changes occurred due to lime and lime-oxidant pretreatments, which however especially at short residence time displayed relatively high enzymatic glucose yield. Dilute acid and dilute acid-oxidant pretreatments resulted in the largest increase in cellulose crystallinity, para-crystalline, and cellulose-Iβ allomorph content as well as the largest increase in cellulose microfibril or crystallite size. Organo-solv pretreatment generated the highest glucose yield, which was accompanied by the most significant increase in cellulose microfibril or crystallite size and decrease in relatively lignin contents. Lignin acted as a barrier which restricted cellulose crystallinity increase and cellulose crystallite growth during dilute acid pretreatment, and that partial delignification instead of complete lignin removal during DAP would benefit the increase of sugar yield. Furthermore, a deeper understanding of the structural change of lignin in the absence of cellulose-hemicellulose matrix during dilute acid pretreatment confirmed that delignification had the most beneficial effect in poplar, but for switchgrass was the xylan removal. In addition, investigation on the structural change of organo-solv lignin during melt rheology test indicated that high purity lignin isolated from plant biomass with the lowest S/G (syringyl/guaiacyl) ratios will exhibit superior processing performance characteristics to produce high-quality carbon fibers. These findings can aid both in the development of improved enzymes that contain activities to decompose recalcitrant structures and in the design of various processing conditions that efficiently convert specific biomass feedstock into sugars. They can also help in the design of new chemical modifications on lignin and innovative biosynthesis strategies for producing linear-fiber-forming lignin with high-performance.

L'ozone troposphérique est un polluant atmosphérique majeur qui agit comme une phytotoxine. Il pénètre dans les feuilles par les stomates avant d'être dissout dans l'apoplaste en générant des radicaux libres oxygénés (ROS) provoquant ainsi un stress oxydatif. Deux barrières existent pour restreindre les effets de l'ozone : (i) les stomates qui peuvent limiter les flux entrants par contrôle de la conductance stomatique et (ii) le système de détoxication des ROS issus de la dégradation de l'ozone. Nous avons étudié les effets de l'ozone (120 ppb) sur ces deux moyens de défense chez trois génotypes de peuplier euraméricain (Populus deltoides x Populus nigra) placés en conditions contrôlées dans des chambres phytotroniques. Un effet direct de l'ozone sur la photosynthèse et sur les mouvements stomatiques en réponse à des variations de facteurs environnementaux (ralentissement des phénomènes d'ouverture et de fermeture) a été mis en évidence. Les modèles de calcul de la conductance stomatique, sur lesquels se basent les indicateurs de seuil de risque à l'ozone pour la végétation, doivent donc les prendre en compte. De plus, ces travaux ont mis en évidence le rôle prépondérant des concentrations constitutives en antioxidants dans la tolérance à l'ozone ainsi que la complexité de ces mécanismes de détoxication. La notion de flux effectif d'ozone doit prendre en considération ces deux aspects afin de caractériser au mieux les différences de sensibilité à l'ozone intra et inter spécifique / Tropospheric ozone is a major air pollutant that acts as a phytotoxin. It enters the leaf through the stomata before being dissolved in the apoplast by generating reactive oxygen species (ROS) causing oxidative stress. Two defenses exist to restrict the effects of ozone: (i) the stomata which can limit ozone uptake by regulating stomatal conductance and (ii) the detoxification processes of ROS generated by ozone.We studied the effects of ozone (120 ppb) on these two mechanisms of defense in three euramerican poplar genotypes (Populus deltoides x Populus nigra) under controlled conditions in phytotronic chambers. A direct effect of ozone on photosynthesis and stomatal movements in response to changes in environmental factors (by slowing the stomatal opening and closure) has been highlighted. Models of stomatal conductance, on which indicators of critical level of ozone for vegetation are based, must take them into account. In addition, these studies have highlighted the role of constitutive concentrations of antioxidants in tolerance to ozone as well as the complexity of these detoxification mechanisms. The notion of effective ozone flux must consider these two aspects to better characterize the intra-and inter-specific differences in sensitivity to ozone