Le colza est une oléoprotéagineuse exigeante en soufre (S) mais caractérisée par une faible efficience d’usage du S (EUS). La baisse des retombés atmosphériques soufrées, l'existence de fortes interactions entre les métabolismes soufrés et azotés et l’augmentation prédite des températures terrestres peuvent conduire à une altération des rendements et de la qualité des graines de colza. Dans ce contexte, en s’appuyant sur des approches in planta (conditions contrôlées et de plein champ) et in silico (expérimentations numériques via le modèle écophysiologique SuMoToRI "Sulphur Model Towards Rapeseed Improvement"), les principaux objectifs de cette thèse étaient d’étudier l’impact (i) de différentes stratégies de fertilisation S et N, (ii) du changement climatique et (iii) de la variabilité des paramètres « plante » du modèle sur la croissance ainsi que sur les composantes du rendement et la qualité des graines de colza.Cette étude a permis de confirmer les effets synergiques des apports de S et de N ainsi que leurs effets antagonistes lors d’apport excessif d’un des deux éléments sur l’EUS et l’EUN, soulignant l'importance d'équilibrer les apports S/N. Décaler l’apport en S a permis d’améliorer la qualité protéique des graines en augmentant l’abondance relative en napines (protéines de réserve des graines riches en cystéine). Deux indices de la qualité protéique des graines ont pu être proposés : (i) la teneur en S des graines, fortement corrélée avec l'abondance relative en napines et (ii) le ratio napine:cruciférine-30kDa (cruciférines : protéines de réserve pauvres en S), permettant d’apprécier l’équilibre des apports S/N. Les simulations réalisées avec le modèle ont montré que des ajustements de la fertilisation S devront s’opérer dans un contexte d’augmentation des températures et/ou de diminution du rayonnement incident conduisant à une baisse de la biomasse et à une augmentation du S stocké dans les feuilles. Ces résultats requestionnent les schémas conventionnels de fertilisation et l’utilisation d’idéotypes variétaux et culturaux adaptés aux schémas de fertilisation S et N ainsi qu’au dérèglement climatique. / Oilseed rape is an oleoproteaginous crop with high sulfur (S) demanding and characterized by a low S use efficiency (SUE). The decline in atmospheric S deposition, the existence of strong interactions between S and nitrogen (N) metabolism and the predicted increase in terrestrial temperatures can lead to an alteration in seeds yields and quality. In this context, using in planta (controlled conditions and fields experiments) and in silico (numerical experiments through an agro-ecophysiological model SuMoToRI, “Sulfur Model Towards Rapeseed Improvement”) approaches, the main objectives of this thesis were to study the impact of (i) different S and N fertilization strategies, (ii) climate change and (iii) the variability of the model’s “plant” parameters on growth as well as the yield components and the seeds quality of oilseed rape.This study confirmed the synergistic effects of S and N inputs and their antagonistic effects when of one of the two elements was in excessive rate on EUS and EUN, highlighting the importance of balancing S/N inputs. Delaying S input has improved seed protein quality by increasing the relative abundance of napins (cysteine-rich seed storage proteins). Two seed protein quality indices could be proposed (i) seeds S content, strongly correlated with relative napine abundance and (ii) the ratio napins:cruciferins-30kDa (cruciferins : S-poor seed storage proteins). S), making it possible to assess the S/N balance inputs. The simulations carried-out with the model showed that the adjustment of S fertilization must be performed in a context of increasing temperature and/or a reduction of incident radiation which lead to a decrease of biomass and an increase of S stored in leaves. Overall, these results questioned conventional fertilization strategies and the use of varietal and crop ideotypes adapted to S and N fertilization strategies as well as to climate change.

La France est l’un des premiers producteurs européens d’orge brassicole (Hordeum vulgare L.) et le premier exportateur mondial de malt. La production d’orge brassicole repose actuellement sur une utilisation massive d’intrants de synthèse et entraîne comme d’autres grandes cultures des impacts négatifs sur l’environnement et la santé des consommateurs. Ce travail a pour objectif de concevoir et d’évaluer des variétés et des itinéraires techniques pour cette espèce permettant une production quantitative et qualitative élevée avec un moindre recours aux intrants de synthèse. À partir d’un réseau d’essai multilocal, nous montrons que la teneur en protéines et le rendement calibré (poids des grains >2.5 mm) des orges brassicoles doivent être spécifiquement améliorés pour les conduites techniques en bas niveau d’intrants. Sur cette base, nous avons identifié les caractéristiques variétales favorables à une faible perte de teneur en protéines et de rendement calibré en situation de stress azoté.Puis, après avoir développé un modèle de culture adapté à cette espèce, nous avons identifié des stratégies de fertilisation azotées offrant les meilleurs compromis entre production quantitative et qualitative, tout en minimisant les pertes en azote vers l’environnement. Grâce à une caractérisation précise des environnements de production français, les meilleures stratégies de fertilisation azotée ont été identifiées localement. Enfin, nous avons identifié de nouvelles combinaisons de caractéristiques variétales permettant d’optimiser la production d’orge dans des situations d’intrants réduits. Nous montrons in silico, qu’adapter simultanément les caractéristiques variétales et de l’itinéraire technique permet d’atteindre des performances comparables aux variétés actuelles dans des itinéraires techniques avec recours intensif aux intrants. Nous discutons des méthodes de sélection adaptées pour identifier les variétés les plus performantes dans des situations d’intrant réduit. Enfin, nous revenons sur la démarche de conception mobilisée. / France is the largest European producer of malting barley (Hordeum vulgare L.) and the leading exporter of malt worldwide, accounting for 20% of world trade. French barley production has relied heavily on the use of synthetic inputs and has led, as other arable crops, to considerable environmental damage. The aim of this study is to design and evaluate crop and management ideotype adapted to a lower use of synthetic fertilizer. From a multi-environment trial, we conclude that the grain protein content and the calibrated yield (weight of grains >2.5 mm) have to be specifically improved in low-input management systems. We experimentally identified genotypic characteristics adapted to a low grain protein content loss and calibrated yield loss under N stress. With a crop model we adapted to malting barley, we also identified optimal N fertilization strategies allowing to reach high quantitative and qualitative performances whilst minimizing N losses toward the environment. Based on a precise characterization of environments the French barley belt, the best N fertilization strategies were identified for different regions. Finally, we identified new combinations of genotypic characteristics optimizing quantitative and qualitative performances in low management system. We showed that, in silico, a simultaneous adaptation of genotypic characteristics and optimization of N fertilization management allowed to reach similar performances as current genotypes in high-input management systems. We discuss methods to breed genotypes with high performances in low-input systems and the method used for innovative design of new management and barley malting cultivars adapted to low-input systems.

Les rivières sont des écosystèmes dynamiques qui reçoivent, transforment, et exportent de la matière organique comprenant du carbone (C), de l’azote (N), et du phosphore (P). De par leur grande surface de contact entre l’eau et les sédiments, elles offrent un potentiel élevé pour les processus de transformation de ces éléments, dans lesquels ils sont souvent conjointement impliqués. Ces transformations peuvent retirer les éléments de la colonne d’eau et ainsi diminuer leurs concentrations pour améliorer la qualité de l’eau. Par contre, les conditions climatiques (débit, température, luminosité), la configuration du territoire (forêt, urbanisation, agriculture), et la durée des activités humaines sur terre affectent la quantité, composition, et proportion de C, N, et P livrés aux cours d’eau receveurs. Dans un contexte où un surplus de nutriments (N, P) peut surpasser la capacité des rivières à retirer les éléments de l’eau, et où les extrêmes climatiques s’empirent à cause des changements climatiques, cette thèse met en lumière le rôle des rivières dans les dynamiques de C, N, et P pour une meilleure compréhension de la réponse des écosystèmes lotiques aux pressions actuelles et futures. La Rivière du Nord draine séquentiellement des régions couvertes de forêt, d’urbanisation, et d’agriculture, et oscille entre quatre saisons distinctes, l’exposant à des utilisations du territoire et conditions climatiques contrastées. Nous avons échantillonné les formes de C, N, et P à 13 sites le long du tronçon principal (146 km), une fois par saison pour trois ans. De façon générale, les concentrations de N et P totaux ont augmenté d’amont vers l’aval, concordant avec l’activité humaine plus importante dans la deuxième moitié du bassin versant, mais les concentrations de C organique total sont restées constantes peu importe la saison et l’année. La stœchiométrie écosystémique du C : N : P était donc riche en C comparé au N et P en amont, et s’est enrichie en nutriments vers l’aval. L’étendue (2319 : 119 : 1 à 368 : 60 : 1) couvrait presque le continuum terre – océan à l’intérieur d’une seule rivière. Des formes différentes de C, N, et P dominaient la stœchiométrie totale dépendamment des saisons et de l’utilisation du territoire. En été, la composition du N était dominée en amont par sa forme organique dissoute et par le nitrate en aval, tandis qu’en hiver, l’ammonium et le P dissous avaient préséance sur l’entièreté du continuum. Malgré une concentration constante, la proportion des molécules composant le C différait aussi selon la saison et l’utilisation du territoire. L’été était dominé par des formes dégradées par l’action microbienne et l’hiver par des formes bio- et photo-labiles. Ceci fait allusion au potentiel de transformation de la rivière plus élevé dans la saison chaude plutôt que sous la glace, où les formes plus réactives avaient tendance de s’accumuler. La composition du C en amont était aussi distincte de celle en aval, avec un seul changement abrupt ayant lieu entre la section forestière et la section d’utilisation du territoire urbaine et agricole. Ces changements de compositions n’étaient pas présents durant le printemps de crue typique échantillonné, mais dans l’inondation de fréquence historique nous avons observés des apports nouveaux de molécules provenant soit des apports terrestres normalement déconnectés du réseau fluvial ou de surverses d’égouts. L’influence des facteurs naturels et anthropiques s’est aussi reflétée dans les flux historiques riverains de C, N, et P (1980 – 2020). La précipitation explique le plus les flux de C et les flux de N dans la section pristine. Les apports historiques au territoire de N anthropique (nécessaires pour soutenir la population humaine et les activités agricoles) expliquent fortement la tendance temporelle à la hausse des flux riverains de N dans la section urbaine. Durant les quatre dernières décennies, un peu plus du tiers des apports de N au territoire sont livrés à la rivière annuellement, suggérant que la source urbaine de N anthropique est encore peu gérée. Le manque de corrélation entre les flux de P dans la rivière et les précipitations ou les apports au territoire de P anthropique peut être expliqué par les usines de traitement des eaux usées installées dans la région vers la fin des années 1990 qui ont fait diminuer presque de moitié le P livré à la rivière. La variation de ces flux s’est reflétée dans la stœchiométrie écosystémique historique, qui varie de 130 : 23 : 1 en 1980 à 554 : 87 : 1 en 2007-08 après l’effet de l’usine d’épuration et du N qui a augmenté. À travers les axes historiques, spatiaux, et saisonniers, cette thèse contribue à la compréhension du rôle des rivières dans la réception, la transformation, et l’export du C, N, et P. Combinée aux concentrations, l’approche de stœchiométrie écosystémique propose une façon d’intégrer apports et pertes des éléments pour les étudier de pair au niveau du bassin versant. Puis, comme certaines formes de C, N, et P sont associées à des sources terrestres spécifiques, ou à certains types de transformations, les inclure dans un cadre conceptuel combinant des extrêmes climatiques et des utilisations du territoire différentes offre un aperçu sur le résultat des sources et transformations des éléments. Enfin, les tendances décennales de C, N, et P riverains montrent l’influence des facteurs naturels et anthropiques sur la stœchiométrie écosystémique historique d’une rivière. / Rivers are dynamic ecosystems that receive, transform, and export organic matter that includes carbon (C), nitrogen (N), and phosphorus (P). Their high surface of contact between water and sediments offers important potential for transformation processes to occur, which usually include all three elements together. These transformations can remove elements from the water column, thus decreasing their concentrations and leading to improved water quality. However, climatic conditions (discharge, temperature, light), landscape configuration (forest, urbanisation, agriculture), and length of human activities on land affect the quantity, composition, and proportion of C, N, and P delivered to receiving waters. In a context where a surplus of nutrients (N, P) can surpass a river’s capacity to remove elements from the water column, and where climatic extremes are worsening because of climate change, this thesis shines a light on the role of rivers in the dynamics of C, N, and P for a better understanding of lotic ecosystems’ responses to present and future pressures. The Rivière du Nord sequentially drains forested, urban, and agricultural regions, and oscillates between four distinct seasons, exposing it to contrasting land use changes and climatic conditions. We sampled forms of C, N, and P at 13 sites along the mainstem (146 km), once per season for three years. Overall, concentrations of total N and P increased downstream, concurrent with higher human activities in the lower half of the watershed, but total organic C concentrations remained constant regardless of season or year. As a result, C: N: P ecosystem stoichiometry was rich in C compared to N and P upstream, but became enriched in nutrients downstream. Within a single river, the range spanned by the ratios (2319: 119: 1 to 368: 60: 1) almost covered the land – ocean continuum. Different forms of C, N, and P dominated overall stoichiometry depending on season and land use. In summer, upstream N composition was dominated by dissolved organic N and shifted to nitrate downstream. In winter, ammonium and dissolved P were dominant throughout the continuum. Despite constant concentrations, C composition also differed as a function of season and land use. Summer was dominated by microbial humic-like components and winter by bio- and photolabile ones, hinting at the river’s higher transformation potential in the warm season rather than under the ice, where more reactive forms tended to accumulate. Upstream C composition was also distinct from the downstream one, with a unique sharp change between the forested pristine section and the downstream impacted one. This marked shift in composition was not observed in the typical high spring flow, but in the historical flood sampled, we observed new inputs of molecules coming from either previously disconnected terrestrial sources or sewage overflows. The influence of natural and anthropogenic factors was also reflected in the historical riverine loads of C, N, and P (1980 – 2020). Precipitation explained more than half of C loads, and some N loads from the pristine section. Historical anthropogenic N inputs to land (necessary to sustain human population and agricultural activities) strongly explained the increasing trend in riverine N loads from the urban section. In the last four decades, just over a third of anthropogenic inputs to land are loaded to the river annually, suggesting that the urban source of N is still largely uncontrolled. The lack of correlation between riverine P loads and precipitation or anthropogenic P inputs to land could be explained by the installation of wastewater treatment plants in the region at the end of the 1990s, which reduced almost half the amount of P loaded to the river. The variation in riverine loads was reflected in the historical ecosystem stoichiometry, which varied from 130: 23: 1 in 1980 to 554: 87: 1 in 2007-08 due to both the impact of wastewater treatment and increasing N use. With its historical, spatial, and seasonal axes, this thesis contributes to the understanding of the role of rivers on C, N, and P loading, transformation, and export. In combination with concentrations, ecosystem stoichiometry represents an approach to study elements together and integrate their loadings and losses at the watershed scale. Because certain forms of C, N, and P are associated with specific land use sources or certain types of transformation pathways, including them in a conceptual framework that combines climatic extremes and gradients of land uses allows for insight on the net effect of sources of transformations. Lastly, decadal trends of riverine C, N, and P loads will reveal the influence of natural and anthropogenic factors on the historical ecosystem stoichiometry of a river.

Le millet perlé sucré [Pennisetum glaucum (L.) R.BR.] et le sorgho sucré [Sorghum bicolor (L.) Moench] sont des cultures annuelles dont la sève sucrée peut être transformée en éthanol. Ces cultures semblent avoir des besoins limités en azote, mais leur efficacité d’utilisation de l’azote n’a pas été démontrée dans les conditions de l’est du Canada. De plus, la morphologie des systèmes racinaires de ces espèces a peu été étudiée, alors qu’elle pourrait fournir des explications concernant l’efficacité d’utilisation de l’azote. Les objectifs de cette étude étaient de (i) comparer le millet perlé sucré et le sorgho sucré quant à leur rendement et leur utilisation de l’azote (N), (ii) déterminer la réponse des deux espèces à des doses croissantes d’azote minéral, (iii) comparer leur réponse à l’azote minéral et l’azote de source organique (lisiers de porc et de bovin), (iv) comparer leurs traits racinaires et ceux du maïs-grain (Zea Mays L.), l’espèce actuellement utilisée pour produire de l’éthanol dans l’est du Canada, et (v) comparer l’apport en carbone au sol de ces trois espèces. Les espèces ont été cultivées à deux sites expérimentaux situés au Québec. Les doses d’azote favorisant les plus hauts rendements en sucres chez le millet et le sorgho ont été de 86 et 91 kg N ha-1, selon le site. La fertilisation minérale a généré des rendements plus élevés que l’utilisation de lisiers, lesquels ont montré une efficacité fertilisante variant de 15 à 52 % de celle de l’engrais minéral. Le sorgho a donné des rendements en sucres 68 % plus élevés que ceux du millet. Le millet et le sorgho ont récupéré dans leurs parties aériennes 54 à 82 % de l’azote minéral appliqué. Alors que la biomasse racinaire et l’apport annuel en carbone ont été supérieurs pour le maïs, la longueur des racines et la proportion de racines très fines étaient plus élevées pour le millet perlé sucré et le sorgho sucré. Les résultats démontrent la haute efficacité avec laquelle le millet et le sorgho utilisent l’azote ainsi que les faibles risques environnementaux associés, et suggèrent que la morphologie racinaire contribue à cette efficacité. / Sweet pearl millet [Pennisetum glaucum (L.) R.BR.] and sweet sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench] are annual crops from which the sweet sap can be fermented to ethanol. They appear to have a high nitrogen (N) use efficiency, but this remains to be demonstrated in eastern Canada. Studying the morphological traits of their rooting system could help understanding their N use efficiency. The main objectives of this study were to (i) compare both species for yield and N use efficiency, (ii) determine their response to increasing mineral N rate, (iii) compare their response to mineral vs. organic N sources (liquid swine and liquid dairy manures), (iv) compare their root morphological traits with those of grain corn (Zea Mays L.), the sole feedstock used for ethanol production in eastern Canada, and (v) compare annual carbon input to soil from these three species. Species were grown at two experimental sites in Quebec. The N rates that led to maximum sugar yield for sweet pearl millet and sweet sorghum were 86 and 91 kg N ha-1, depending on site. Mineral N fertilization resulted in greater yields than the liquid manures, which showed fertilizer N equivalences varying from 15 to 52%. Fifty-four to 82% of applied mineral N fertilizer was recovered in the aboveground biomass of sweet pearl millet and sweet sorghum. While root biomass and annual carbon input were greater with corn, the length of the rooting system and the proportion of very fine roots were greater with sweet pearl millet and sweet sorghum. Our results show a high N use efficiency of sweet pearl millet and sweet sorghum, and therefore indicate low environmental risk associated with their fertilization. Moreover, our results suggest that the peculiar root morphology of these crops contribute to their high N use efficiency.

Les écosystèmes aquatiques sont de plus en plus reconnus pour leur rôle dans les cycles biogéochimiques locaux et globaux en raison de leur grand potentiel réactif. Les tourbières sont quant à elles des environnements relativement stables, mais qui participent aussi largement aux cycles biogéochimiques car elles accumulent de grandes quantités de carbone (C) et d’autres éléments dans leurs sols. À l’intérieur de certaines tourbières tempérées, de petites étendues d’eau se développent par la décomposition de la matière organique qui compose leur matrice, mais de larges pans de leur fonctionnement biogéochimique sont ignorés. La structure et la géographie de ces mares de tourbières, particulièrement l’interface eau-tourbe qui les caractérise, pourraient d’ailleurs en faire des écosystèmes d’un dynamisme peu commun. Le but de cette thèse est de déterminer en quoi la géographie particulière des mares de tourbières, à commencer par celle des régions tempérées, influence leurs patrons et processus biogéochimiques. Les résultats démontrent que les mares de tourbières sont des écosystèmes sans commune mesure parmi les milieux aquatiques. Les mares sont biogéochimiquement distinctes des autres milieux lentiques en raison de la structure du paysage qui les entoure, faisant d’elles des environnements où les concentrations en C organique dissous (DOC) sont plusieurs fois plus élevées et où le pH est 100 fois plus acide que dans les lacs. La biogéochimie des mares est par contre variable dans le temps et l’espace en fonction de paramètres morphologiques et climatiques. Par exemple, les concentrations en DOC sont plus élevées dans les mares les moins profondes et sous un climat moins humide, mais ces concentrations fluctuent rapidement au cours des saisons en fonction de variations météorologiques, faisant d’elles des sentinelles climatiques. Les patrons biogéochimiques observés dans les mares de tourbières semblent tirer leur origine de leur structure plutôt que d’une influence allochtone à plus grande échelle comme c’est le cas pour la plupart des lacs. Une expérience menée dans une tourbière ombrotrophe du sud du Québec montre ainsi que les processus de décomposition de la matière organique qui caractérisent les mares de tourbières varient spatialement en fonction de la profondeur des mares et de la composition chimique du matériel à décomposer. Au final, les résultats de la thèse démontrent que les patrons et processus biogéochimiques observés dans les mares de tourbières tempérées sont effectivement dirigés par leur géographie particulière, où les mécanismes fonctionnels sont en partie dictés par l’interface eau-tourbe. / Aquatic ecosystems are increasingly recognized for their contribution to local and global biogeochemical cycles because of their high reactivity potential. Peatlands are relatively stable ecosystems but that nonetheless play a large role in biogeochemical cycles because they sequester large amounts of carbon (C) and other elements. Within temperate peatlands, waterbodies may develop by the decomposition of the organic matter that forms the soil but their biogeochemical functioning remain largely ignored. Their structure and their geography, especially the water-peat interface, may thus make peatland pools ecosystems that are more dynamic than other aquatic environments. The goal of this thesis is to determine how the geography of temperate peatland pools influences their biogeochemical patterns and processes. Results show that peatland pools are biogeochemically distinct from other aquatic environments because of the structure of the landscape in which they develop, with dissolved organic C (DOC) concentrations being severalfold higher and pH being 100-fold more acidic than lakes. The biogeochemistry of peatland pools is, however, variable in both space and time in relation to morphological and climatic parameters. For example, DOC concentrations are higher in shallower pools and in arid climates, but these concentrations rapidly vary within and across seasons in relation to changes in temperatures and precipitation, highlighting their potential to act as climate sentinel. The observed biogeochemical patterns in peatland pools originate from their internal structure rather than from a broader-scale allochthonous influence like lakes. The influence of pool internal structure was revealed in an experiment we conducted in an ombrotrophic peatland of southern Québec that showed that organic matter decomposition processes vary spatially in relation to pool depth and to the chemical composition of the organic matter. Overall, the results demonstrate that temperate peatland pool biogeochemical patterns and processes are indeed controlled by their unique geography, and where functional mechanisms are partly driven by the water-peat interface.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Cette étude visait à caractériser la croissance, la capacité photosynthétique, la concentration en azote et protéines totales solubles, la production de protéines recombinantes (HA) ainsi que la quantité de lumière interceptée à différents stades de développement de plants de Nicotiana benthamiana afin d’optimiser la production de vaccins. L’évolution des réponses physiologiques étudiées fut similaire chez toutes les feuilles primaires, suggérant que le processus de sénescence s’initie et progresse de façon semblable indépendamment de leur ordre d’initiation. Toutefois, la superposition des patrons temporels de sénescence et de croissance foliaire a mené à un rendement HA maximal se situant invariablement dans la partie médiane du plant lorsqu’exprimé sur une base foliaire. À l’échelle du plant entier, nos résultats suggèrent qu’il est possible d’augmenter la production de vaccins en récoltant les plants à un stade de développement plus tardif, ou en augmentant la densité de culture et en récoltant ces plants plus tôt. / Nicotiana benthamiana is a wild relative of tobacco increasingly used as a plant protein expression platform to produce recombinant vaccine antigens against the influenza virus. Investigation on the physiological determinants of this production is essential to optimize and regulate vaccines production following a new flu outbreak. We examined the photosynthetic photon flux density, growth, light-saturated photosynthesis, total soluble protein, nitrogen content and recombinant protein production at different phenological stages. The similar evolution of the studied physiological responses suggested that the senescence process is initiated and progresses in a similar way in all primary leaves, regardless of the order of initiation. In contrast, the superposition of the time pattern of senescence with that of leaf growth shows that maximal HA yield expressed on a leaf basis is invariably located in the middle part of the plant. At the whole plant scale, our results suggest that it is possible to increase the production of antigens by harvesting plants at a later developmental stage, or by increasing plant density and harvesting these plants earlier.

Les engrais azotés sont essentiels pour atteindre des rendements élevés, mais ils peuvent causer des problèmes environnementaux s'ils ne sont pas prélevés par la plante. Des indicateurs du statut nutritif, tels que les indices de chlorophylle des feuilles (IC), le test de nitrates (NO3) du sol et les indices de nutrition azotée (INA) calculés à partir d'une concentration critique en N (Ne) font partie des nouveaux outils diagnostiques à évaluer au Québec pour assurer une meilleure gestion de l'azote dans la production du maïs-grain. Nos objectifs sont de valider le modèle de concentration critique en N de Plénet et Lemaire (2000), d'étudier la relation entre l'IC et l'INA, ainsi que la relation entre la teneur en NO3 du sol et l'INA. Différentes doses de N (20 à 250 kg N ha"1 ) ont été appliquées pendant deux saisons de croissance (2004-2005) sur six sites situés dans les régions de Québec et de la Montérégie. Des mesures de la biomasse aérienne, la teneur en N des feuilles, la chlorophylle et la teneur en NO3 sur 0-15 cm ont été prises à sept ou huit occasions à des intervalles d'environ une semaine au cours de la saison de croissance. Les résultats obtenus indiquent que la courbe de N critique (g N kg"1 MS) suivante : Ne = 34W"°37 (W : biomasse aérienne; t MS ha"1 ) proposée par Plénet et Lemaire (2000) en France est validée, puisqu'elle permet de distinguer les situations limitantes et non limitantes en N du maïs pour les conditions pédoclimatiques du Québec. Une relation quadratique positive a été obtenue entre l'IC et l'INA (R2 = 0,56 ; P < 0,001) toutefois, cette relation semble varier selon les sites. Finalement, aucune relation positive significative n'a été observée entre la teneur en nitrates du sol et l'INA. Cependant, une accumulation de nitrates a été observée lorsque l'INA était plus élevé que 0,95.

Nous avons étudié l'impact à moyen-terme du scalpage de l'horizon organique, de la fertilisation et de la pulvérisation d'herbicide, réalisés seuls ou combinés, sur la fertilité des sols et la croissance des plants de conifères. L'utilisation de la biomasse microbienne et du taux de minéralisation nette de l'azote comme indicateurs de la qualité des sols a permis d'identifier la pulvérisation d'herbicide comme étant le traitement le plus perturbateur. Ce traitement a entraîné une importante diminution des stocks d'éléments nutritifs et de l'activité enzymatique des horizons supérieurs du sol, ainsi qu'une augmentation de la croissance en hauteur et en diamètre des plants de conifère. L'augmentation de croissance pourrait s'atténuer dans les années à venir, en raison de la diminution des stocks dans les parcelles traitées. D'autre part, ce traitement, en uniformisant les conditions du milieu, a entraîné une diminution de la variabilité intrinsèque des sols et donc certainement une diminution de la biodiversité.

La souche arctique Mesorhizobium sp. N33 est une bactérie psychrotrophe reconnue comme l'un des rhizobiums fixateurs d'azote le mieux adapté au froid. Le profil transcriptomique et métabolomique de la souche arctique N33 a été déterminé en identifiant les patrons d'expression génétique et les changements des metabolites sous différents stress hypothermiques. Des études utilisant des macropuces et des micropuces d'ADN et la PCR quantitative en temps réel ont montré que différentes fonctions cellulaires sont significativement affectées à basse température. Les chaperonnes, les protéines de choc au froid, la transcription, la traduction, les fonctions membranaires, les métabolismes, les systèmes de transport des éléments nutritifs, la génération d'énergie, l'accumulation de cryoprotectants (polyamines et mannitol), la detoxification des espèces réactives à oxygène (ROS), l'activité xylukinase, des facteurs de transcription et des protéines ayant des fonctions inconnues sont significativement régulés à la hausse à basse température. Beaucoup moins de gènes sont régulés à la baisse à basse température et appartiennent à diverses classes dont le métabolisme général, la motilité cellulaire, les systèmes de transport et de sécrétion, qui indiquent dans leur ensemble une baisse du métabolisme et de la dépense énergétique à basse température. Des études métabolomiques, utilisant la Chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse et la résonance magnétique nucléaire, indiquent que la souche arctique N33 régule les niveaux de plusieurs composés. L'acide linoléique polyinsaturé (18:2(9, 12)) et l'acide gras polyinsaturé 18:2 (6, 9) sont les acides gras les plus abondants pour les conditions de cultures à basse température (4 et 10°C). L'acide gras phospho/neutre mono-insaturé 14:1(11) était le plus induit (45 fois plus élevé) lh de choc au froid. Cet acide gras rend la membrane cellulaire plus fluide, permet la detoxification des cellules des espèces réactives de l'oxygène (ROS) et agit comme source d'énergie pour les cellules. L'isobutyrate était hautement (19.4 fois plus élevé) augmenté à 4°C ce qui suggère que ce composé agit comme précurseur de la modification des acides gras à basses temperatures. Les analyses des voies métaboliques des composées hydrosolubles indiquent la présence de niveaux élevés des metabolites sarcosine et glycine à faible température suggérant que ces composés agissent comme cryoprotectants, ce qui pourrait avoir un impact substantiel sur l'adaptation au froid. La souche N33 démontre plusieurs changements moléculaires reliés à sa capacité de tolérance au froid. Les résultats préliminaires sur le séquençage de la souche N33 et son assemblage en 46 segments (7.13Mbps) sont aussi rapportés dans cette thèse.

La lentille (Lens culinaris Med.) est une composante importante des régimes alimentaires de nombreuses populations à travers le monde mais sa consommation en Europe est relativement faible. L’Europe produit seulement 26% de sa consommation de lentille et ce déficit est en partie causé par d’importants verrous agronomiques comme la verse, les bruches et la compétition des adventices qui réduisent ses rendements, notamment en agriculture biologique. Les associations de cultures, définies comme la culture simultanée d’au moins deux espèces différentes sur une même surface pendant une durée significative, sont considérées comme une option pour lever ces verrous agronomiques et ainsi développer la production de lentille en agriculture biologique. Les objectifs de cette thèse étaient de (1) évaluer le potentiel des associations de lentille et de blé de printemps pour produire de la lentille en conditions d’agriculture biologique et (2) comprendre les principaux mécanismes sous-jacents à la performance des associations. Des essais agronomiques ont été mis en place en 2015 et 2016 en conditions d’agriculture biologique. Quatre variétés de lentille et de blé de printemps ont été conduites en culture pures et en plusieurs associations de type substitutif et additif. Nos résultats montrent que le rendement moyen des associations avant récolte mécanique était plus élevé que le rendement moyen des cultures pures. Néanmoins, le rendement de lentille en association était inférieur à celui de la lentille en culture pure en raison d’une compétition forte et précoce du blé pour les ressources qui a causé la diminution nombre de ramifications par plante de la lentille. Le prix de la lentille étant environ quatre fois plus élevé que celui du blé, la marge brute des associations avant récolte était inférieure à celle de la lentille en culture pure. Cependant, la verse de la lentille a été fortement réduite en association, entrainant une augmentation de l’efficacité de sa récolte mécanique. En conséquence les rendements de lentille issus de la récolte mécanique se sont avérés similaires en association et en culture pure. Enfin, après tri et nettoyage des graines, la marge brute des associations sur le rendement commercialisable était supérieure à celle des cultures pures. Nos résultats montrent que (1) les associations n’ont pas eu d’effet sur le taux de bruchage des lentilles, (2) l’association la plus performante est constituée de lentille à densité équivalente à la culture pure dans laquelle on ajoute 15-20% de blé, (3) la performance des associations est due à une utilisation complémentaire de l’azote rendue possible par la fixation symbiotique de l’azote par la lentille et (4) l’intensité des compétitions entre espèces dépendent de l’année, de la densité de blé et des génotypes. En conclusion, nos travaux indiquent que les associations de lentille et de blé de printemps peuvent permettre de développer la production de lentille en agriculture biologique mais qu’une meilleure compréhension des interactions de type génotype x environnement x conduite pourrait permettre de mettre au point des couverts encore plus performants. / Lentil (Lens culinaris Med.) is an important component of the human diet in the world, but in the meantime, Europe produces only 26% of the lentils it consumes. This is partly due to strong agronomic weaknesses that reduce yield such as lodging, bruchid beetles and weeds, especially in organic farming. Intercropping, the simultaneous growing of two or more species in the same field is tested here as an option to reduce these drawbacks and develop organic lentil production. The aims of this thesis were to (1) assess the potential of lentil-spring wheat intercrops to produce organic lentil, (2) understand the mechanisms that explain their performances, and (3) evaluate the profitability of such intercrops. A two-year field experiment was carried out in southwestern France in 2015 and 2016 under organic farming rules. Four lentil and two wheat cultivars were grown as sole crops and intercrops in multiple additive and substitutive designs. Our results showed that the total intercrop attainable grain yield was higher than the mean of sole crops. Yet, lentil yield in intercrop was lower than in sole crop as the result of a strong competition for resources from wheat in early lentil growth stages reducing the number of branches per plant of lentil. This led to lower gross margins of intercrops. However, lentil lodging was strongly reduced in intercrops thus its mechanical harvest efficiency increased. This led to similar mechanically harvested yields of lentil in intercrop and sole crop. Consequently, after mechanical harvest and grain cleaning, the marketable gross margin of intercrops was higher than that of sole crops. Our results suggest that (1) intercrop had no effect on bruchids, (2) the most effective intercrop is when lentil is at sole crop density and wheat at 15-20%, (3) intercrop performance is due to complementary use of N pools through legume N2 fixation and (4) the intensity of interspecific interactions depends on year, wheat density and genotypes. Our work indicates that lentil-spring wheat intercrop can develop organic lentil production but a better understanding of Genotype x Environment x Cropping system interactions may be useful to design optimized managements.