Notre étude a consisté d'abord, en un travail de caractérisation moléculaire du gène SBNRT1.1 codant pour un transporteur de nitrate et présent en 3 copies chez le sorgho. Nous avons donc analysé leur structure et leur expression dans différents organes de la plante. Une analyse de leurs séquences nucléotidiques et protéiques a été également conduite. Notre étude a montré que les 3 co-orthologues (SBNRT1.1A, B et C) sont exprimés aussi bien dans les feuilles que dans les tiges et les racines du sorgho. Par ailleurs, nous avons révélé, pour la première fois, l'existence de 5 transcrits, de taille variable pour le gène SBNRT1.1B. Dans un autre volet, l'analyse des paramètres de croissance et d'activités enzymatiques clés dans les métabolismes azoté et carboné chez deux écotypes de sorgho connus pour leur différence de croissance dans des conditions de cultures différentes en apport azote, a montré que ces plantes de sorgho se caractérisent par une capacité à croitre à des niveaux élevés d'apports en azote, avec une réponse différentielle des deux écotypes. Cette tolérance s'est manifestée par une accumulation de chlorophylle, d'acides aminés et de protéines. D'autre part, les activités enzymatiques d'enzymes clés des métabolismes azoté et carboné, semblent être liées a la capacité des plantes de sorgho à faire face au stress azoté. Nos résultats pourraient ainsi fournir un cadre initial pour l'identification de marqueurs biochimiques qui pourraient contribuer utilement à la sélection des génotypes utilisant l'azote plus efficacement et donnant un rendement en biomasse et /ou grain, plus élevé, même dans des conditions de stress azoté. / Our study consisted firstly, in the molecular characterization of SbNRT1.1 gene, coding for a nitrate transporter and present in three copies in sorghum plants. We report here their structure and expression patterns in different organs of sorghum. We have also conducted a comparison of their nucleotide and polypeptide sequences with orthologous sequences from other species. Our study showed that the 3 co-orthologous (SbNRT1.1A, B and C) are expressed in leaves, stems and roots of sorghum. Moreover, we have for the first time revealed the existence of 5 alternative transcripts for the SbNRT1.1B gene. In another component of our research program, biochemical and physiological traits of two sorghum ecotypes differing in sensitivity to nitrogen were investigated and have shown that these sorghum plants are able to grow at high levels of nitrogen inputs, with differential response to nitrogen sources and rates. This tolerance was manifested by accumulation of high accumulation of chlorophyll, amino acids and protein. On the other hand, the enzymatic activities of certain key enzymes of nitrogen and carbon metabolisms, seem to be related to the capacity of sorghum plants to deal with nitrogen stress. Hence, our findings could provide an initial framework for the identification of biochemical markers for the selection of genotypes using nitrogen more efficiently and giving high yield of biomass and/or grain even under nitrogen stress conditions.

Porteur redox intervenant dans nombre de processus métaboliques, le NAD (nicotinamide adénine dinucléotide) est central pour les cellules vivantes. Outre son importance dans le métabolisme oxydoréductif, des données récentes suggèrent fortement d'autres rôles importants pour le NAD dans la signalisation cellulaire. Un système inductible d'enrichissement en NAD en surproduisant la quinolinate phosphoribosyltransférase (QPT) d'Escherichia coli chez Arabidopsis thaliana a permis de mettre en évidence l'implication du NAD dans les mécanismes spécifiques de défenses qui régissent les interactions plante-pathogène. Par ailleurs, une dérégulation de la synthèse de NAD sur l'étape enzymatique catalysée par la QPT endogène d'Arabidopsis thaliana souligne le rôle critique du NAD dans la balance C/N des plantes, en particulier en bouleversant l'assimilation de l'azote en conditions photorespiratoires. Ces travaux nous ouvrent à une nouvelle compréhension des mécanismes de signalisation impliquant le NAD dans les grandes fonctions métaboliques des plantes.

Ce travail concerne l'étude de nouvelles espèces divalentes du groupe 14 (germanium et étain). Il s'agissait de développer de nouvelles stratégies de stabilisation (structures de type ferrocène ou complexation intramoléculaire) et de contrôler la réactivité des centres des divalents.<br />Le premier chapitre porte sur l'étude des premiers hétérobimétallocènes comprenant un métal de transition et un élément du groupe 14 reliés par des cyclopentadiényles. Une étude physicochimique approfondie (RMN multi noyaux, 1H, 13C, 119Sn, spectrométrie de masse et étude structurale par diffraction des rayons X) a permis de mettre en évidence la structure p-liée coudée très particulière de ces métallocènes du groupe 14. Les premiers tests de réactivité (réaction avec des électrophiles, réaction par transfert monoélectronique) ont confirmé que l'introduction de groupement ferrocényle induisait non seulement une forte stabilisation mais également une réactivité particulière du métal 14 en facilitant le départ du ligand. Ces particularités pourraient en faire de bons précurseurs de nanoparticules de germanium ou d'étain.<br />Dans le deuxième chapitre, nous avons tenté la stabilisation des germylènes Nhétérocycliques qui sont les analogues des carbènes d'Arduengo par l'introduction d'un groupement ferrocényle soit directement sur l'atome d'azote soit par l'intermédiaire d'un groupement méthylène. Alors que les cycloadduits sont facilement obtenus à partir de dichlorures de germanium IV, seules les formes polymères ont été observées en série de métal 14 divalent.<br />Dans les troisième et quatrième chapitres, nous avons développé une extension de cette étude à des ligands offrant des possibilités de complexation intramoléculaire et de délocalisation électronique. Dans un premier temps, nous avons montré la stabilisation de germylène et stannylène par le ligand aminotroponate et pu accéder aux premiers digermylènes à ligand di-aminotroponate et di-aminotroponiminate pontés. Des effets stabilisants comparables ont été observés à partir des derniers ligands utilisés, les anilidoiminates.<br />Une étude physiscochimique et structurale approfondie de tous ces nouveaux composés a mis en évidence une parfaite délocalisation électronique sur les ligands ce qui laisse envisager une électrophilie accrue du métal 14 divalent. Cependant, ils conservent leur caractère divalent comme le montre leur réaction avec une ortho-quinone. Une réaction inédite d'échange avec la trichlorophosphine permet d'accéder aux dichlorophosphines correspondantes qui sont des précurseurs potentiels de phosphinidènes.

Les composés azotés ont un grand intérêt car cet élément se retrouve dans la plupart des produits naturels et pharmaceutiques, de sorte que le développement de méthodes efficaces pour leur préparation est hautement souhaitable. Tout d'abord, une méthode stéréodivergente et énantiosélective a été développée pour la synthèse totale des alcaloïdes de type chaetominine, y compris les structures proposées de la (-)-pseudofischerine, de l’(-)-aniquinazoline D et de l’(-)-isochaetominine, de l’(-)-isochaetominines A-C, de la (+)-14-epi-isochaetominine C, ainsi que les quatre stéréoisomères jusqu'ici inconnus de l'isochaetominine C. A la lumière de nos travaux de synthèse, les structures de la (-)-pseudofischerine naturelle et l’(-)-aniquinazoline D ont été révisées comme l’(-)-isochaetominine C, et la structure de l’(-)-isochaetominine naturelle a été révisée comme la (-)-11-epi-chaetominine. Ensuite, une réaction de cyclisation en cascade de radicaux azaphiles a été développée conduisant à une synthèse efficace d'hétéroaromatiques de type imidazo-accolés à partir de carbamates N-hétéroaryl-O-propargyliques facilement disponibles. La synthèse électrochimique organocatalysée est généralisable, tolère de nombreux groupes fonctionnels, et se déroule dans des conditions douces sans besoin de catalyse par les métaux de transition, ni d'oxydants. Enfin, deux approches à des analogues de l'unité CHOI ont été développées. Les étapes clés de la de synthèse sont basées sur la C-allylation et la N-allylation palladocatalysées, qui permettent la transformation d’un substrat bis-allylique cyclique en un hexahydroindole. En fonction de la stratégie appliquée, la position de la fonction alcène de l'hexahydroindole peut se retrouver sur des positions différentes du squelette. L’homologation d’un atome de carbone suivie d'une époxydation ou d'une syn-dihydroxylation des intermédiaires bicycliques résultants fournissent les analogues CHOI désirés. / Nitrogen-containing compounds have a great interest as this element is found in natural products and drugs, thus the development of efficient methods for their preparation is highly desirable. First, a stereodivergent and enantioselective method has been developed for the total syntheses of chaetominine-type alkaloids including the proposed structures of (-)-pseudofischerine, (-)-aniquinazoline D and (-)-isochaetominine, (-)-isochaetominines A–C, (+)-14-epi-isochaetominine C, as well as the four hitherto unknown stereoisomers of isochaetominine C. The structures of natural (-)-pseudofischerine and (-)-aniquinazoline D have been revised as (-)-isochaetominine C and the structure of the natural (-)-isochaetominine have been revised to (-)-11-epi-chaetominine based on our synthetic efforts. Next, an azaphilic radical cascade cyclization reaction has been developed leading to the efficient synthesis of imidazo-fused heteroaromatics from easily available N-heteroaryl-O-propargyl carbamates. The organocatalyzed electrochemical synthesis has a broad scope, tolerates many common functional groups, and proceeds under mild conditions without the need of transition-metal catalysis or chemical oxidant. Finally, two approaches toward analogs of the CHOI unit have been developed. The key steps of the synthetic route were based on Pd-catalyzed C-allylation and N-allylation, which converted a cyclic bis-allylic substrate into a hexahydroindole scaffold. Depending on the strategy applied, the position of alkene moiety of the resulting hexahydroindole can be obtained at different positions. One-carbon homologation followed by epoxidation or syn-dihydroxylation of the resulting bicyclic intermediates afforded the desired CHOI analogues.

La vigne a une importance économique majeure au niveau mondial. La plupart des vignobles sont greffés et comportent une variété (cépage, Vitis vinifera) greffée sur des porte-greffes de Vitis sauvages (hybrides de V. berlandieri, V. riparia et V. rupestris). Le potentiel qualitatif du raisin à la vendange dépend d’un équilibre subtil entre teneur en sucres, acidité, concentration en polyphénols et en précurseurs d’arômes. Les mécanismes contrôlant l’équilibre sucres/acides/polyphénols sont influencés par différentes contraintes abiotiques auxquelles la vigne est soumise, en particulier l’azote, en interaction avec le matériel végétal (cépage et porte-greffe). Des travaux antérieurs suggèrent par ailleurs qu’une partie des effets de la contrainte hydrique sont en fait liés à une carence azotée entraînée indirectement par la diminution d’absorption d’eau. Le système racinaire (porte-greffe) joue un rôle important dans l’absorption, la réduction, le transport et le stockage de l’azote, et dans l’équilibre hydrique de la plante. Dans ce contexte, nous avons étudié les mécanismes impliqués dans la régulation de la synthèse des flavonoïdes des baies en réponse à la nutrition azotée, à la nature du porte-greffe et du greffon. Des plants des cépages Cabernet Sauvignon et Pinot Noir cultivés soit en pots en conditions semi-contrôlées soit au vignoble ont été soumis à des niveaux d’alimentation azotée différents. Les analyses agronomiques ont permis de confirmer une augmentation des teneurs en azote des différents organes de la plante (limbes, pétioles et baies) ainsi qu’une augmentation de la surface foliaire et de la masse des bois de taille sous l’effet du traitement azoté. Les analyses métabolomiques des pellicules de baies révèlent une accumulation de métabolites secondaires dont la nature diffère en fonction des différentes combinaisons porte-greffe/greffon. De plus, une augmentation de la synthèse d’anthocyanes et des flavonols a été observée dans les pellicules de baies en réponse à la diminution de la nutrition azotée. L’apport azoté se traduit aussi par une augmentation du degré de polymérisation moyen des tannins, alors que les teneurs en flavan-3-ols et procyanidines des pépins et des pellicules ne sont pas affectées par les différents apports azotés. Les analyses transcriptomiques globales (génome complet) et ciblées (qPCR) ont mis en évidence des modifications des transcrits de gènes liés au métabolisme des flavonoïdes en réponse à la nutrition azotée. La variation de l’apport azoté influence également l’expression des gènes régulateurs positifs (facteurs de transcription de type MYB) et négatifs (protéine de type Lateral organ Boundary Domain (LBD)) des gènes de la biosynthèse des flavonoïdes chez la vigne. / Grapevine has a major economic importance worldwide. Most vineyards are grafted and include a variety (Vitis vinifera) grafted over a wild Vitis rootstock (hybrids of V. berlandieri, riparia and rupestris). Grape berry quality at harvest depends on a subtle balance between acidity and the concentrations of sugars, polyphenols and precursors of aroma compounds. The mechanisms controlling the balance of sugars/acids/polyphenols are influenced by the abiotic environment, in particular nitrogen supply, and interact with the genotypes of both the scion variety and the rootstock. Previous work suggests that some of the effects of water stress are in fact linked to a nitrogen deficiency driven indirectly by the reduction of water absorption. The root system (i.e rootstock) plays an important role in the uptake, reduction, transport and storage of nitrogen, and the water balance of the plant. In this context, we studied the mechanisms involved in the regulation of the synthesis of flavonoids in berries in response to nitrogen nutrition with different scion/rootstock combinations. Two varieties (Cabernet Sauvignon and Pinot Noir) were subjected to different nitrogen supplies in two experimental systems, in pots under semi-controlled conditions and in a vineyard. Agronomic analysis confirmed that high nitrogen supply increased the nitrogen content of different organs (leaf blades, petioles and berries) as well as leaf surface area and cane pruning weight. Metabolomic analyses of berry skins revealed an accumulation of secondary metabolites whose nature depended on the different rootstock/scion combinations studied. In addition, an increase in the synthesis of anthocyanins and flavonols was observed in the berry skins in response to the decrease in nitrogen nutrition. High nitrogen supply also increased the average degree of polymerization of tannins, while the contents of flavan-3-ols and procyanidins in the seeds and skins of the berries were not affected. Global transcriptome (using RNA sequencing) and targeted (qPCR) analyses showed changes in the abundance of transcripts of genes related to the metabolism of flavonoids in response to nitrogen status. Nitrogen supply also influenced the transcript amounts of positive (MYB) and negative (Lateral Boundary Organ Domain) transcription factors controlling of the biosynthesis of flavonoids.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les anthocyanes sont une famille de polyphénols très répandus chez les végétaux. Chez la vigne, elles sont responsables de la coloration des baies des cépages rouges, et sont impliquées dans les propriétés organoleptiques des vins. Une nutrition azotée faible induit la production des anthocyanes dans les cellules de la pellicule de raisin des cépages rouges via des mécanismes de régulation qui ne sont pas encore totalement élucidés. Dans ce contexte, nous avons étudié les mécanismes moléculaires impliqués dans la réponse de l’accumulation des anthocyanes pour différents niveaux d’apports azotés. Deux matériels biologiques complémentaires ont été utilisés : des suspensions cellulaires de vigne (lignée GT3) et des plants de Cabernet-Sauvignon, cultivés au vignoble.L’augmentation de la synthèse d’anthocyanes en réponse à la diminution de la nutrition azotée a été confirmée dans les baies et les cellules de vigne en culture. Les analyses transcriptomiques globales (génome complet) et ciblées (qPCR) ont mis en lumière des modifications de l’expression génique, notamment de gènes liés au métabolisme des flavonoïdes, en réponse à la nutrition azotée. L’expression de nombreux gènes structuraux impliqués dans la voie de biosynthèse des anthocyanes est induite par une faible nutrition azotée. La variation de l’apport azoté influence également de façon coordonnée l’expression des gènes régulateurs positifs (facteurs de transcription de type MYB) et négatifs (protéine de type Lateral organ Boundary Domain (LBD)) des gènes de la biosynthèse des flavonoïdes chez la Vigne. L’expression de gènes liés à la production d’énergie (NADH, NADPH), est également affectée.En parallèle, une approche intégrative a été développée sur les suspensions cellulaires, en combinant des mesures d’activités enzymatiques, des dosages de métabolites primaires et secondaires, avec un modèle de balance de flux (Flux Balance Analysis, FBA). Les cartes de flux obtenues prédisent que la diminution de l’apport azoté entraîne une augmentation des flux métaboliques dans la voie du shikimate et des phénylpropanoïdes ; ainsi qu’une répression de la majorité des flux dans les différentes voies du métabolisme primaire, à l’exception de la voie des pentoses phosphates, dont le flux est maintenu, et de la voie de synthèse de l’amidon qui est accrue. Les résultats obtenus plaident en faveur d’un lien fort entre synthèse des anthocyanes et statut énergétique (ATP, NADPH) des cellules vigne. / Anthocyanins are polyphenol compounds very abundant in most of the plants. In grapevine, they give color to red berries and they improve red wine quality and increase the organoleptic properties of the wine. Low nitrogen supply stimulates anthocyanin production in berry skin cells of red grape varieties through regulation mechanisms that are far from being fully understood. In this context, we worked on the molecular mechanisms involved in anthocyanin biosynthesis response to nitrogen supply. Two complementary biological materials were used: grapevine cell suspensions (GT3 line) that originate from a teinturier cultivar and produce anthocyanins under normal conditions; and red grape berries of cv. Cabernet-Sauvignon cultivated in a commercial vineyard. Increases of anthocyanins synthesis in response to low nitrogen levels were confirmed in the field-grown berries and the cells suspensions. Both comparative global (microarrays) and targeted (qPCR) transcriptomic analysis showed different regulations on the expression of the genes involved in the secondary (especially the anthocyanin) and nitrogen metabolisms. The expression of most structural genes of the anthocyanin biosynthesis pathway was induced by a low nitrogen supply. Nitrogen controls also the expression of the positive (MYB transcription factors) and negative (Lateral organ Boundary Domain family protein LBD39) regulatory genes of the flavonoid pathway in grapevine. Furthermore, some genes improved in energy production (ATP, NADPH) were affected. In parallel, an integrative approach combining enzymatic activities and primary and secondary metabolites measurements with developing a Flux Balance Analysis (FBA) modeling approach was used on cells suspensions GT3. The flux maps deciphered that low nitrogen increases metabolic fluxes in shikimate and phenylpropanoid pathways and represses the majority metabolic fluxes in different pathways of primary metabolism. The two exceptions included the pentose phosphate pathway, which the flux metabolism was maintained, and the starch synthesis pathway, which was enhanced. The results obtained showed a strong link between anthocyanin synthesis and energy status (ATP, NADPH) in the berry cell suspensions.

L'activité agricole peut entraîner un déséquilibre des cycles du carbone (C) et de l'azote (N) dans les écosystèmes terrestres naturels et entrainer une diminution des stocks de C et N dans le sol, une augmentation de la lixiviation du nitrate et des pertes d'azote par voie gazeuse. Pour réduire ces impacts environnementaux, la mise en place de systèmes agricoles innovants et durables est encouragée, tels que les systèmes à bas niveau intrants, l'agriculture de conservation ou l'agriculture biologique. Les objectifs de cette thèse sont i) de quantifier l'impact à long terme des différents systèmes de culture sur le devenir du carbone et de l'azote dans le système sol-plante-atmosphère et ii) de simuler la dynamique de ces éléments avec le modèle agro-environnemental STICS. À cette fin, nous avons étudié trois essais de longue durée : l'essai de La Cage (France) établi en 1998, l'essai DOK (Suisse) débuté en 1978 et l'essai Foulum (Danemark) créé en 1998. Alors que l'essai de La Cage a permis une quantification in situ du stockage du carbone et de l'azote organiques du sol, de la lixiviation de l'azote, des émissions de protoxyde d’azote (N2O) et de la balance des gaz à effet de serre pour des systèmes de culture alternatifs, les essais danois et suisses ont permis l'estimation in silico du devenir du C et N en agriculture biologique, après adaptation du modèle STICS pour simuler de nouvelles pratiques culturales. Après 16 années d’expérimentation, une accumulation annuelle significative de SOC et de SON a été observée en agriculture et en agriculture biologique à La Cage, alors qu'aucun changement significatif n'a été observé dans les systèmes conventionnels et bas intrants. La minéralisation spécifique de SOC et SON des quatre systèmes, simulée sur AMG et mesurée lors d’incubation des sols pendant quatre mois, s’est montrée équivalente entre systèmes. Le stockage de C et N observé dans les systèmes de conservation et biologiques s’explique principalement par l'augmentation des résidus de cultures plutôt que par l'effet du non-labour en agriculture de conservation. De plus, le surplus azoté (différence entre apports et exportations d’azote) a été calculé pour chaque système de culture. Le devenir de l’excédent d’azote a été estimé entre stockage de N dans le sol, pertes gazeuses et lixiviation de l'azote. Les émissions cumulatives de N2O mesurées en continu pendant plus de trois ans sont fortement corrélées avec les pertes totales calculées de N par voix gazeuse (volatilisation et dénitrification), ces pertes étant les plus importantes dans le système de conservation. Enfin, la réalisation d’un bilan complet des émissions de GES a montré de fortes différences entre système et des phénomènes de compensation entre stockage et perte de C et N. Le modèle sol-culture STICS a ensuite été utilisé pour simuler le devenir de l’azote dans les essais DOK et Foulum. Après une adaptation du modèle, sa calibration et son évaluation ont été réalisées permettant de simuler de façon satisfaisante les rendements, l'absorption de N, le surplus de N et l’évolution des stocks de SON dans les systèmes conventionnels et biologiques. Les simulations suggèrent que le devenir de l’azote dans ces systèmes peut être contrasté en fonction de la fertilisation et de la gestion des cultures et que les pertes d'azote ne sont pas systématiquement réduites en agriculture biologique par rapport au conventionnel. Cette thèse remet en question les appréciations simplistes qui associent systématiquement systèmes de culture alternatifs et diminution des impacts environnementaux liés aux cycles de C et N / Agricultural activities can lead to imbalanced carbon (C) and nitrogen (N) dynamics compared to natural terrestrial eco-systems, causing potential damages for soil, water and air quality. Among these prejudices, decreased soil C and N stocks, increased nitrate leaching in waters and gaseous N emissions towards the atmosphere are of a major concern. To reduce these environmental impacts, innovative and sustainable farming systems are promoted, such as low inputs cropping systems, “conservation” agriculture or organic farming. The objectives of this work were i) to quantify the long term impact of different alternative cropping systems on the fate of C and N in the soil-plantatmosphere system and ii) to simulate C and N dynamics with the agro-environmental model STICS. For this purpose, we studied three long-term field trials: the experiment of La Cage (France) established in 1998, the DOK (Switzerland) started in 1978 and the Foulum Organic (Denmark) established in 1998. The methodological approach combined experimentation and modelling. While La Cage trial enabled an in situ quantification of soil organic C and N storage, N leaching, nitrous oxide (N2O) emissions and greenhouse gas (GHG) balance in alternative cropping systems compared to conventional, the Swiss and Danish experiments were used for in silico estimation of the C and N fates in organic cropping systems, after adaptation of the STICS model, followed by calibration and evaluation of the model. Significant annual SOC and SON accumulation was found under conservation agriculture and organic farming at La Cage, whereas no significant change was observed in the low input and the conventional systems. No difference of specific SOC and SON mineralization rates was found between systems in vitro or in silico : we conclude that the higher C and N storage in soil observed in the conservation and organic systems was mainly driven by increased crop residues, rather than by the effect of no tillage practiced in conservation agriculture. The N surplus, i.e. the difference between N inputs and N exports at the field scale, varied widely between treatments. The fate of this N surplus also varied between systems with wide variations in SON storage and gaseous losses but no differences in N leaching. The cumulative N2O emissions measured continuously for three years were highly correlated with the calculated gaseous N losses (volatilization and denitrification), with higher losses in the conservation system. These calculations allowed establishing a full GHG balance. Therefore the four agricultural systems dissimilarly impacted the N fate, which could not be predicted by the N surplus alone. The GHG balance is a much better indicator of the environmental impact of cropping systems relative to C and N fluxes. In the Danish and Swiss experiments, the soil-crop model STICS was used to mimic crop production, N uptake and N surplus. The model was first adapted and evaluated to simulate organic farming systems. The model could satisfactorily simulate crop production, N uptake, N surplus and SON storage in the organic and conventional systems of these two longterm experiments. Model outputs suggested that the N fate could be contrasted according to fertilization and crop management, and that N losses were not systematically reduced in organic compared to conventional cropping systems. This study challenges the frequent belief that alternative cropping systems systematically improve the global C and N environmental impacts of agriculture.

Des systèmes de culture innovants doivent être proposés pour répondre aux nouveaux objectifs de l'agriculture qui devront allier productivité, respect de l'environnement et rentabilité économique. Les systèmes de culture en semis direct sous couvert végétal (SCV) avec cultures associées permettraient d'atteindre ces objectifs. Si ces systèmes ont en effet montré des intérêts en climat tropical, ils sont presque inexistants en climat tempéré.<br />Cette thèse se propose d'accroître les connaissances scientifiques sur ces systèmes particuliers pour faciliter leur conception et leur évaluation en climat tempéré. Le travail repose sur un dispositif expérimental mis en place à Grignon (Yvelines, France) en 2002 pour trois campagnes culturales. Du blé tendre d'hiver (Triticum aestivum L.) est semé (i) dans un sol labouré, (ii) directement dans les résidus de la culture précédente et, (iii) directement dans six plantes de couverture différentes. En combinant sur ce dispositif une double approche, systémique et analytique, les objectifs de la thèse sont de comprendre, selon l'espèce de couverture, (i) l'impact des différents SCV avec cultures associées sur le rendement de la culture de vente en mettant en évidence les phases de sensibilité aux stress de cette culture, (ii) les relations de compétition et/ou de facilitation pour l'azote et la lumière entre les espèces associées et, (iii) l'évolution, à court terme, de la structure du sol et de ses propriétés hydriques.<br />Ce travail montre que la présence d'une plante de couverture peut réduire, parfois fortement, le rendement de la culture de vente, différemment selon l'espèce de couverture, sa conduite technique et les conditions climatiques ; les phases d'élaboration du rendement qui sont perturbées dans ces situations culturales dépendent aussi de ces trois facteurs. De plus, l'étude met en évidence que la compétition pour le rayonnement lumineux entre les espèces associées est le processus le plus défavorable au rendement du blé.<br />A court terme, il n'apparaît pas de différences marquées entre la structure d'un sol non travaillé sans plante de couverture et celle d'un sol non travaillé avec une plante de couverture. Toutefois, l'étude révèle que les propriétés hydriques peuvent être modifiées selon l'absence ou la présence d'une plante de couverture sur un sol non travaillé sans démontrer de variations importantes de ces propriétés selon l'espèce de couverture.<br />La thèse fournit des informations scientifiques et techniques sur le fonctionnement, en climat tempéré, de peuplements associant sur un sol non travaillé, une culture de vente à différentes plantes de couverture. Elle montre la faisabilité mais aussi les risques des SCV avec cultures associées ; elle permet d'identifier des axes de recherche pour compléter les connaissances et fournir des références pour réduire ces risques.

Cette étude a pour objectifs la compréhension et la modélisation de certains effets importants du semis direct avec paillis de résidus (SDP) sur les bilans hydrique, thermique et azoté d'une culture de maïs pluvial. Elle a été menée dans le contexte d'un climat tropical semi-aride au Mexique. D'un point de vue méthodologique, le travail a consisté tout d'abord à identifier les phénomènes physiques et biologiques principaux qu'implique l'itinéraire technique SDP. En s'appuyant sur les résultats de la littérature et sur les acquis au niveau du terrain d'étude, nous avons retenu comme prédominants les effets du SDP sur i) l'évaporation et la température du sol, ii) la structure de surface du sol et l'infiltration, iii) le ruissellement, et iv) le cycle de l'azote et l'activité biologique des sols.<br />Ces effets identifiés, une lourde campagne de collecte de données de terrain a été réalisée de mai à octobre 1998, sur le site expérimental de la Tinaja (état de Jalisco, Mexique). Des mesures complémentaires ont été faites en juin et juillet 1999 sur le même site. Certaines mesures difficilement réalisables sur le terrain ont été effectuées en laboratoire, et sont venues renforcer les données du terrain. A l'issu de ce travail expérimental important, nous disposons d'une base de données relativement riche sur l'ensemble des phénomènes étudiés.<br />L'étude théorique des effets du SDP s'est déroulée en deux phases. La première s'appuie sur une stratégie d'atomisation de la problématique en volets élémentaires spécifiques, traitant les effets du SDP sur i), ii) et iii), en milieu contrôlé. Le premier volet vise à étudier et modéliser les flux d'eau et de chaleur dans le système sol-paillis-atmosphère (transferts turbulents et radiatifs au sein du paillis). Il permet de comprendre et de quantifier l'effet d'un paillis de résidus sur l'évaporation d'un sol et son amplitude thermique, en fonction du taux de couverture. Le deuxième volet consiste à caractériser les effets cumulatifs du SDP sur les propriétés hydrodynamiques d'un sol et donc sa capacité à l'infiltration. Le troisième volet est dédié à l'étude et la modélisation du ruissellement sur sol paillé éventuellement planté, en tenant compte de l'interception de l'eau de pluie, de la rétention de surface, de l'infiltration, de la canalisation du ruissellement et de son écoulement. La deuxième phase relève de la reconstruction par intégration et consiste en un volet unique. Dans ce volet les résultats des trois volets spécifiques précédents sont synthétisés et intégrés dans un modèle numérique de fonctionnement global. Ce dernier prend en compte à la fois les dynamiques de l'eau, de la chaleur et de l'azote. Il reproduit simultanément et de façon couplée tous les effets majeurs du SDP sur le système sol-paillis-plante-atmosphère.