Le rôle de la méiofaune sur le fonctionnement des biofilms lotiques a été examiné par l'étude de son effet potentiel sur la capacité de consommation de l'azote des biofilms, au cours de quatre expérimentations. Les deux premières (Chapitres 2 et 3) concernent les biofilms épilithiques (phototrophes) tandis que les deux autres ont porté sur les biofilms (hétérotrophes) de la zone hyporhéique. Les biofilms sont soumis (1) à différents niveaux de densités (méiofaune) et à un enrichissement en nutriments ou (2) à différents niveaux de diversité (biofilm/méiofaune/macrofaune). Une partie des microcosmes présentant chaque niveau de diversité a été exposée à l'effet d'un herbicide, le diuron. Dans l'ensemble, la méiofaune associée aux biofilms des microcosmes était largement dominée par les rotifères. Les résultats basés sur les biofilms phototrophes montrent que les rotifères peuvent répondre à court terme, à un enrichissement en N-NO3 par une augmentation significative de leur densité et biomasse. De plus, le taux de consommation de N-NO3 est apparu significativement plus élevé dans les microcosmes dont les densités de méiofaune étaient les plus élevées. Cet effet positif de la méiofaune sur la consommation de N- NO3 par les biofilms a été retrouvé dans l'étude basée sur le biofilm hyporhéique pour les microcosmes non soumis aux effets du diuron. Dans l'ensemble, ce travail met donc en évidence le rôle significatif que peut avoir la méiofaune dans les processus de consommation de l'azote par les biofilms lotiques. De plus, les résultats suggèrent fortement que les invertébrés interagissent avec les micro-organismes impliqués dans les processus de réduction des concentrations en azote, dans le biofilm phototrophe comme dans le biofilm hyporhéique. Enfin, l'exposition à l'herbicide a engendré une modification significative du taux de consommation de N-NO3 dans les microcosmes hyporhéiques. Cependant, la comparaison du taux de consommation moyen de N-NO3 entre les traitements exposés à l'herbicide et ceux non exposés, a montré que la présence des invertébrés (méiofaune + macrobenthos) a significativement réduit l'effet du diuron sur ces processus. Cette étude met en exergue le rôle potentiellement important des interactions micro- organismes - invertébrés dans (1) le cycle de l'azote des biofilms et donc, dans les fonctions relatives à leur contribution aux processus " d'auto-épuration " des cours d'eau, et (2), dans la capacité de résistance des écosystèmes hyporhéiques face aux perturbations chimiques. / The role of meiofauna on the functioning of riverine biofilms was examined by studying their potential effect on nitrogen consumption capacity of biofilms in four experiments (Chapters 2 and 3: epilithic phototrophic biofilms; Chapters 4 and 5: heterotrophic biofilms of hyporheic zone). Biofilms are subjected to (1) different levels of densities (meiofauna) and nutrient enrichment or (2) different levels of diversity (biofilm/meiofauna/macrofauna). A part of the microcosms of each level of diversity was exposed to the effect of an herbicide, diuron. Overall, biofilm-associated meiofauna in microcosms was dominated by rotifers. Results in phototrophic biofilms showed that the response of rotifers to short-term nutrient enrichment was significant increases in their density and biomass. In addition, N-NO3 uptake rates appeared significantly higher in microcosms with highest meiofauna densities. This positive effect of meiofauna on biofilm N-NO3 uptake was also found in hyporheic biofilm microcosms, but not under the effect of diuron. Therefore, this thesis highlights that meiofauna can have a significant role in nitrogen consumption processes by lotic biofilms. In addition, the results strongly suggest that invertebrates interact with microorganisms involved in the reduction processes of nitrogen concentrations in the phototrophic biofilm as well as the hyporheic biofilm. Finally, the herbicide exposure resulted in a significant modification of N-NO3 uptake rate in hyporheic microcosms. However, the comparison of the average N- NO3 uptake rate between treatments exposed to herbicide and those unexposed, showed that the presence of invertebrates (meiofauna + macrofauna) significantly reduced the effect of diuron on these processes. This study highlights the potentially important role of microorganism-invertebrate interactions (1) in the nitrogen cycle of biofilms and thus functions related to their contribution to the "self-purification" process in streams, and (2) in resilient capacity of the hyporheic ecosystem to chemical perturbations.

La teneur et la composition en protéines de réserve du grain de blé tendre (Triticum aestivum L.) sont les principaux déterminants de sa valeur d’usage et de sa qualité nutritionnelle. La composition en protéines de réserve du grain est déterminée par la teneur en assimilâts azotés et soufrés par grain via des lois d’échelle qui pourraient être les propriétés émergentes de réseaux de régulation. Plusieurs facteurs de transcription intervenant dans cette régulation ont été mis en évidence, mais les voies et mécanismes impliqués sont encore très peu connus. Le constat est identique en ce qui concerne l’impact de la nutrition azotée et soufrée sur ce réseau de régulation. Le développement des outils de génomique fonctionnelle et de bioinformatique permet aujourd’hui d’aborder ces régulations de manière globale via une approche systémique mettant en relation plusieurs niveaux de régulation. L’objectif du travail présenté est d’explorer les réseaux de régulation –omiques impliqués dans le contrôle de l’accumulation des protéines de réserve dans le grain de blé tendre et leur réponse à l’approvisionnement en azote et en soufre. Une approche d’inférence de réseaux basée sur la découverte de règles a été étendue, implémentée sous la forme d’une plateforme web. L’utilisation de cette plateforme a permis de définir des sémantiques multiples afin d’inférer dans un cadre global, des règles possédant différentes significations biologiques. Des facteurs de transcription spécifiques de certains organes et certaines phases de développement ont été mis en évidence et un intérêt particulier a été apporté à leur position dans les réseaux de règles inférés, notamment en relation avec les protéines de réserve. Les travaux initiés dans cette thèse ouvrent un champ d’investigation innovant pour l’identification de nouvelles cibles de sélection variétale pour l’amélioration de la valeur technologique et de la qualité nutritionnelle du blé. Ils devraient ainsi permettre de mieux maîtriser la composition en protéines de réserve et ainsi produire des blés adaptés à des utilisations ciblées ou carencé en certaines fractions protéiques impliquées dans des phénomènes d’allergénicité et d’intolérance du gluten, ce dans un contexte d’agriculture durable et plus économe en intrants. / Grain storage protein content and composition are the main determinants of bread wheat (Triticum aestivum L.) end-use value. Scaling laws governing grain protein composition according to grain nitrogen and sulfur content could be the outcome of a finely tuned regulation network. Although it was demonstrated that the main regulation of grain storage proteins accumulation occurs at the transcriptomic level in cereals, knowledge of the underlying molecular mechanisms is elusive. Moreover, the effects of nitrogen and sulfur on these mechanisms are unknown. The issue of skyrocketing data generation in research projects is addressed by developing high-throughput bioinformatics approaches. Extracting knowledge on from such massive amounts of data is therefore an important challenge. The work presented herein aims at elucidating regulatory networks involved in grain storage protein synthesis and their response to nitrogen and sulfur supply using a rule discovery approach. This approach was extended, implemented in the form of a web-oriented platform dedicated to the inference and analysis of regulatory networks from qualitative and quantitative –omics data. This platform allowed us to define different semantics in a comprehensive framework; each semantic having its own biological meaning, thus providing us with global informative networks. Spatiotemporal specificity of transcription factors expression was observed and particular attention was paid to their relationship with grain storage proteins in the inferred networks. The work initiated here opens up a field of innovative investigation to identify new targets for plant breeding and for an improved end-use value and nutritional quality of wheat in the context of inputs limitation. Further analyses should enhance the understanding of the control of grain protein composition and allow providing wheat adapted to specific uses or deficient in protein fractions responsible for gluten allergenicity and intolerance.

La Résonance Quadrupolaire Nucléaire (RQN) est une technique spectroscopique appliquée à l’état solide et qui ne nécessite aucun champ magnétique statique contrairement à la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Elle permet de détecter, les molécules qui contiennent un noyau quadrupolaire (tel que l'azote-14). La RQN de l’azote-14 suscite un intérêt particulier car elle s'avère utile dans la détection de drogues et d’explosifs, qui contiennent, pour la plupart, des molécules azotées. Cette thèse porte en premier lieu sur l’amélioration de la qualité spectrale en résonance quadrupolaire (RQN) de l’azote-14. Ainsi, nous nous sommes préoccupés des signaux transitoires (ringing) qui suivent l’impulsion radiofréquence (rf) et qui masquent en partie le signal RQN. Nous avons d’abord montré, par une étude théorique et expérimentale, que les mesures à basse puissance (< 3Watts) étaient possibles, ce qui nous a permis de diminuer l’amplitude du ringing. De plus, grâce à ce mode de fonctionnement (basse puissance), nous avons pu proposer un circuit original de commutation du facteur de qualité (Q-switch) basé sur un commutateur rf CMOS et qui a permis de diminuer la durée du ringing. La seconde partie traite de l’influence d’un champ magnétique statique faible amplitude et des divers paramètres expérimentaux en RQN de l’azote-14. Dans le cas où le tenseur de gradient de champ électrique est de symétrie axiale, nous avons observé des élargissements, voire des doublets Zeeman. En revanche, dans le cas général (absence de symetrie), nous avons mis en évidence la possibilité définir le tenseur de gradient de champ électrique à partir de la forme de raie d’une seule transition au lieu de deux transitions (sans champ magnétique statique). Ce dernier résultat pourrait permettre de diminuer de moitié le temps nécessaire à la caractérisation d’une nouvelle molécule azotée. / Nuclear quadrupole resonance (NQR) is a solid-state spectroscopic technique which doesn't require a static magnetic field in contrast to Nuclear Magnetic Resonance (NMR). It is used to detect molecules containing quadrupole nuclei (such as nitrogen-14). Nitrogen-14 quadrupole resonance is of particular interest because it is useful in the detection of drugs and explosives, which contain mostly of nitrogen molecules. In this thesis we have primarily focused on improving the spectral quality in nitrogen-14 quadrupole resonance (NQR) . Thus, we were concerned with the transient signals ( ringing ) following the radiofrequency (rf) pulse and which partly overwhelm the NQR signal. First, we demonstrated by theoretical and experimental study that low power measurements (< 3Watts ) were possible, allowing us to reduce the ringing amplitude. In addition, through this mode ( low power ), we have proposed an original quality factor switching circuit (Q -switch ) based on rf CMOS switch and which has reduced the ringing duration. The second part deals with the effect of a weak static magnetic field and various experimental parameters in nitrogen-14 quadrupole resonance. In the case of an axially symmetric electric field gradient tensor, we observed broadening or Zeeman doublets. By contrast, in the general case (no symmetry), we demonstrated the possibility to define the electric field gradient tensor from the line shape of a single transition instead of two transitions ( without static magnetic field ). This result reduces by half the time required for the characterization of a new nitrogen molecule.

L’azote et les gaz rares présents dans les astéroïdes, les comètes et les atmosphères planétaires sont piégés dans de la matière organique et ont des compositions chimiques qui sont différentes de celle du Soleil, représentatif du gaz primordial à partir duquel les différents objets du système solaire se sont formés il y a 4,5 milliards d’années. Au cours de cette thèse, des synthèses de matière carbonée à partir d’un mélange de gaz ont été réalisées dans un plasma appelé le Nébulotron, afin de mieux comprendre les processus à l’origine des compositions de l’azote et des gaz rares présents dans les météorites. Les caractéristiques de la matière organique ainsi que la composition des gaz rares piégés dans les météorites sont relativement bien reproduites dans les expériences, mais pas celle de l’azote. Ces résultats expérimentaux permettent de proposer des mécanismes clé à l’origine des compositions des éléments volatils présents dans les objets du système solaire. / Nitrogen and noble gases present in asteroids, comets or planetary atmospheres are trapped in organic matter and bear a composition that is different from the composition of the Sun, which is representative of the primordial gas from which the different objects in the solar system were formed 4.5 billion years ago. During this thesis, experimental syntheses of organic matter from gas mixtures in a plasma setup called the Nebulotron were performed in order to better understand the processes responsible for this chemical difference between the meteorites and the Sun for nitrogen and noble gases. The characteristics of the organic matter and the signature of the noble gases trapped in meteorites are relatively well reproduced in the experiments, whereas the composition of nitrogen is not. These experimental results give hints about the key mechanisms that are responsible for the variations of the volatile elements composition in the solar system objects.

La contamination atmosphérique par les métaux/métalloïdes (As, Cd, Cu, Pb, Sb, Zn…) et par les composés azotés impacte durablement les écosystèmes. L’évaluation des dépôts atmosphériques responsables de ces effets néfastes reste éparse car complexe, en particulier dans les environnements éloignés des sources de contamination comme les massifs forestiers. La prospection et l’estimation des éléments traces et de l’azote apportés dans ces dépôts ont été réalisées à l’échelle nationale à travers deux approches de biosurveillance par les lichens et les mousses : la bioaccumulation et la bioindication. L’enregistrement des éléments traces par les organismes indique une forte pression lithogénique dans ces milieux éloignés des sources directes, qui s’inclut dans le bruit de fond géochimique (e. g. Al, As, Co, Cr, Fe, Ni et Ti). Des sources additionnelles issues des activités anthropiques plus locales complètent régionalement les cortèges des éléments chimiques enregistrés (Cd, Cu, Sb ou Zn). La comparaison des échantillons de lichens et de mousses avec des spécimens historiques d’herbiers nous permet de retrouver ce contexte régional durant les siècles passés, et notamment de conforter les signatures lithologiques à travers le temps grâce aux terres rares. Ainsi, l’utilisation du charbon fossile apparaît être la source de contamination métallique dominante durant la fin du XIX e siècle et le début du XX e siècle, et plus récemment, une source additionnelle comme le transport routier (cas de Pb) a pu être notée. En parallèle, des facteurs influençant la bioaccumulation des métaux ont été testés : l’espèce considérée joue sur la capture des particules atmosphériques à travers la morphologie du thalle, et l’écorce support ne présente que peu d’influence. En considérant les signatures des dépôts atmosphériques, la végétation au travers des pluviolessivats apparaît influencer davantage les mousses terricoles que les lichens corticoles, ces derniers étant plus représentatifs des dépôts totaux. Des expérimentations de sorption/désorption montrent un processus rapide d’accumulation (une semaine) pour Pb et Cd, mais ne montrent ni compétition entre les métaux bioaccumulés, ni influence du lessivage sur la bioaccumulation. De nouvelles données concernant la sensibilité des espèces lichéniques face aux polluants métalliques ont pu être obtenues à partir de relevés de bioindication couplés à des analyses statistiques multivariées. / The atmospheric contamination by metals/metalloids (As, Cd, Cu, Pb, Sb, Zn…) and by nitrogen compounds impact the ecosystems. The atmospheric deposition is responsible of these harmful effects and its evaluation is complex and missing, particularly in remote environments like forest areas. The monitoring of trace element and nitrogen deposition at the national scale is carried out through two different approaches of biomonitoring by lichens and mosses: bioaccumulation and bioindication. The metal bioaccumulation points out a strong lithogenic pressure in these remote areas that is included in the geochemical background (e. g. Al, As, Co, Cr, Fe, Ni and Ti). Additional sources from more local anthropogenic activities are responsible for the regional context by the accumulation of other chemical elements (Cd, Cu, Sb or Zn). The comparison of current samples with herbarium specimens allows us getting back to historical regional influence one and half century ago, including consolidating the lithological influence over the time by rare earth elements. The use of fossil coal appears as a dominant source of metallic contamination in the late 19th century and the beginning 20th century. In parallel, the factors influencing the bioaccumulation of metals were evaluated: the entrapment of atmospheric particles is influenced by the morphology of the thallus but not by the bark. Considering the atmospheric deposition signature, vegetation via throughfall was found to be more influent for terricolous mosses than for corticolous lichens. Additional experiments of sorption/desorption showed a quick accumulation process (one week) for Pb and Cd, but neither metal competition, nor leaching influence on bioaccumulation were highlighted. New data on lichen species sensitivity to metal pollutants have been compiled through multivariate statistical analysis

Le développement de variétés performantes de blé dur (Triticum turgidum durum) doit prendre en compte la corrélation négative entre rendement et teneur en protéines (GPC). Une meilleure compréhension de ce phénomène nécessite une connaissance de l'élaboration des composantes de ces variables. Au cours de cette thèse nous nous sommes focalisés sur l'étude du déterminisme de paramètres foliaires pendant le remplissage du grain (morphologie, résorption d'azote/senescence) ainsi que leurs relations avec les caractéristiques post-récolte (rendement, GPC). La population d'étude est constituée de 282 lignées recombinantes issues d'un croisement demi-diallèle entre quatre lignées élites. Les données proviennent d'expérimentations menées en milieu contrôlé (3 expérimentations) et en plein champ (2 essais).En milieu contrôlé, plusieurs variables (teneur en azote, masse surfacique) ont été prédites par spectrométrie infrarouge à raison de mesures régulières au cours de la période d'intérêt. La résorption d'azote de la dernière feuille a été modélisée pour chaque génotype dont les paramètres ont été analysés. Un lien négatif fort a été établi entre la date d'initiation de la résorption (t0) en temps thermique post-floraison et sa durée et un lien positif entre cette date clé et le poids individuel des grains. A l'échelle de la parcelle, le suivi dynamique de la senescence par la mesure d'évolution d'un indice de végétation, le NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) a montré une relation forte entre vitesse d'évolution de la senescence et son ordonnée à l'origine, suggérant que la fin de la senescence était un phénomène très contraint dans les conditions environnementales de plein champ.En absence de stress azoté, l'analyse des 4 géniteurs a montré que des combinaisons linéaires de paramètres foliaires permettaient d'expliquer environ 2/3 des variations de la production en grains d'un épi et de la GPC. En considérant l'ensemble de la population, les effets antagonistes d'une résorption tardive sur la production de grains et la teneur en protéines ont été établis. Une carence en azote appliquée post-floraison provoque une résorption précoce et longue, ce qui semble d'avantage affecter la GPC que le rendement. Une carence en azote appliqué pré-floraison réduit la quantité d'azote disponible dans les feuilles drapeau (et par conséquent leur potentiel photosynthétique) ainsi que le nombre de grains alors que les apports tardifs en azote réalisés dans ce traitement vont retarder la résorption donc augmenter le poids individuel des grains et la GPC. L'analyse génétique en modèle mixte a permis de prendre en compte un apparentement entre lignées, calculé grâce aux pedigrees ou aux marqueurs. Ces deux estimateurs de l'apparentement sont très fortement corrélés ; l'ordonnée à l'origine de la relation (0.3) pouvant être interprétée comme une mesure de l'identité par état de la population de base à partir de laquelle les géniteurs sont issus. Par conséquent, les variances additives issues d'un apparentement marqueurs sont systématiquement supérieures à celles d'un apparentement pedigree. Les valeurs d'héritabilité des variables étudiées caractérisant la morphologie de la feuille drapeau à floraison et des paramètres de résorption d'azote sont du même ordre de grandeur que celles du rendement d'un épi et de la teneur en protéines des grains.En conclusion, nous discutons des stratégies de sélection autour de la corrélation négative rendement/GPC en lien avec la résorption d'azote et la senescence, de l'intérêt de l'utilisation du modèle dit « animal » pour les analyses génétiques et la recherche de QTL. / Performing cultivar development of durum wheat (Triticum turgidum durum) have to take in consideration the negative correlation existing between yield and grain protein content (GPC). A best comprehension of this phenomenon needs the knowledge of these variables elaboration. During this thesis, we focused on the study of foliar parameters determinism during the grain filling (morphology, nitrogen resorption/senescence) and their relations with post-harvest parameters (yield, GPC). The population was formed of 282 recombinant lines coming from a half-diallel cross between 4 elite lines. Data are from experimentations on controlled environment (3 experimentations) and on field (2 experimentations).In controlled environment, various variables (nitrogen content, mass area) were predicted using near-infrared spectroscopy and performing regular measures during the period of interest. Nitrogen resorptions of the last leaf were modeled for each genotype and parameters were analyzed. A strong negative correlation was established between the resorption initiation date (t0) in thermal time post-flowering and its duration and a positive correlation was established between t0 and the grain individual weight. At the plot scale, the dynamic monitoring of senescence through measures of NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) evolution showed a strong relation between the senescence evolution rate and its intercept, suggesting the senescence end was a very constraint phenomenon in field.Without nitrogen stress, the analysis of the 4 genitors indicated that linear combinations of foliar parameters could explain around 2/3 of one-spike grain production and GPC variations. Considering the entire population, the antagonist effects of a late resorption on grain production and on the GPC were established. A post-flowering nitrogen stress causes an early and long resorption which seems to affect more GPC than yield. A pre-flowering nitrogen stress reduces nitrogen quantity available in flag leaves (and consequently their photosynthetic potential) and the grain number whereas late nitrogen inputs of this environment delay resorption and raise grain individual weight and GPC.The genetic analysis in mixed model allowed taking into account relatedness among lines, calculated with pedigrees or markers. Those 2 relatedness estimators are strongly correlated; the regression intercept (0.3) can be interpreted as an identity-by-state measure of the base population from which genitors are derived. Consequently, additive variances from a marker-relatedness model are always superior to additive variances form a pedigree-relatedness model. Heritability values of the study variables (flag leaf morphology and nitrogen resorption parameters) have the same order of magnitude than those of one-spike yield and GPC.Field experimentations allowed highlighting the flag leaf weight as a contributor organ to yield and GPC. Nitrogen balance showed a link between post-flowering nitrogen fluxes and nitrogen available at flowering. Genotype-phenotype association's research was realized through a simple-marker analysis for all the experimentations and a Composite Interval Mapping analysis only for data obtained in greenhouses. A stable QTL was detected on the 3 controlled environments for t0. QTL comparison on controlled environment QTL and field QTL highlighted various area containing QTL on certain chromosomes: an area of foliar nitrogen content at flowering QTL on the 1A, an area of GPC QTL, Thousand Kernel Weight (TKW) QTL and grain number QTL on the 2A, an area of foliar morphology QTL on the 2B, an area of TKW QTL on the 3B and an area of senescence variables QTL on the 7B.In conclusion, we discuss about breeding strategies around the negative correlation yield/GPC in relations with nitrogen resorption and senescence and about the interest to use the “animal” model for genetic analysis and QTL research.

Brassica napus est une des cultures oléagineuse majeure dans le monde. En raison de sa faible efficacité d’utilisation de l’azote (NUE) comparée aux autres grandes cultures, la gestion de cette ressource présente un objectif écologique et économique majeur pour cette culture. La remobilisation des nutriments des organes sources vers les organes puits est une composante de la NUE qui se déroule durant la sénescence et qui est associée aux processus de recyclages métaboliques et à des modifications de la structure foliaire. L’objectif de cette thèse était de comprendre et de quantifier ces modifications structurales afin d’évaluer à travers ces processus les capacités de remobilisation du colza en fonction de son génotype et de son statut nutritionnel (eau et azote). La structure foliaire a été étudiée grâce à la relaxométrie RMN qui donne accès au statut et à la distribution de l’eau au niveau cellulaire. Ces travaux de thèse ont mis en évidence que la distribution des temps de relaxation transversale (T2) dépend non seulement de la structure cellulaire, mais aussi de l’organisation tissulaire. Cette étude a aussi mis en évidence le processus d’élargissement cellulaire et d’hydratation pendant la sénescence, spécifiquement dans le parenchyme palissadique. Il a été également démontré que le signal RMN reflète la déstructuration progressive se déroulant durant la sénescence au niveau subcellulaire et est un marqueur de sénescence précis permettant de suivre le développement de la feuille. De plus, le statut nutritionnel de la plante modifié par les carences azotées ou le stress hydrique, impacte grandement la sénescence séquentielle et les conséquences en termes d’efficacité de la remobilisation peuvent être suivies par RMN. Ce travail a permis de renforcer les connaissances sur la structure et le fonctionnement de la feuille au niveau tissulaire et cellulaire. De plus, il a été démontré que le signal de relaxométrie RMN donne accès à des informations sur la structure foliaire inaccessible par des méthodes courantes. Une des principales applications de ce travail serait le phénotypage, particulièrement la sélection de génotypes caractérisés par une forte efficacité de remobilisation en particulier en cas de carence azoté ou de stress hydrique. / Brassica napus is one of the major oil crops of the world. Due to its low NUE (Nitrogen Use Efficiency) compared to other species, Nitrogen management presents a major economic and environmental goal for improvement of that crop production. As a component of NUE, nutrient remobilization from source to sink tissues takes place mainly during the leaf senescence and is associated to metabolic recycling processes and modification of the cellular organization and structure. The aim of this work was therefore to understand and estimate the amplitude of these structural modifications with the objective to appreciate through these processes remobilization performance according to oilseed rape genotypes and nutritional status in terms of nitrogen and water supply. The leaf structure was investigated through NMR relaxometry, providing access to cellular water status and distribution. The present work demonstrated that the transverse relaxation time (T2) distribution depends on both leaf tissue structure and cellular compartmentalization. The study revealed a process of cell enlargement and hydration during leaf senescence, specifically in the palisade parenchyma and showed that the T2 relaxation time was able to discriminate parenchyma tissues at an early phase of senescence induction. Moreover, the NMR relaxometry signal was shown to reflect specific chronological loss of sub-cellular structuring all along the senescence process progression and was demonstrated to be an accurate non-invasive monitoring method of leaf development. Finally, plant nutrition status experienced through nitrogen and water availability limitation has been demonstrated to strongly affect regular sequential leaf senescence. Consequences on remobilization efficiency by stress conditions have been also assessed through the NMR signal. This work has improved the understanding of leaf structure and functioning at the cell and tissue levels after the onset and during the progression of senescence. Moreover, it was demonstrated that NMR relaxometry provides access to leaf structural information that are not accessible with currently used techniques for plant structural investigations. One of the main applications would be for plant phenotyping, especially for selecting genotypes with higher nutrient remobilization efficiency especially under environmental stresses like nitrogen and water limitations for sustainable oil and protein production.

Dans un contexte de réduction des intrants agricoles, la création de variétés de blé qui utilisent l’azote de manière plus efficiente est aujourd’hui nécessaire. Cette thèse, issue d'un partenariat public-privé entre l'Institut National de la Recherche Agronomique et Biogemma, avait pour but d'apporter des outils nécessaires à la création de variétés répondant à cette exigence. Pour ce faire, nous avons analysé 225 variétés commerciales génotypées avec 24K SNP et testées dans huit combinaisons d’année, lieu et régime azoté. Nous avons montré que même si la sélection a amélioré l’efficience d’utilisation de l’azote en condition optimale et sub-optimale, ce progrès génétique doit être accéléré et mieux réparti entre les différents traits. Nous proposons pour cela de mixer sélection phénotypique et sélection assistée par marqueurs. Dans ce sens, nous avons développé une méthode pour définir les régions chromosomiques associées à nos 28 traits. Parmi les 333 régions identifiées, nous avons notamment localisé le gène NAM-A1 et avons pu caractériser ses variants naturels. Nous avons aussi montré que la sélection génomique pourrait être plus efficace si les SNP étaient présélectionnés en fonction de leurs significativités en génétique d’association multi-environnementale. Les réseaux d’interactions épistatiques furent aussi étudiés, mettant en évidence un sous-réseau particulièrement intéressant. Nos résultats et méthodes sont discutés au regard des stratégies d’amélioration variétale et de découverte de gènes. Des pistes de recherche complémentaires et des améliorations ont aussi été suggérées. / In a context of fertiliser reduction, breeding for enhanced nitrogen use efficiency in bread wheat is necessary. This PhD thesis resulting from private-public collaboration between the French National Institute for Agricultural Research and Biogemma aimed providing necessary tools. Analyses were conducted using a dataset of 225 commercial varieties genotyped with 24K SNP and tested in eight combinations of year, location, and nitrogen regimes. We showed that even if past selection increased nitrogen use efficiency at high and moderate nitrogen regimes, genetic progresses need to be accelerated and better balanced between traits. This could be achieved by mixing phenotypic and marker assisted selections. In this sense, we developed a method to define quantitative trait locus from genome-wide association study: 333 chromosomal regions involved in 28 NUE-related traits have been identified. The NAM-A1 gene was located in one of these regions and its natural variants were characterized. We also showed that genomic selection could be improved by pre-selecting SNP based on their significance in a multi-environmental genome-wide association study. Networks of epistasis interactions were also studied and an interesting sub-network was identified. Results and methods are discussed regarding breeding and gene discovery strategy. Further investigations and improvements are suggested.

Les ruisseaux sont d’importants sites de transformations chimiques dû au taux de contact élevé entre l’eau du chenal et leurs sédiments biogéochimiquement réactifs. L’urbanisation entraîne généralement une charge en nutriments et en carbone plus élevée vers les ruisseaux à partir du bassin versant et la modification des formes du chenal se traduisant par une augmentation du débit et réduisant ainsi les transformations biogéochimiques intra-sédiments et contribuant à l’augmentation des exports vers l’aval. Toutefois, il y a peu d’information disponible sur l’influence d’une pression d’urbanisation modérée sur le traitement de l’azote, du phosphore et du carbone dans les ruisseaux ainsi que sur l’importance relative des changements des caractéristiques du bassin versant et du chenal sur le flux de ces éléments. Dans cette étude, nous avons effectué des bilans de masse sur différentes espèces de carbone (C), d’azote (N) et de phosphore (P) dans plusieurs tronçons de ruisseaux ayant différentes utilisations du territoire et caractéristiques géomorphologiques (composition en mouilles, seuils ou courses) afin d’élucider comment ces traits influencent les flux d’éléments au sein d’un ruisseau vierge et d’un ruisseau modérément urbanisé. L’azote s’est avéré être l’élément le plus sensible, avec des concentrations de nitrates 3.5 fois plus élevées dans le ruisseau péri-urbain. Les concentrations de carbone organique dissous étaient légèrement plus élevées dans les sites péri-urbains alors que les niveaux de P total ne différaient pas significativement entre les deux ruisseaux. En termes de flux, les nitrates étaient la forme chimique la plus réactive résultant en une rétention nette dans la majorité des tronçons en contexte vierge alors qu’un export net fût observé dans tous les tronçons en contexte péri-urbain. Nous avons observé une baisse en concentrations de nitrates avec une augmentation d’excès de deutérium de l’eau du chenal, indiquant ainsi une capacité de rétention de l’eau notable au sein du bassin versant favorisant l’élimination d’azote. Au sein des ruisseaux, la présence de mouilles et d’une pente de chenal peu prononcée, traits contribuant aussi à l’augmentation du temps de résidence, ont également favorisés la perte d’azote. Globalement, les nitrates furent les formes chimiques les plus réactives à de faibles pressions d’urbanisation, ce qui suggère que les efforts de restauration visant à augmenter le temps de résidence de l’eau afin de favoriser les pertes par la dénitrification devraient être implémentés autant au sein du bassin versant qu’au sein du chenal des ruisseaux. / Streams are important sites of elemental transformations due to the relatively high contact rates between flowing water and biogeochemically reactive sediments. Increased urbanization typically results in higher nutrient and carbon (C) inputs to streams from their watersheds and increased flow rates due to modification in channel form, reducing within stream net retention and increasing downstream exports. However, less is known on how moderate urbanization might influence the joint processing of C, nitrogen (N), and phosphorus (P) in streams or the relative influence of changes in watershed and stream features on their fluxes. In this study, we performed mass-balances of different C, N, and P species in multiple reaches with contrasting land use land cover and geomorphic features (pools, riffles, runs) to determine the effects of geomorphology versus human influence on elemental fluxes in a pristine and a semi-urban stream. N was the most responsive of all elements, where nitrate concentrations were 3.5-fold higher in the peri-urban stream. Dissolved organic carbon was only slightly higher in the peri-urban site whereas total P not significantly different between streams. In terms of fluxes, nitrate behaved differently between the streams with net retention occurring in the majority of the reaches of the pristine site, whereas net export was observed in all of the reaches of the semi-urban one. We found a decrease in nitrate concentrations with an increase in excess deuterium of the water (d-excess), an indicator of how overall water retention capacity of the watershed favored N loss. Within the stream, the presence of pools, and reduced channel slope, which also increase water retention time, again favored N loss. Overall, nitrate was the most sensitive nutrient to slight urbanization, where higher export to stream was influenced by land use, but where geomorphic features were more important in driving retention capacity.

Les tourbières ont accumulé des quantités importantes de matière organique (tourbe) depuis le début de l’Holocène. La tourbe séquestre des quantités de carbone (C), d’azote (N) et de phosphore (P) substantielles à l’échelle globale. Cependant, très peu d’études ont estimé les stocks de ces nutriments à l’échelle régionale. De plus, les estimations actuelles sont souvent obtenues sans considérer la variabilité des profondeurs de tourbe et les variables biophysiques et physiques qui dictent la capacité de stockage en nutriments. Ce mémoire vise à estimer les stocks en C, N et P des tourbières d’une région du sud du Québec en modélisant les variations de profondeurs de tourbe et en identifiant quelles variables biophysiques et physiques expliquent la capacité de stockage en nutriments des différents types de tourbières. Le sondage manuel des sites d’études a révélé des différences significatives de profondeurs de tourbe entre les types de tourbières. La profondeur moyenne de tourbe obtenue pour les tourbières ombrotrophes était de 4,4 m alors que celles des tourbières minérotrophes et forestières étaient respectivement de 2,3 et 2,0 m. Les profondeurs ont été modélisées par interpolation spatiale pour chaque bassin d’accumulation de tourbe. La relation entre la superficie des tourbières et les stocks en C était significativement différente entre les tourbières ombrotrophes et les tourbières minérotrophes et forestières. Aucune variable étudiée ne permettait de discriminer les stocks en N et P selon le type de tourbière. Les stocks en C, N et P de la tourbe ont été extrapolés pour la région en utilisant la superficie des tourbières et estimés à 5,65 Tg C, 230,5 Gg N et 21,8 Gg P. Mes travaux ont démontré que l’hétérogénéité du bassin d’accumulation et les caractéristiques de surface influencent les stocks en C, N et P contenus dans la tourbe. / Peatlands have accumulated important amounts of organic matter since the beginning of the Holocene. This organic matter accumulation is described as peat, that globally stores large amounts of carbon (C), nitrogen (N), and phosphorus (P). Regional estimations of C and nutrients stocks have seldom been quantified. Moreover, peat depth variability and biophysical and physical variables are often not included in actual peat C, N, and P pool size estimations. The goal of this thesis is to provide an estimation of peat C, N, and P pool sizes for a regional county of southern Quebec by modeling peat depth variations and by using biophysical and physical variables to discriminated peat C, N, and P storage among peatland types. Manual peat depth probing showed significant differences in peat depth among peatland types. Mean peat depth of bogs was 4.4 m, while fens and forested peatlands mean peat depths were of 2.3 and 2.0 m, respectively. Modeling of peat accumulation basin by spatial interpolation took these peat depth variations into account, among peatland types. The relationship between peatland area and peat C stocks was statistically different between bogs and fens, and bogs and forested peatlands. Peat N and P content among peatland types were not discriminated by the biophysical and physical variables considered in this study. Peat C, N, and P stocks were extrapolated within the study region using peatland area and estimated at 5.65 Tg C, 230.5 Gg N et 21.8 Gg P. This study has shown that peat accumulation basin heterogeneity and peatland geometric shape influenced peat C, N, and P stocks at the regional scale.