Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’objectif de notre travail était d’étudier les bascules métaboliques chez Yarrowia li-polytica d’un métabolisme purement oxydatif vers l’accumulation de lipides puis à l’excretion d’acide citrique.Le développement d’un procédé D-stat et d’un mode de conduite fed-batch nous a permis, dans un premier temps, de quantifier les ratios N/C caractéristiques pour chacune des bascules étudiées. Nos résultats montrent que les ratios rN/rC critiques aux bascules métaboliques sont de 0,085 molN.Cmol-1 et de 0,018-0,022 molN.Cmol-1 pour l’accumulation de lipides et production de citrate, respectivement.L’analyse systémique des cultures réalisées nous a permis de mettre en évidence des mécanismes de co-régulation de certaines enzymes du métabolisme lipidique ainsi qu’une prépondérance de mécanismes post-transcriptionnels dans l’établissement des bascules étudiées.Enfin, l’utilisation de souches génétiquement modifiées au niveau de l’ATP citrate lyase, la malate déshydrogénase et de la glycérol-3-phosphate déshydogénase a permis d’évaluer l’impact de ces enzymes sur le métabolisme lipidique / This thesis aimed at studying the metabolic shifts in Yarrowia lipolytica from the pure oxidative metabolism to lipid accumulation and citric acid excretion.The development of a D-stat culture and of a monitoring fed-batch strategy allowed us to determine the N/C ratio characteristic for each of metabolic shifts. rN/rC ratio were determined equal to 0,085 molN.Cmol-1 and 0,018-0,022 molN.Cmol-1 for the lipid accumu-lation and the citric acid production, respectively.Systemic analysis of the cultivations showed coregulation phenomena among some enzymes of the lipidic metabolism and post-transcriptional modifications in the onset of the metabolic shifts.Finally, the impact of enzymes (ATP citrate lyase, malate dehydrogenase and gly-cérol-3-phosphate dehydrogenase) on the lipidic metabolism was evaluated through systemic analysis of 3 genetically modified strains

Le dysfonctionnement endothélial et le dérèglement du système immunitaire sont les deux principaux mécanismes physiopathologiques responsables de la fibrose de la peau et des organes internes dans la sclérodermie systémique (ScS). La pneumopathie interstitielle diffuse (PID) est devenue la principale cause de mortalité de la maladie. L'inflammation pulmonaire est la conséquence de l'activation du système immunitaire, qui stimule la NO synthase inductible (NOS-2) et augmente la production alvéolaire de monoxyde d'azote (NO). L'augmentation de la concentration alvéolaire de NO (CANO) est significativement corrélée à la sévérité de la PID chez les patients atteints de ScS. L'augmentation de la CANO est liée à l'effet inducteur du sérum des malades sur la prolifération des fibroblastes pulmonaires et leur différentiation en myofibroblastes, faisant ainsi le lien biologique entre l'inflammation alvéolaire et la fibrose pulmonaire dans la ScS. Nous avons ensuite testé la valeur prédictive de la CANO dans la détérioration de la PID. Les patients ayant une CANO supérieure à 5,3 ppb présentent un risque élevé (> 6 fois) de voir survenir l'aggravation de la fibrose pulmonaire ou le décès (évènement combiné) par rapport à ceux qui ont une CANO inférieure ou égale à 5,3 ppb. Une valeur de CANO supérieure ou égale à 8,5 ppb permet de détecter les patients avec un risque de 90% de survenue d'évènement combiné dans les trois ans. Ces patients pourraient alors bénéficier d'un traitement approprié précoce. Nous avons évalué l'inflammation pulmonaire dans deux modèles murins de fibrose pulmonaire induite par l'acide hypochloreux et la bléomycine, par la mesure non-invasive du NO expiré (FENO). Le pic d'augmentation de FENO se situe 4 semaines après le début des injections, et précède la fibrose pulmonaire, qui ne devient significative qu'à partir de 6 semaines d'intoxication. L'augmentation de la FENO est liée à l'augmentation de l'expression de la NOS-2 aussi bien aux niveaux des bronches qu'aux niveaux des alvéoles. Enfin, la forte production de NO constatée provoque un effet délétère direct sur le tissu pulmonaire attesté par la présence de 3-nitrotyrosines, marqueurs du stress nitrosatif.Mots-clés: sclérodermie systémique, pneumopathie interstitielle diffuse, monoxyde d'azote, physiopathologie. / Summary not transmitted

Les recherches sur les interactions porte-greffe/greffon chez la vigne en relation avec l’environnement perdurent depuis plusieurs décennies, mais les mécanismes physiologiques sous-jacents de la vigueur conférée sont toujours incompris. Ce manque de connaissance constitue un frein dans le développement des porte-greffes existants pour contrôler la vigueur et la productivité, ou dans la recherche de nouveaux génotypes de porte-greffe mieux adaptés aux conditions futures de production. L’objectif de ce travail est de comprendre par une approche de biologie intégrative couplant expérimentation et modélisation comment le porte-greffe interagit spécifiquement avec son greffon (et vice versa) pour modifier dès les premières étapes du greffage, les caractéristiques physiologiques de la plante entière afin de coordonner le développement et la croissance des parties aériennes avec celle des parties racinaires. L’azote étant considéré comme un élément-clef de contrôle de la croissance et de l’allocation de la biomasse au sein d’une plante, un accent particulier est porté sur le rôle de la nutrition azotée dans le contrôle trophique de la croissance du couple porte-greffe/greffon. Un travail expérimental en serre a été mené pour caractériser par marquage isotopique les flux d’azote (15N) et de carbone à l’échelle de la plante entière au sein de deux combinaisons de porte-greffe/greffon au stade végétatif : l’une conférant une forte vigueur (CS/1103P), l’autre une faible vigueur (CS/RGM), en réponse à une variation de la disponibilité externe en nitrate. Cette étude sur le couplage entre fonctions d’acquisition et d’utilisation des ressources azotées et carbonées a été complétée par un phénotypage dynamique de la croissance aérienne, de la répartition de biomasse entre les organes et de la composition biochimique et minérale des principaux organes de la plante. Nous avons ainsi pu appréhender les signaux de communication entre la partie aérienne et la partie racinaire de la vigne greffée, ce qui a abouti à l’élaboration d’un modèle conceptuel simplifié du fonctionnement de la vigne greffée. Une première version d’un modèle mécaniste basé sur un formalisme source-puits prenant en compte l’acquisition et l’allocation de C et N au sein de deux compartiments aérien et racinaire, ainsi que leur plasticité vis-à-vis de la disponibilité exogène et endogène en ressources a été élaborée. A terme, le modèle devrait permettre d’identifier des paramètres génétiques clef au niveau racinaire explicitant les différences de croissance et vigueur conférée observées selon les combinaisons porte-greffe/greffon / Research on rootstock/scion interactions in grapevine in relation to the environment persisted for several decades, but the physiological mechanisms determining the rootstock effect on scion vigour are still misunderstood. This lack of knowledge hampers the development of existing rootstocks to control the vigor and productivity, or research new rootstock genotypes better adapted to future conditions of production. The objective of this work is to understand by an integrative biology approach coupling experimentation and modeling how the rootstock interacts specifically with the scion (and vice versa) to change in the early stages of grafting , the physiological characteristics of the whole plant to coordinate the development and growth of the aerial parts with the root parties. Nitrogen is considered a key element in the control of the growth and the biomass allocation within a plant, and a particular emphasis is placed on the role of nitrogen nutrition in the nutritional control of the grafted grapevine growth. Experimental work was conducted in a greenhouse to characterize by isotopic labeling nitrogen (15N) and carbon flow within the whole plant for two rootstock/scion combinations at vegetative stage : one giving a strong vigour (CS/1103P), the other a low vigour (CS / RGM), in response to a change in the external nitrate availability. This study on the coupling between acquisition functions and use of nitrogenous and carbonaceous resources was completed by a dynamic phenotyping aerial growth, the distribution of biomass between the organs and the biochemical and mineral composition of the principal organs of plant. We were able to understand the communication signals between the aerial part and the root part of grafted vines, which led to the development of a simplified conceptual model of the functioning of the grafted vines. A first version of a mechanistic model based on a source-sink formalism taking into account the acquisition and allocation of C and N in both aerial and root compartments and their plasticity to the availability of exogenous and endogenous resource was developed.

En agriculture de conservation (AC), les résidus de cultures sous forme de paillis à la surface du sol associés à la suppression du travail du sol sont une composante intrinsèque des systèmes de culture. L'objectif principal de ce travail était de comprendre les effets de la nature et de la décomposition de mulch de résidus s sur les services d'approvisionnement et de régulation fournis par les sols dans les agrosystèmes en AC de régions tempérées (France) et tropicales (Madagascar et le Brésil). Des études expérimentales ont été réalisées pour obtenir des paramètres de décomposition pour une large gamme représentative de la qualité des résidus végétaux des agrosystèmes étudiés et pour tester et améliorer un modèle de décomposition des mulchs. Ensuite nous avons utilisé le modèle PASTIS_MULCH qui simule les biotransformations C et N et le transport de solutés dans les sols lors de la décomposition des mulchs.Pour la gamme de résidus de tiges testées, la rétention d'eau maximale a varié considérablement et ceci a été expliqué par les caractéristiques physiques du résidu. Avec les données obtenues par une série d'incubations de décomposition de résidus, nous avons proposé un ensemble de paramètres biologiques unique pour le module de décomposition CANTIS, simulant une large gamme de qualité des résidus de culture. L'étude expérimentale dans les colonnes de sol a montré que le mulch de maïs + dolique se décompose plus rapidement que mulch de blé + luzerne. Un régime de pluies fines et fréquentes augmente la décomposition du mulch par rapport à des pluies plus rares et plus fortes et cela est dû au maintien de l'humidité du mulch.Les simulations de scénarios avec PASTIS_MULCH ont montré que la pluie et les conditions d'évaporation classent les résidus de culture vis-à-vis de la décomposition lorsque ceux-ci sont placés en mulch à la surface des sols, tandis que les caractéristiques chimiques des résidus classent ceux-ci vis-à-vis de la décomposition lorsqu'ils sont incorporés. Aucune des situations étudiées pourrait être définie au vu des résultats de simulation comme étant adaptée à toutes les conditions pédo-climatiques et agricoles. / In conservation agriculture (CA), crop residues mulches are associated to reduction or suppression of soil tillage and are an intrinsic component of CA. The objective of this work was to understand the effects of nature and decomposition of crop residue mulches on the provisioning and regulating services of agrosystems provided by soils under temperate (France) and tropical (Madagascar and Brazil) conditions. Experimental studies were realized to get decomposition parameters for a large range of residue quality representative of the agrosystems studied and to test and improve a MULCH model. Then we used PASTIS_MULCH model which simulates the C and N biotransformations and solutes transport in soils during mulch decomposition.For a range of plant-stem residues tested, the maximal water retention varied greatly and was only explained by the physical features of the residue. With a series of decomposition incubations, we proposed a single set of biological parameters for CANTIS decomposition module, simulating a large range of crop residue quality. Experimental study in soil columns showed that maize+dolichos mulch decomposed faster than wheat+alfalfa mulch. Frequent and light rain enhanced mulch decomposition compared to infrequent and heavy rain and this was due to the mulch remaining wetter with frequent rain.The simulations of scenarios with PASTIS showed that rain and evaporation conditions ranked crop residues decomposition when placed as mulches while the residue chemical characteristics ranked crop residues decomposition when incorporated. None of the situations studied would be defined as suitable in all pedo-climatic and agricultural conditions.

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Le terme de méta-analyse désigne l'analyse statique d'un large ensemble de résultats provenant d'études individuelles pour un même sujet donné. Cette approche est de plus en plus étudiée dans différents domaines, notamment en agronomie. Dans cette discipline, une revue bibliographique réalisée dans le cadre de la thèse a cependant montré que les méta-analyses n'étaient pas toujours de bonne qualité. Les méta-analyses effectuées en agronomie étudient ainsi très rarement la robustesse de leurs conclusions aux données utilisées et aux méthodes statistiques. L'objectif de cette thèse est de démontrer et d'illustrer l'importance des analyses de sensibilité dans le cadre de la méta-analyse en s'appuyant sur l'exemple de l'estimation des émissions de N2O provenant des sols agricoles. L'estimation des émissions de protoxyde d'azote (N2O) est réalisée à l'échelle mondaile par le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC). Le N2O est un puissant gaz à effet de serre avec un pouvoir de réchauffement 298 fois plus puissant que le CO2 sur une période de 100 ans. Les émissions de N2O ont la particularité de présenter une forte variabilité spatiale et temporelle. Deux bases de données sont utilisées dans ce travail : la base de données de Rochette et Janzen (2005) et celle de Stehfest et Bouwman (2006). Elles recensent de nombreuses mesures d'émissions de N2O réparties dans le monde provenant d'études publiées et ont joué un rôle important lors des estimations d'émissions de N2O réalisées par le GIEC. Les résultats montrent l'intérêt des modèles à effets aléatoires pour estimer les émissions de NO2 issues de sols agricoles. Ils sont bien adaptés à la structure des données (observations répétées sur un même site pour différentes doses d'engrais, avec plusieurs sites considérés). Ils permettent de distinguer la variabilité inter-sites de la variabilité intra-site et d'estimer l'effet de la dose d'engrais azoté sur les émissions de NO2. Dans ce mémoire, l'analyse de la sensibilité des estimations à la forme de la relation "Emission de N2O / Dose d'engrais azoté" a montré qu'une relation exponentielle était plus adaptée. Il apparait ainsi souhaitable de remplacer le facteur d'émission constant du GIEC (1% d'émission quelque soit la dose d'engrais azoté) par un facteur variable qui augmenterait en fonction de la dose. Nous n'avons par contre pas identifié de différence importante entre les méthodes d'inférence fréquentiste et bayésienne. Deux approches ont été proposées pour inclure des variables de milieu et de pratiques culturales dans les estimations de N2O. La méthode Random Forest permet de gérer les données manquantes et présente les meilleures prédictions d'émission de N2O. Les modèles à effets aléatoires permettent eux de prendre en compte ces variables explicatives par le biais d'une ou plusieurs mesures d'émission de N2O. Cette méthode permet de prédire les émissions de N2O pour des doses non testées comme le cas non fertilisé en parcelles agricoles. Les résultats de cette méthode sont cependant sensibles au plan d'expérience utilisé localement pour mesurer les émissions de N2O. / The term meta-analysis refers to the statistical analysis of a large set of results coming from individual studies about the same topic. This approach is increasingly used in various areas, including agronomy. In this domain however, a bibliographic review conducted by this thesis, showed that meta-analyses were not always of good quality. Meta-analyses in agronomy very seldom study the robustness of their findings relative to data quality and statistical methods.The objective of this thesis is to demonstrate and illustrate the importance of sensitivity analysis in the context of meta-analysis and as an example this is based on the estimation of N2O emissions from agricultural soils. The estimation of emissions of nitrous oxide (N2O) is made at the worldwide level by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). N2O is a potent greenhouse gas with a global warming power 298 times greater than the one of CO2 over a 100 year period. The key characteristics of N2O emissions are a significant spatial and time variability. Two databases are used for this work: the database of Rochette and Janzen (2005) and the one of Stehfest and Bouwman (2006). They collect numerous worldwide N2O emissions measurements from published studies and have played a significant role in the estimation of N2O emissions produced by the IPCC. The results show the value of random effects models in order to estimate N2O emissions from agricultural soils. They are well suited to the structure of the data (repeated observations on the same site for different doses of fertilizers, with several sites considered). They allow to differentiate the inter-site and intra-site variability and to estimate the effect of the rate of nitrogen fertilize on the N2O emissions. In this paper, the analysis of the sensitivity of the estimations to the shape of the relationship "Emission of N2O / N fertilizer dose" has shown that an exponential relationship would be the most appropriate. Therefore it would be appropriate to replace the constant emission factor of the IPCC (1% emission whatever the dose of nitrogen fertilizer) by a variable factor which would increase with the dose. On the other hand we did not identify significant differences between frequentist and Bayesian inference methods. Two approaches have been proposed to include environmental variables and cropping practices in the estimates of N2O. The first one using the Random Forest method allows managing missing data and provides the best N2O emissions predictions. The other one, based on random effects models allow to take into account these explanatory variables via one or several measurements of N2O. They allow predicting N2O emissions for non-tested doses in unfertilized farmer's field. However their results are sensitive to the experimental design used locally to measure N2O emissions.

Le développement de nouveaux donneurs d’oxyde nitrique (NO) dans le traitement chronique des maladies cardiovasculaires nécessite l’étude de leur biodisponibilité après administration par voie orale. Les S-nitrosothiols (RSNOs) apparaissent d’intéressants candidats médicaments pour ce faire, et l’étude de leur perméabilité intestinale est une première étape indispensable. Il est nécessaire de disposer d’une méthodologie analytique suffisamment sensible et sélective, en particulier permettant de différencier entre la production endogène de NO, l’apport alimentaire en ions nitrites et nitrate et le médicament lui-même. Nos travaux de thèse ont consisté à utiliser le S-nitrosoglutathion (GSNO) comme modèle après son marquage par l’isotope stable 15 de l’azote (15N). La dérivation du 15NO libéré par deux méthodes conventionnelles (méthode de Griess conduisant à la formation d’un adduit azoïque ; réaction avec le 2,3-diaminonaphtalène (DAN) formant l’adduit 2,3-naphtotriazole (NAT)) et l’étude de la fragmentation en spectrométrie de masse tandem (MS/MS) des deux adduits correspondants ont mené à sélectionner la dérivation par le DAN comme étant la plus sensible. Une transition originale résultant de la fragmentation du NAT en mode Higher-energy Collisional Dissociation (HCD) au lieu du mode conventionnel Collisionally Induced Dissociation (CID) a été mise en évidence ; elle permet d’atteindre une limite de quantification de 5 nM (soit 20 fois plus basse que celle offerte par la fluorescence). La méthode LC-MS/MS a été validée et appliquée à l’étude de la perméabilité intestinale du GS15NO par deux modèles : l’un in vitro (monocouche de cellules épithéliales type Caco-2), l’autre ex vivo (intestin de rat isolé (ileum) dans une chambre de Ussing). Les valeurs de perméabilité apparente calculées à partir des concentrations des métabolites du GS15NO (ions nitrites, nitrates et RSNOs) le classent comme un médicament de perméabilité intermédiaire. En outre, des études sur les mécanismes de dénitrosation du GSNO ont été menées sur intestin isolé, démontrant en particulier le rôle d’enzymes telles que la γ-glutamyltransférase et la protein disulfide isomerase / The development of innovative nitric oxide (NO) donors for the chronic treatment of cardiovascular diseases implies their bioavailability studies after oral administration. S-nitrosothiols (RSNOs) look interesting drug candidates for this purpose and evaluating their intestinal permeability appears the first step to be realized. Thus, an analytical method offering high sensitivity is needed; moreover this method should be selective by differentiating between the endogenous production of NO, the intake of nitrite and nitrate ions via the diet, and the drug itself. Our work consisted in using S-nitrosoglutathione (GSNO) labeled with the stable nitrogen isotope 15 (15N) as a model. Released 15NO species were derivatized by two conventional methods: Griess method leading to the formation of an azo adduct; reaction with 2,3-diaminonaphthalene (DAN) producing 2,3-naphtotriazole (NAT); fragmentation studies of the two adducts by tandem mass spectrometry (MS/MS) allow the selection of DAN method because it provides the highest sensitivity. An original transition resulting from the NAT fragmentation in Higher-energy Collisional Dissociation (HCD) mode instead of the conventional Collisionally Induced Dissociation (CID) mode was pointed out and permitted to reach a limit of quantification of 5 nM (20 fold less than when using fluorescence). The LC-MS/MS method was validated and applied to the GS15NO intestinal permeability studies with two models: in vitro (a monolayer of Caco-2 epithelial cells), and ex vivo (isolated intestine of rat (ileum) in an Ussing chamber). The apparent permeability values calculated with concentrations of GS15NO metabolites (nitrite, nitrate ions and RSNOs) classify it as a middle permeable drug. Studies on GSNO denitrosating processes using isolated rat intestine demonstrate that the enzymes γ-glutamyltransferase and protein disulfide isomerase play a pivotal role

Le sol est un compartiment majeur de stockage du carbone (C) organique de l’écosystème terrestre. Il joue un rôle important dans la régulation du climat. Toute variation des flux de carbone entre l’atmosphère et l’écosystème terrestre pourrait avoir un impact important sur l’augmentation de CO2 dans l’atmosphère, mais aussi sur la diminution des teneurs en matière organique du sol et donc sur la fertilité des sols. Au Nord Cameroun, les sols sont exposés à de longues périodes sèches (5 à 6 mois par an) qui alternent avec une saison humide. La période de transition entre ces deux saisons, peut durer de mi-avril à fin juin et est caractérisée par des pluies très irrégulières. Ces cycles d’humectation-dessiccation pourraient selon la littérature accentuer la minéralisation du carbone organique du sol et le cycle des éléments nutritifs. L’objectif de cette étude est de quantifier l’impact des cycles humectation-dessiccation sur la minéralisation du carbone dans un contexte soudano-sahélien. Pour faire des mesures représentatives sur le terrain, il est nécessaire d’étudier la variation sur 24 heures de la respiration du sol après humectation suite à une période sèche. Cette mise au point méthodologique a montré que la respiration du sol présente une courbe quadratique au cours de la journée, devenant presque linéaire au cours de la nuit. La température et l’humidité du sol ont permis d’expliquer au moins 73% des variations sur 24 heures. Ces observations ont été utilisées pour proposer une méthode pour estimer la respiration moyenne diurne et nocturne après humectation des sols. La méthode proposée dans cette étude a l’avantage d’être basée sur un nombre réduit de mesures et est par conséquent plus facile à mettre en œuvre pour suivre la respiration du sol sur 24 heures après les premières pluies. Une première étude expérimentale de terrain a permis de montrer que la ré-humectation des sols et le mode de gestion des pailles ont augmenté la minéralisation du carbone de ces sols. En revanche, la fréquence des cycles humectation-dessiccation des sols sur une période de 50 jours n’a pas augmenté la minéralisation cumulée du carbone des sols. Au Nord Cameroun, la minéralisation rapide des pailles rend difficile l’augmentation des stocks de carbone du sol par conservation des pailles des cultures précédentes à la surface du sol. Dans une seconde expérimentation de laboratoire, en conditions contrôlées, les cycles humectation-dessiccation n’ont pas augmenté la minéralisation du carbone organique du sol et de l’azote (N) par rapport aux sols maintenus humides. Cependant, les émissions de CO2 ont augmenté avec l’addition de paille enrichie en carbone-13. Cette addition de la paille marquée a augmenté la minéralisation de la matière organique du sol (priming effect). La minéralisation de la paille a diminué avec les cycles humectation-dessiccation et la quantité de paille restante était de 102 µg Cg-1 sol sur les sols ré-humectés contre 48 µg Cg-1 sol sur les sols maintenus humides. L’absence de cette réponse de la minéralisation du carbone et d’azote du sol aux cycles humectation-dessiccation pourrait être liée à une baisse de l’activité microbienne durant les périodes de dessèchement et l’absence d’une augmentation soutenue des taux de minéralisation du carbone avec les cycles ultérieurs d’humectation-dessiccation. / Soil as a major storage component for terrestrial ecosystem’s organic carbon plays an important role in regulating climate and agricultural production. Any variation of carbon fluxes between the atmosphere and the terrestrial ecosystem can have a significant impact on the increase of carbon dioxide in the atmosphere but also the decrease in soil organic matter and thus accelarate soil fertility degradation. In northern Cameroon, the transition period between long dry periods with a wet season is characterized by very irregular rainfall that can last several weeks. These wetting-drying cycles can accentuate the mineralization of soil organic carbon and nutrient cycling. The objective of this study is to assess the impact of wet-dry cycles on carbon mineralization in a sudano-sahelian context. From methodological stand field measurements require to study the soil respiration variation over 24 hours after a wet period. This methodological test has shown that soil respiration has a quadratic curve during the day, becoming almost linear during the night. The temperature and soil moisture have explained together the variation over 24 hours (at least 73% ; p< 0.001). These observations have been used to propose a method for estimating the mean daytime and nighttime soil respiration after wetting the soil. Indeed the method proposed in this study has the advantage of being based on a small number of measurements and is, therefore, easier to implement to monitor 24-h soil respiration after the first rains following a long dry period. A first experiment has shown that the wetting of the soil and mulching increased soil carbon mineralization. However, wetting-drying cycles on soil did not increase the cumulative mineralization of soil carbon more than keeping the soil continuously moist. Indeed, in northern Cameroon, the rapid mineralization of crop residues makes it difficult to increase soil carbon stocks by mulching. In a second laboratory experiment, the wetting-drying cycles did not increase organic carbon and nitrogen mineralization from soils added with straw. However, carbon dioxide emissions increased on straw amended soils compared to soils without straw. This addition of the labeled straw increased mineralization of soil organic matter (priming effect). The mineralization of the straw also decreased with the wetting-drying cycles, thus the amount of straw remaining on soils was 102 µg C g-1 soil on re-wetted soils compared to 48 µg C g-1 soil for those with constant moisture. The lack of response for C and N mineralization during wetting-drying cycles may be linked to a decrease of microbial activity during dry periods and the lack of a steady increase in the carbon mineralization rate with subsequent wetting-drying cycles.

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.