Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Winter survival is variable among commercially grown strawberry (Fragaria x ananassa) cultivars. The main objectives of this study were to evaluate the molecular basis that contribute to this difference in strawberry cultivars and to identify potential biomarkers that can be used to facilitate the development of new strawberry cultivars with improved overwintering hardiness. With these goals in mind, the freezing tolerance was examined for four cultivars, ‘Jonsok’, ‘Senga Sengana’, ‘Elsanta’, and ‘Frida’ (listed from most to least freezing tolerant based on survival from physiological freezing experiments) and the protein expression was investigated in the overwintering relevant crown structure of strawberry. Biomarker selection was based on comparing the protein profiles from the most cold-tolerant cultivar, ‘Jonsok’ with the least cold-tolerant cultivar ‘Frida’ in a comprehensive investigation using two label-free global proteomic methods, shotgun and two dimensional electrophoresis, with support from univariate and multivariate analysis. A total of 143 proteins from shotgun and 64 proteins from 2DE analysis were identified as significantly differentially expressed between ‘Jonsok’ and ‘Frida’ at one or more time points during the cold treatment (0, 2, and 42 days at 2 ºC). These proteins included molecular chaperones, antioxidants/detoxifying enzymes, metabolic enzymes, pathogenesis related proteins and flavonoid pathway proteins. The proteins that contributed to the greatest differences between ‘Jonsok’ and ‘Frida’ are candidates for biomarker development. The novel and significant aspects of this work include the first crown proteome 2DE map with general characteristics of the strawberry crown proteome, a list of potential biomarkers to facilitate the development of new strawberry cultivars with improved cold stress tolerance.

En général, le métabolisme des poissons est estimé à des valeurs de température constantes, mais les effets de fluctuations journalières de température similaires à celles retrouvées en milieu naturel semblent peu connus. Les objectifs du présent mémoire sont de quantifier les effets de la température moyenne d’acclimatation et d’évaluer les effets de l’historique thermique des individus, sur les réponses métaboliques de tacons de saumon Atlantique (Salmo salar) aux fluctuations journalières de la température. Des tacons provenant de deux rivières, une fraîche et une chaude, ont été acclimatés à un maximum de quatre régimes thermiques (constant 15 °C ou 20 °C, fluctuant 15 °C ± 2.5 °C ou 20 °C ± 2.5 °C) et leur taux métabolique standard estimés par respirométrie par débit-intermittent. Les fluctuations journalières de température (15 °C ± 2.5 °C) près de l’optimum thermique pour cette espèce (16 °C) n’affectent pas le taux métabolique standard. À l’opposé, les fluctuations journalières de température plus chaudes (20 °C ± 2.5 °C) augmentent de 35.4% le taux métabolique standard des tacons de la rivière plus chaude, mais pas ceux des poissons de la rivière fraîche. Ainsi, la température moyenne à laquelle sont acclimatés les poissons peut affecter leur réponse métabolique aux fluctuations journalières de température, mais cette réponse peut varier entre populations provenant de rivières présentant des régimes thermiques différents. Enfin, grâce aux données de métabolisme précédemment estimées, un modèle de métabolisme standard a été développé pour des tacons de saumon Atlantique soumis à des fluctuations journalières de température. / Usually, fish metabolism is evaluated under constant values of temperature, but the effects of daily temperature fluctuations similar to those found in natural environment on metabolism seems to be much less understood. The goals of this study are to quantify the effects of the mean acclimation temperature and to assess the effects of the thermal history on the metabolic response of Atlantic salmon (Salmo salar) parr to daily fluctuations of water temperature. Atlantic salmon parr originating from two rivers, one cool and one relatively warm, were acclimated to up to four thermal regimes (constant 15 °C or 20 °C, daily fluctuating 15 °C ± 2.5 °C or 20 °C ± 2.5 °C) and their standard metabolic rate was estimated using intermittent-flow respirometry. Daily temperature fluctuations (15 °C ± 2.5 °C) near this species’ thermal optimum (16 °C) do not influence standard metabolic rate. In contrast, daily fluctuations of higher temperature (20 °C ± 2.5 °C) do increase standard metabolic rate by 35.4% for fish from the warmer river, but not for fish from the cooler river. Therefore, the mean temperature to which fish are acclimated may affect their responses to daily fluctuations of water temperature, but this response may vary between populations originating from rivers having different thermal regimes. Using standard metabolic rates previously estimated, a standard metabolic rate model was developed for Atlantic salmon parr exposed to daily fluctuations of temperature.

En Europe, les prairies permanentes représentent l’une des principales formes d’utilisation des terres. La durabilité des services rendus par ces écosystèmes est étroitement liée à la structure et au fonctionnement des communautés végétales qui les composent. La stabilité des processus écosystémiques, sous l’impact des fluctuations environnementales, va alors dépendre des mécanismes de résistance et de récupération propres à ces communautés. Les risques d’apparition d’extrêmes climatiques liés à l’évolution du climat, rendent nécessaire une adaptation des agro-écosystèmes à cette fluctuation climatique accrue. Cela implique de mieux comprendre les mécanismes par lesquels la variabilité du climat influe sur le fonctionnement et la structure des communautés végétales, et comment les pratiques agricoles impactent ces réponses. Cette thèse à pour objectif d’évaluer la vulnérabilité des prairies permanentes à un extrême climatique combinant une canicule et une sécheresse, dans un contexte de changement climatique. Afin d’identifier et de caractériser les mécanismes intrinsèques de la résistance à la sécheresse des communautés végétales, une démarche expérimentale mobilisant les concepts de l’écologie fonctionnelle a été développée. Les effets de la variabilité climatique sur la structure (diversité, composition) et le fonctionnement des communautés végétales ont d’abord été analysés in situ pendant 3 ans, après simulation d’une canicule-sécheresse dans les conditions climatiques actuelles et sous climat modifié (réchauffement et réduction des précipitations). Pour évaluer l’influence de la gestion sur la réponse des communautés végétales aux perturbations climatiques, deux fréquences de fauches ont été appliquées. Ce travail présente l’originalité d’avoir étudié conjointement le fonctionnement aérien et souterrain de la végétation. Sont considérées la production de biomasse, la démographie et la durée de vie des racines, afin de déterminer le rôle du système racinaire dans la résistance et la récupération des communautés végétales après une canicule sécheresse. Nous montrons un effet direct de l’extrême climatique sur la sénescence aérienne et la croissance racinaire dans les deux régimes de fauches. En réponse à un déficit hydrique modéré, la stratégie d’évitement au stress par le maintien de la croissance racinaire a été favorisée par des fauches non fréquentes. A l’automne suivant, les précipitations ont permis un reverdissement rapide de la couverture végétale et la production de nouvelles racines. Une baisse significative de la production de biomasse aérienne annuelle sous climat modifié, et suite à l’application de l’extrême climatique, a été observée pendant les 3 années d’expérimentation. En revanche, la production racinaire n’a pas été significativement affectée. Néanmoins une acclimatation de la croissance racinaire a été mise en évidence un an après l’extrême, en particulier dans les communautés de fauches non fréquemment. Ces changements de fonctionnement aériens et souterrains peuvent s’expliquer en partie par des modifications de la composition botanique. De plus, en réponse aux perturbations climatiques, la mortalité racinaire a été interrompue. Ces résultats inattendus ont donc entrainé une augmentation de la durée de vie des racines et suggèrent un effet négatif sur le turnover racinaire et les cycles biogéochimiques. Une expérimentation complémentaire à l’étude in situ a été menée en conditions semicontrôlées pour déterminer les mécanismes intrinsèques de la résistance à la sécheresse de la prairie permanente. Des traits morphologiques et physiologiques, aériens et souterrains, ont été mesurés sur des monocultures de sept populations prairiales en conditions optimales, puis en conditions de sécheresse afin de caractériser leurs stratégies de survie. Les résultats ont mis en évidence le rôle du système racinaire dans la survie des plantes. (...) / In Europe, grassland is one of the dominant forms of land use. The sustainability of their environmental and ecological services is linked to plant community structure and functioning. Under climatic constraints, the stability of community functioning will depend on plant resistance and recovery mechanisms. Actually, increase in climate variability linked to climate change, is expected to lead to more frequent and more intense climate extremes.Therefore, it is necessary to adapt ecosystem management to climate variability increase. This imply to improve our knowledge on mechanisms by which climate drivers modify the structure and the functioning of plant community, and to determine how the agricultural practices affect these responses. Therefore, this study aimed to characterise vulnerability of perennial grassland to combined heat wave and severe drought and to determine mechanisms of plant community resistance to drought. For this, an experimental approach was developed based on the functional ecology concepts. The effect of climate variability on the structure (diversity and composition) and the functioning of plant community were first analyzed in situ during three years. Microclimate of the vegetation was manipulated to simulate warming, precipitation reduction, heat wave combined to severe drought. To analyse the role of grassland management in plant community responses to climate disturbances, two contrasted cutting frequencies were applied. This work has the originality to analyse both above- and below-ground processes of plant community. Thus, above- and below-ground biomass production, root demography and longevity were considered to determine the role of root system in resistance and recovery of plant community after a severe drought. In both cutting frequencies, our results showed direct effects of climate extreme on leaf senescence and root growth. However, in response to moderate water deficit, drought avoidance through maintenance of root growth was favoured by infrequent cutting frequency. After rehydration in the following autumn, canopy greenness and root growth rapidly recovered. Annual above-ground production was significantly decreased by climate change and climate extreme during the three years of the experiment. However no effect was observed on root production but acclimation of root growth was observed one year after the climate extreme, particularly under infrequent cuts. Plant community structure was significantly modified be climate disturbance and could explain change in community functioning. In addition, root mortality was surprisingly decreased in response to climate disturbance that consequently increases root longevity. These results suggest negative effects of climate disturbances on root turnover with lasting effects on nutrient cycles.To determine intrinsic mechanisms of plant community for drought resistance and recovery, an additional experiment was carried out in semi-controlled conditions. Therefore, morphological and physiological leaf and root traits were measured under full irrigation, moderate and severe drought on monocultures of seven perennial grassland populations to study plant functional strategies of drought survival. Roots were implicated in drought avoidance by maintaining water uptake and drought tolerance by accumulating sucrose and/or fructans. Morphological and physiological root traits were thus correlated to plant survivalafter drought. (...)

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:30:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseRDO.pdf: 756445 bytes, checksum: dd46098f781f2c54d8f4d7f9d1c6bb92 (MD5) Previous issue date: 2003-04-25 / Universidade Federal de Sao Carlos / Tropical fish generally inhabit environments with high temperatures and low dissolved oxygen. Along the evolutionary process several species developed mechanisms of air-breathing in order to compensate the oxygen demands caused by the aquatic hypoxia. These mechanisms required anatomical, physiological and biochemical adaptations. Studies on the effects of hypoxia and temperature changes on fish involve the comprehension of the cardio-respiratory mechanisms of compensation. The present study was addressed to determine the cardio-respiratory and air-breathing responses of jeju, Hoplerythrinus unitaeniatus, which utilize the swimming bladder as an organ for accessory respiration in the air, submitted to gradual hypoxia after acclimation to 15, 20, 25 and 30oC. The oxygen uptake ( &VO2 ), gill ventilation ( G V& ) breathing frequency (fR), ventilation volume (VT) and the O2 extraction from the ventilatory current (EO2) were obtained for specimens of jeju (Wt = 209,7 ± 5 g) by flow-trough respirometry. The air-breathing frequency (fRA) and time spent in air-breathing (TRA) were determined by means of an experimental chamber specially constructed for this purpose. Independently of the acclimation temperature, jeju responded to hypoxia as an oxyregulator, i. e., the species was able to keep constant &VO2 in response to graded hypoxia until reach a critical oxygen tension (PcO2). The mean &VO2 values at each acclimation temperature, before reaching the PcO2, were: 47 ± 0,8 mlO2.kg-1h-1 (15°C), 82 ± 0,3 mlO2.kg-1h-1 (20°C), 104 ± 2,6 mlO2.kg-1h-1 (25°C) and 112 mlO2.kg-1h-1 (30°C). The PcO2 for each acclimation temperature were 28, 33, 41 e 52 mmHg, respectively. The increased reductions on PcO2 as acclimation temperatures rose from 15 to 30oC showed that this species presents partial compensation (or type 3 compensation) to temperature increases. Jeju increased the G V& to compensate the graded hypoxia due to higher increments on VT than in fR. This kind of compensation, however, was not enough to keep a constant EO2, which decreased gradually in response to graded hypoxia in all acclimation temperature. At 25 and 30°C the fH were significantly higher than at 15 and 20oC. Hypoxic bradicardia was not recorded at 15 and 20oC and at 25 and 30°C it only occurred below the PcO2. The different PcO2 were also the threshold for the development of accessory air-breathing in all acclimation temperatures. Increases in both fRA and TRA were inversely proportional to the water PO2 reductions and directly proportional to the acclimation temperature. / Peixes de água doce tropical vivem em ambientes de altas temperaturas e baixas concentrações de O2. Isto resultou, ao longo do processo evolutivo, na necessidade da tomada do ar atmosférico em várias espécies de peixes, a fim de compensar seus requerimentos metabólicos, o que requereu modificações anatômicas, fisiológicas e bioquímicas. Estudos sobre o efeito da hipóxia e da variação da temperatura ambiental nos peixes devem envolver o conhecimento dos mecanismos de compensação cardiorespiratória. Assim, o objetivo deste estudo foi determinar as respostas cardiorespiratórios e da respiração aérea de jeju (Hoplerythrinus unitaeniatus), que utiliza a bexiga natatória como órgão acessório de troca gasosa, após período de aclimatação nas temperaturas de 15, 20, 25 e 30°C e submetido à hipóxia gradual. As medidas do consumo de O2 ( &VO2 ), ventilação branquial ( G V& ), freqüência respiratória (fR), volume ventilatório (VT) e extração de O2 da corrente ventilatória (EO2) foram obtidas de exemplares de jeju (Wt = 209,7 ± 5 g) por meio de respirometria de fluxo constante. A freqüência (fRA) e o tempo da respiração aérea (TRA) também foram determinados utilizando-se de uma câmara especialmente desenvolvida para esta finalidade. Independentemente da temperatura de aclimatação, H. unitaeniatus comportou-se como um oxi-regulador, mantendo uma &VO2 constante por amplos intervalos de reduções de O2 até atingir a tensão crítica de O2 (PcO2). Nas diferentes temperaturas a &VO2 foi de 47 ± 0,8 mlO2.kg-1h-1 a 15°C, 82 ± 0,3 mlO2.kg-1h-1 a 20°C, 104 ± 2,6 mlO2.kg-1h-1 a 25°C e 112 mlO2.kg-1h-1 a 30°C. As PcO2 nas respectivas temperaturas foram de 28, 33, 41 e 52 mmHg. A redução crescente das PcO2 mostrou que esta espécie apresenta uma compensação parcial ou do tipo 3 aos aumentos crescentes na temperaturas de aclimatação. O jeju aumentou a G V& em resposta à hipóxia gradual valendo-se de maiores incrementos no VT do que na fR. Entretanto, este tipo de compensação não foi suficiente para manter uma constante EO2, a qual decresceu gradualmente em função da hipóxia. A fH a 25 e 30°C foi significativamente mais elevada do que a 15 e 20°C. A bradicardia hipóxica só foi registrada nas temperaturas de 25 e 30°C e somente ocorreu em tensão abaixo das respectivas PcO2. As PcO2 foram o limiar para o início da respiração aérea acessória em todas as temperaturas estudadas. Os aumentos na fRA, assim como da TRA foram inversamente proporcionais às reduções da PO2 da água e diretamente proporcionais às temperaturas de aclimatação.

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes. / Dinoflagellates are unicellular eukaryotes found in most aquatic ecosystems of the world. They are major contributors to carbon fixation in the oceans, either as free-living phytoplankton or as symbionts to corals. Dinoflagellates are also infamous because some species can form spectacular blooms called red tides, which can cause serious damage to ecosystems, human health, fisheries and tourism. One of the factors often correlated with algal blooms are increases in nutrients, particularly nitrogen and phosphorus. Nitrate is one of the main components of agricultural runoffs, but also the most abundant bioavailable form of nitrogen in marine environments. Thus, agricultural activities have globally contributed to the magnification of the problems associated with red tides. However, bloom formation and persistence cannot be ascribed to human pollution alone, because other biotic and abiotic factors are at play. Particularly, it is difficult to assess the relative importance of nitrate addition over these other factors, because nitrate metabolism in dinoflagellate is mostly unknown. Filling part of this gap was the main goal of this thesis. I selected Lingulodinium polyedrum as a model for studying nitrate metabolism, because this dinoflagellate can easily be cultured in the lab and a recent transcriptomic survey has provided an almost complete gene catalogue for this species. It is also interesting that some molecular components of the nitrate pathway in this organism have been reported to be under circadian control. Thus, in this project, I used physiological, biochemical, transcriptomic and bioinformatic approaches to enrich our understanding of dinoflagellate nitrate metabolism and to increase our appreciation of the role of the circadian clock in regulating this important primary metabolic pathway. I first studied the particular case of dinoflagellate blooms that occur and persist in conditions of nitrogen depletion. This idea may seems counterintuitive, because nitrogen addition rather than depletion, is generally associated with algal blooms. However, I discovered that when nitrate was added to nitrogen-deficient or nitrogen-sufficient cultures, those that had been acclimated to nitrogen stress were able to survive for about two months at high cell densities, while non-acclimated cells died after two weeks. In conditions of severe nitrogen limitation, cells could survive a little bit more than two weeks by arresting cell division and reducing photosynthetic rates. The incapacity to synthesize new amino acids for these deprived cells in a context of on-going photosynthesis led to the accumulation of reduced carbon in the form of starch granules and lipid bodies. Interestingly, both of these carbon storage compounds were polarized in Lingulodinium cells, suggesting a functional role. The second contribution of my thesis was to identify and characterize the first nitrate transporters in dinoflagellates. I found that in contrast to plants, Lingulodinium had a reduced suite of nitrate transporters and only members of the high-affinity nitrate transporter 2 (NRT2) family were predicted to be functionally relevant in the transport of nitrate. The main transporter was constitutively expressed, which suggested that nitrate uptake in Lingulodinium was mostly a constitutive process rather than an inducible one. I also discovered that nitrate uptake in this organism was light-dependent and not a circadian-regulated process, as previously suggested. Finally, I used RNA-seq to verify if any transcripts involved in the nitrate metabolism of Lingulodinium were under circadian control. Not only did I discovered that there were no daily variations in the level of transcripts involved in nitrate metabolism, but also that there were no changes for any transcripts present in the whole transcriptome of Lingulodinium. This discovery showed that the circadian timer in this species did not require rhythmic transcription to generate biological rhythms, as observed in other eukaryotes.