Les organismes aquatiques sont adaptés à une grande variabilité hydrique et thermique des rivières. Malgré ceci, la régulation des eaux suscite des changements aux débits qui peuvent provoquer des impacts négatifs sur la biodiversité et les processus écologiques en rivière. Celle-ci peut aussi causer des modifications au niveau des régimes thermiques et des caractéristiques de l’habitat du poisson. Des données environnementales et biologiques décrivant l’habitat du poisson existent, mais elles sont incomplètes pour plusieurs rivières au Canada et de faible qualité, limitant les relations quantitatives débit-température-poissons à un petit nombre de rivières ou à une région étudiée. La recherche menée dans le cadre de mon doctorat concerne les impacts de la génération d'hydroélectricité sur les rivières; soit les changements aux régimes hydriques et thermiques reliés à la régulation des eaux sur la variation des communautés ichtyologiques qui habitent les rivières régulées et naturelles au Canada. Suite à une comparaison d’échantillonnage de pêche, une méthode constante pour obtenir des bons estimés de poisson (richesse, densité et biomasse des espèces) a été établie pour évaluer la structure de la communauté de poissons pour l’ensemble des rivières ciblées par l’étude. Afin de mieux comprendre ces changements environnementaux, les principales composantes décrivant ces régimes ont été identifiées et l’altération des régimes hydriques pour certaines rivières régulées a été quantifiée. Ces résultats ont servi à établir la relation significative entre le degré de changement biotique et le degré de changement hydrique pour illustrer les différences entre les régimes de régulation. Pour faire un complément aux indices biotiques déjà calculés pour l’ensemble des communautés de poissons (diversité, densité et biomasse des espèces par rivière), les différences au niveau des guildes de poissons ont été quantifiées pour expliquer les divers effets écologiques dus aux changements de régimes hydriques et thermiques provenant de la gestion des barrages. Ces derniers résultats servent à prédire pour quels traits écologiques ou groupes d’espèces de poissons les composantes hydriques et thermiques sont importantes. De plus, ces derniers résultats ont servi à mettre en valeur les variables décrivant les régimes thermiques qui ne sont pas toujours inclues dans les études hydro-écologiques. L’ensemble des résultats de cette thèse ont des retombées importantes sur la gestion des rivières en évaluant, de façon cohérente, l’impact de la régulation des rivières sur les communautés de poissons et en développant des outils de prévision pour la restauration des écosystèmes riverains. / Widespread anthropogenic impacts to river ecosystems are currently changing the naturaly variability of flow and temperature regimes, with potentially important repercussions on the stability and function of aquatic communities. Although fish community responses to flow alterations from river regulation have been quantified in the past (e.g. late maturation of salmonid populations due to attenuated flows or stranding of fishes from down-ramping flows), the scarcity of high quality, long-term data, especially in Canadian rivers, has limited our understanding of the effect this has had on other environmental drivers and fish community structure across this heterogenous landscape. Using extensive field surveying across unregulated and regulated rivers in Alberta, Ontario, Québec, and New Brunswick coupled with data from national, provincial, and private flow and water temperature gauge networks, I showed the effects of flow and thermal regimes on fish diversity, density, biomass, and different types of ecological guilds. I also examined the extent to which different regulation practices have modulated the response of riverine fish to the combined effect of changes to flow and thermal regimes. To first establish a methodology for quantifying fish community structure across rivers, I generated reliable site-specific species richness, density, and biomass metrics that combined measures from two commonly used surveying methods. To then quantify the response of these fish community metrics to river regulation, I defined daily and hourly flow indices based on river flow conditions, developed hydrologic regime variables that described dominant patterns of flow variation, and calculated flow alterations based on the difference in multivariate space of these hydrologic regime variables for regulated rivers from reference flow conditions. By applying this same approach to fish community metrics, I identified a significant positive relationship between biotic and flow alterations and showed a separation between the two most distinct flow regulation types, run-of-river (ROR) and hydro-peaking. To tease apart the relative importance of each environmental driver for establishing fish communities across river regimes, I provided quantitive thermal indices based on river water temperatures and developed thermal variables akin to those described for flow regimes. To evaluate whether quantitative fish guild estimates, rather than total river biomass or density estimates, would respond more strongly to river thermal regimes, I compared the response of different types of fish guilds to flow and thermal regimes across rivers, including those subjected to river regulation. All fish guild models performed better relative to studying total river estimates, confirming the use of trait-environmental relationships for studying fish community responses across rivers. I also found that integrating thermal regimes in hydro-ecological studies is critical in predicting fish guild responses across rivers. Collectively, these findings have important repercussions for river management, as they provide comprehensive assessments of the environmental variables driving fish community responses, inform the potential range of ecological consequences of anthropogenic alterations on natural flow regimes, and contribute to establishing more transferable predictions for restoring impacted rivers. More broadly, the thesis results are important given future global climate warming, its synergistic effects with other anthropogenic stressors, and ongoing scarcity for water and energy sources.

Cette thèse s’intéresse à l’efficacité d’un enseignement basé sur une approche systémique de l’énergie en cycle 3. Il s’agit d’étudier l’effet de l’usage de systèmes biotiques (relatifs au vivant) dans l’enseignement sur les apprentissages des élèves concernant un modèle de chaîne énergétique. À partir de la théorie de l’activité, un cadre d’analyse de l’efficacité reposant sur l’articulation entre la tâche et les actions et opérations des élèves a été proposé. Un protocole expérimental a été conçu afin de comparer, dans une même classe, un groupe d’élèves travaillant sur des systèmes biotiques et domestiques (groupe biotique) et un autre ne travaillant que sur des systèmes domestiques (groupe domestique). Les données se composent de questionnaires administrés avant et après l’enseignement dans 3 classes de CM1 ainsi que des enregistrements vidéos et du recueil des productions de l’ensemble des élèves d’une classe pendant les séances. Les résultats montrent que les élèves du groupe biotique progressent plus que les élèves du groupe domestique au niveau de la réalisation des chaînes énergétiques et de l’identification des sources d’énergie et des ressources naturelles après l’enseignement. Ils révèlent également que, pendant l’enseignement, les élèves du groupe biotique rencontrent plus de difficultés pour réaliser les chaînes énergétiques et évoquent plus les interactions entre les éléments du système. Enfin le couplage des analyses précédentes indique que les élèves qui ont réalisé des chaînes complètes et ceux qui ont évoqué les interactions entre les éléments du système pendant la dernière séance progressent plus sur les chaînes énergétiques après l’enseignement. / This study concerns the effectiveness of a teaching based on a systemic approach of energy in primary school. The aim is to observe the effect of biotic systems (relating to living being) used in the teaching on student learning about an energy chain model. According to the theory of activity, we proposed a framework to analyse the effectiveness based on the link between the task and the actions and operations of the students. An experimental protocol was designed to compare, in the same class, a group of students working on biotic and domestic systems (biotic group) and another working only on domestic systems (domestic group). The data include questionnaires given before and after teaching in 3 classroom of grade 4 and video recordings associated with the productions of all the students of one class during the teaching. The results show that students from the biotic group progress more after the teaching than students from the domestic group in terms of achieving energy chains and identifying sources of energy and natural resources. They also reveal that, during teaching, students from the biotic group had more difficulties to achieve energy chains and spoke more about the interactions between the elements of the system. Finally, the coupling of the previous analyzes indicates that the students who realized complete chains and those who evoked the interactions between the elements of the system during the last course progress more on the energy chains after the teaching.

L’altération des roches silicatées constitue le dénominateur commun d’une multitude de problématiques environnementales et sociétales. Du fait de la difficulté d’extrapoler au milieu naturel les cinétiques de dissolution des minéraux mesurées in vitro, cette thèse propose de réviser en profondeur l’approche actuelle de la réactivité minérale du laboratoire au terrain. Ce travail démontre que l’évolution intrinsèque des propriétés texturales et structurales de l’interface réactive au cours de la dissolution induit des variations de vitesse qui ne peuvent être expliquées dans le cadre des théories thermocinétiques classiques. Nous proposons une nouvelle méthode permettant de sonder la réactivité biogéochimique des minéraux sur le terrain et de révéler les interactions réciproques entre le minéral et le monde microbien au sein de la minéralosphère. Nous démontrons la pertinence des phénomènes de passivation pour l’altération de surface et l’incapacité des microorganismes à les surmonter. / Chemical weathering of silicate minerals is central to numerous environmental and societal challenges. This study addresses the long-standing question of the inconsistency between field and laboratory estimates of dissolution kinetics, by revisiting current approaches of mineral reactivity. It is demonstrated that evolution of feldspar reaction rates are inaccurately describedby current kinetics rate laws, due to textural and structural changes occurring at the fluid-mineral interface over the course of the dissolution process. A novel method is developed to enable probing biogeochemical weathering rates in the field. Bacterial and fungal metagenomic data reveal that subtle reciprocal relationships are established between microorganisms and mineral substrates within the mineralosphere. This thesis emphasizes the impact of passivation phenomena on dissolution rates, under field-relevant reacting conditions and the incapacity of microorganisms to overcome the passivation barrier.

L'urbanisation croissante de ces dernières décennies amène aujourd'hui à considérer la place de la biodiversité dans les territoires urbains. Ce travail est centré sur l'étude des modifications de communautés végétales de petits espaces boisés (1,5 ha en moyenne) le long d'un gradient d'urbanisation dans trois agglomérations du Massif armoricain : Angers, Nantes et Rennes. Les communautés végétales sont fortement modifiées par l'urbanisation. Les bois urbains sont plus riches en espèces exotiques mais restent dominés par des espèces indigènes et forestières. Cependant, la distribution des espèces indigènes est modifiée le long du gradient d'urbanisation et certains traits biologiques semblent associés à cette distribution. L'environnement local et en particulier le pH et la fertilité des sols semblent être les facteurs les plus importants en lien avec les modifications des communautés végétales. L'âge des espaces boisés semble avoir une importance moindre. De plus, les caractéristiques de dispersion des espèces ne semblent pas être impliquées dans la distribution des espèces le long du gradient d'urbanisation. Au niveau de l'espace boisé, l'effet lisière est un déterminant important de la richesse spécifique, les lisières étant les plus riches en espèces aussi bien dans les bois urbains que ruraux. La banque de graines de la litière est affectée par la distance à la lisière mais elle est peu différente entre les bois urbains et ruraux. La composition de la banque de graines de la litière diffère largement de la composition de la végétation du bois. Les caractéristiques du milieu forestier empêchent probablement la germination d'un grand nombre d'espèces non forestières venant des habitats adjacents aux espaces boisés et sont donc importantes pour le maintien d'une végétation dominée par des espèces forestières. Ce travail permet d'ouvrir des perspectives pour une meilleure compréhension des mécanismes écologiques impliqués dans la réponse des espèces à l'urbanisation et pourrait contribuer à une meilleure intégration de ces espaces boisés dans l'aménagement des villes.

L'urbanisation croissante de ces dernières décennies amène aujourd'hui à considérer la place de la biodiversité dans les territoires urbains. Ce travail est centré sur l'étude des modifications de communautés végétales de petits espaces boisés (1.5 ha en moyenne) le long d'un gradient d'urbanisation dans trois agglomérations du Massif armoricain : Angers, Nantes et Rennes. Les communautés végétales sont fortement modifiées par l'urbanisation. Les bois urbains sont plus riches en espèces exotiques mais restent dominés par des espèces indigènes et forestières. Cependant, la distribution des espèces indigènes est modifiée le long du gradient d'urbanisation et certains traits biologiques semblent associés à cette distribution. L'environnement local et en particulier le pH et la fertilité des sols semblent être les facteurs les plus importants en lien avec les modifications des communautés végétales. L'histoire des espaces boisés semble avoir une importance moindre. De plus, les caractéristiques de dispersion des espèces ne semblent pas être impliquées dans la distribution des espèces le long du gradient d'urbanisation. Au niveau de l'espace boisé, l'effet lisière est un déterminant important de la richesse spécifique, les lisières étant les plus riches en espèces aussi bien dans les bois urbains que ruraux. La banque de graines de la litière est affectée par la distance à la lisière mais elle est peu différente entre les bois urbains et ruraux. La composition de la banque de graines de la litière diffère largement de la composition de la végétation du bois. Les caractéristiques du milieu forestier empêchent probablement la germination d'un grand nombre d'espèces non forestières venant des habitats adjacents aux espaces boisés et sont donc importantes pour le maintien d'une végétation dominée par des espèces forestières. Ce travail permet d'ouvrir des perspectives pour une meilleure compréhension des mécanismes écologiques impliqués dans la réponse des espèces à l'urbanisation et pourrait contribuer à une meilleure intégration de ces espaces boisés dans l'aménagement des villes.

La compréhension des mécanismes de défense mis en place lors de la résistance des plantes vis-à-vis d'agents pathogènes a pour objectif de proposer des alternatives à l'utilisation de produits phytosanitaires utilisés en agriculture. Dans une première partie, nous avons étudié les mécanismes moléculaires impliqués dans la résistance induite aux pathogènes par l'acide β-aminobutyrique (BABA) chez la vigne. En effet, cet acide aminé non protéique favorise un état physiologique particulier, appelé potentialisation, dans lequel la plante est capable de mobiliser plus rapidement et/ou plus intensément ses réactions de défense en réponse à un stress. Contrairement aux éliciteurs comme les oligogalacturonates (OG), nous avons montré que le BABA seul n'induisait pas les événements précoces de signalisation sur suspensions cellulaires de vigne, tels que les variations de la concentration en calcium cytosolique libre ([Ca2+]cyt), la production de monoxyde d'azote (NO), la production d'H2O2, la phosphorylation de MAPkinases, ni l'expression de gènes de défense. Seules la production d'H2O2 et l'expression plus intense du gène RbohD codant une NADPH oxydase sont potentialisées par le BABA dans les suspensions cellulaires élicitées par les OG. In planta, le BABA potentialise également une production d'H2O2 en réponse à l'infection par l'oomycète Plasmopara viticola. L'utilisation d'un inhibiteur de NADPH oxydase abolit complètement cette production d'H2O2 et bloque partiellement la résistance induite par le BABA. Nous montrons donc que la potentialisation de la production d'H2O2 dépendante d'une NADPH oxydase contribue à l'établissement de la résistance induite par le BABA chez la vigne. Une deuxième partie a permis d'appréhender les événements cellulaires impliqués dans la résistance des plantes en se focalisant sur le mutant pad2 (phytoalexin deficient) d'Arabidopsis thaliana. Ce mutant présente une sensibilité accrue à différents pathogènes et contient un taux de glutathion de l'ordre de 20 % par rapport à l'écotype sauvage. Nous avons tout d'abord montré que le faible taux de glutathion dépendait d'une quantité réduite de la première enzyme de sa biosynthèse, la glutamate-cystéine ligase. Le glutathion étant impliqué dans la mise en place des réactions de défense, nous avons tenté de définir le lien entre la déficience en glutathion et la sensibilité de pad2 aux pathogènes. Nous avons tout d'abord montré que pad2 possédait un état redox du glutathion plus oxydé que le sauvage. Une analyse transcriptomique à l'état basal a révélé que la plupart des gènes différentiellement exprimés étaient réprimés chez pad2. Parmi ces gènes, certains codent des protéines impliquées dans les flux d'ions qui pourraient déréguler la dépolarisation membranaire. Nous avons ainsi confirmé que la dépolarisation de la membrane plasmique est amoindrie chez pad2 en réponse aux OG. De plus, des événements en aval tels que la production d'H2O2 et la production de NO sont également plus faibles chez le mutant par rapport au sauvage. Cette absence de la production d'H2O2 a également été spécifiquement observée sur plantes pad2 infectées par l'oomycète Phytophthora brassicae. Il en résulte un développement accru du pathogène corrélé à une absence de réponse hypersensible, une mort cellulaire localisée normalement observée dans le cas du sauvage résistant. En réponse aux OG ou à l'infection par P. brassicae, les analyses transcriptomiques font ressortir un fort enrichissement de gènes relatifs à la dégradation des protéines chez pad2. De manière globale, nos résultats suggèrent que la déficience en glutathion chez pad2 pourrait profondément modifier le turn-over des protéines, perturbant ainsi la signalisation cellulaire et les réponses biologiques associées.

Le développement et le fonctionnement harmonieux des plantes dépendentde cofacteurscomme le nicotinamide adénine dinucléotide (NAD). Outre ses rôles dansle recyclage rédox,le NAD est aussi impliqué dans des processus de signalisationcellulaire, particulièrementsollicités en situation de stress. Cela fait du NAD l’un desdéterminants majeurs del’homéostasie énergétique des plantes et donc des rendements descultures. Par uneapproche de génétique inverse ciblant la L-aspartate oxydase (AO),première enzyme de lavoie de biosynthèse du NAD, nous avons obtenu des plantes aux teneursconstitutivementaugmentées et diminuées en nucléotides à pyridine. L’étude de cesplantes a permisd’établir que (1) le NAD stimule la croissance, le développement et laproductivité desplantes, (2) coordonne les métabolismes photosynthétique, respiratoireet azoté, et (3)intervient dans les mécanismes de résistance aux stress biotiques etabiotiques. Les travauxcités ci-dessus font l’objet d’une valorisation industrielle. / The harmonious development and functioning of plants depend on severalcofactors such asnicotinamide adenine dinucleotide. Besides its roles in redox recycling,the NAD is alsoinvolved in cellular signalling processes, which are central actors instress situations. TheNAD is thus one of the main determinants of plant energy homeostasis,and therefore of cropyield. Through a reverse genetics approach targeting the L-aspartateoxidase (AO) – the firstcommitted enzyme of NAD biosynthesis – plants with constitutive eitherincreased ordecreased levels of pyridine nucleotides have been obtained. A furtherstudy of these plantsenabled to show that the NAD (1) can improve the growth, development andproductivity ofplants, (2) coordinates photosynthetic, respiratory and nitrogenmetabolisms, and (3) actsupon biotic and abiotic stress resistance mechanisms. This research isbeing valuedindustrially.

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Des génotypes adaptés à des environnements contrastés ont de grandes chances de se comporter différemment lorsqu’ils sont placés dans des conditions similaires et contrôlées, notamment si leur sensibilité aux signaux environnementaux et/ou leur croissance intrinsèque sont limitées à différents niveaux. De ce fait, la variabilité observée dans les populations naturelles peut être utilisée comme une source illimitée de nouveaux allèles ou gènes pour l’étude des bases génétiques de la variation des traits quantitatifs. Mon travail de doctorat a consisté en l’analyse de la variabilité naturelle pour la croissance et la réponse à l’environnement chez Arabidopsis thaliana. Le but des approches de génétique quantitative est de comprendre comment la diversité génétique et épigénétique contrôle la variabilité phénotypique observée dans les populations à différentes échelles, au cours du développement et sous différentes contraintes environnementales. De plus, ces analyses ont pour objectif de comprendre comment les processus adaptatifs et démographiques influencent la fréquence de ces variants dans les populations en fonction de leur environnement local. Ainsi, l’étude de la variabilité naturelle peut être appréhendée en utilisant diverses approches, de la génétique et des méthodes de biologie moléculaire aux études écologiques et évolutives. Au cours de mon doctorat, j’ai eu la chance de travailler sur plusieurs de ces aspects au travers de trois projets indépendants qui exploitent tous la variabilité naturelle d’A. thaliana.Le premier projet a consisté en l’analyse du pattern de polymorphisme observé dans des populations d’A. thaliana au gène MOT1 qui code pour un transporteur de molybdate (la forme assimilable du molybdène (Mo), un micro-élément essentiel) et qui est responsable d’une partie des variations de croissance et de fitness observées à l’échelle de l’espèce en fonction de la disponibilité en Mo des sols. J’ai montré à différentes échelles géographiques que le pattern de polymorphisme à MOT1 ne reflète pas une évolution neutre mais présente plutôt des traces de sélection diversifiante. Ce travail a contribué à renforcer l’hypothèse selon laquelle des mutations au niveau du gène MOT1 pourraient avoir été sélectionnées dans certaines populations pour faire face aux niveaux élevés de Mo observés dans certains sols et potentiellement délétères malgré leur effet négatif sur des milieux pauvres en Mo.Le deuxième projet portait sur la caractérisation et l’analyse fonctionnelle de deux récepteur-kinase putatifs (RLK) identifiés de part leurs effets sur la croissance foliaire spécifiquement en réponse à un stress induit par du mannitol mais pas sous d’autres contraintes osmotiques. La fonction de ces récepteurs chez A. thaliana -qui n’est pas connu pour produire du mannitol- peut paraître intrigante. Les différentes expériences réalisées au cours de cette thèse nous ont cependant permis de construire un modèle selon lequel ces récepteurs pourraient être activés par le mannitol produit par certains pathogènes tel que les champignons et participer aux réponses de défense de la plante.Le troisième projet a été réalisé en collaboration avec l’équipe de Michel Vincentz (CBMEG, Brésil) et de Vincent Colot (IBENS, Paris) et consiste en l’analyse de l’occurrence de variants épigénétiques naturels au gène QQS dans différentes populations d’Asie Centrale et de leurs possibles conséquences phénotypique et adaptative.En conclusion, l’analyse des variants génétiques et épigénétiques naturels à l’origine des variations de biomasse en interaction avec l’environnement permet de comprendre comment l’évolution façonne la variabilité naturelle. / Genotypes adapted to contrasting environments are expected to behave differently when placed in common controlled conditions, if their sensitivity to environmental cues or intrinsic growth behaviour are set to different thresholds, or are limited at distinct levels. This allows natural variation to be exploited as an unlimited source of new alleles or genes for the study of the genetic basis of quantitative trait variation. My doctoral work focuses on analysing natural variation for shoot growth and response to the environment in A. thaliana. Natural variation analyses aim at understanding how molecular genetic or epigenetic diversity controls phenotypic variation at different scales and times of plant development and under different environmental conditions, and how selection or demographic processes influence the frequency of those molecular variants in populations for them to get adapted to their local environment. As such, the analysis of A. thaliana natural variation can be addressed using a variety of approaches, from genetics and molecular methods to ecology and evolutionary questions. During my PhD, I got the chance to tackle several of those aspects through my contributions to three independent projects which have in common to exploit A. thaliana natural variation. The first one is the analysis of the pattern of polymorphism from a set of 102 A. thaliana accessions at the MOT1 gene coding for a molybdate transporter (an essential micronutrient) and responsible for contrasted growth and fitness among accessions in response to Mo availability in the soil. I showed at different geographical scales that MOT1 pattern of polymorphisms is not consistent with neutral evolution and shows signs of diversifying selection. This work helped reinforce the hypothesis that in some populations, mutations in MOT1 have been selected to face soils rich in Mo and potentially deleterious despite their negative effect on Mo-limiting soils. The second project consists in the characterisation and functional analysis of two putative receptor-like kinases (RLKs) identified from their effect on shoot growth specifically under mannitol-supplemented media and not in response to other osmotic constraints. The function of such RLKs in A. thaliana, which is not known to synthesize mannitol was intriguing at first but, through different experiments, we built the hypothesis that those RLKs could be activated by the mannitol produced by some pathogens such as fungi and participate to plant defensive response. The third project, in collaboration with Michel Vincentz’s team from CBMEG (Brasil) and Vincent Colot (IBENS, Paris), consists in the analysis of the occurrence of natural epigenetic variants of the QQS gene in different populations from Central Asia and their possible phenotypic and adaptive consequences. Overall, these analyses of the genetic and epigenetic molecular variation leading to the biomass phenotype(s) in interaction with the environment provide clues as to how and where in the pathways adaptation is shaping natural variation.