<p> Statistical analyses between the relationship of tree-ring widths with variations in climate were used to examine the limiting climatic factors upon the growth rate of Picea mariana along the treeline and in hopes of reconstructing past climate. Tree-ring widths were used as a proxy measure of growth rates to establish the relationship of annual variances in temperature and precipitation on the growth rate of trees. Twelve tree cores were sampled from separate trees along the treeline northeast of Yellowknife, Northwest Territories. The trees, (with cores spanning 40 -160 years per tree), were compared to monthly and seasonal variations of both temperature and precipitations. A stepwise regression model was used to examine the climate-growth response. No climatic variables were found to illicit a general response pattern. The growth rate of trees along the treeline, northeast of Yellowknife do not appear to be dependent upon variations in the regional climate. Therefore, no climatic reconstructions were possible.</p> / Thesis / Bachelor of Arts (BA)

<p> In this thesis, the postglacial spread of three ecologically distinct species, Picea mariana (black spruce), Picea glauca (white spruce), and Pinus banksiana (jack pine), across the western interior of Canada are presented. The fossil pollen records from the sediments of thirteen lakes are used in reconstructing the population expansions of the three tree taxa. The objectives of this study are to examine temporal and spatial patterns in the growth of the populations and to determine if intraspecific and interspecific variations exist across a range of latitudes and elevations.</p> <p> Pollen accumulation rates (PAR) are calculated from pollen grain counts and sedimentation rates throughout the early-to mid-Holocene, and are used to represent the population level at the time of pollen deposition. Exponential equations are used to calculate population growth rates. Three dimensional diagrams (time, space, abundance) are constructed to illustrate the spread of the populations.</p> <p> The rates of population growth varied from south to north for all three species. Jack pine, on average had slower population growth rates, and its expansion across the region began over 3,000 years later than, and lasted approximately 1,000 years longer than the two spruce species. All three tree taxa experienced reduced rates of population growth at high elevation sites in the north. These variations are examined in light of the changing and static physical and botanical environmental conditions occurring during expansion.</p> / Thesis / Master of Science (MSc)

<p> The pollen, charcoal and sediment stratigraphies of two cores from small lakes located northeast of Yellowknife, NWT are examined. The focus of this study is to reconstruct post-glacial vegetation changes in this climatically sensitive area. The resulting vegetation history is compared to similar reconstructions from across Canada. The pollen content of twenty-eight modern sediment samples, collected from the forest, the forest-tundra and the tundra zones were used to aid in the interpretation of the fossil record. Radiocarbon dates indicate that the fossil records from these lakes span ~7 500 years. The initial vegetation, shrub Betula tundra, was established at ~7 000 BP and persisted until ~6 000 BP. The presence of Ericaceae, Myrica, and Sphagnum distinguishes this zone from similar zones from western Canada and suggests the existance of large areas of bog environment. This zone is succeeded by a second shrub tundra zone, which is marked by a dramatic increase in Alnus crispa and Alnus incana. This zone spans from ~6 000 BP until ~5 000 BP. A synchronous increase in Alnus is noted from sites across Canada and is attributed to an increase in moisture. The third zone, spanning from ~5 000 BP to ~3 500 · BP, delimits the existance of forest vegetation defined by the northward expansion of Picea mariana. The delay of Picea mariana expansion into the area relative to its arrival in western Canada can be explained by one of the following: 1) geological differences; or 2) remnant glacial ice retarding climatic amelioration; or 3) the long-wave westerly disturbance, which causes cooler temperatures in the east when warmer temperatures persist in western Canada; or 4) some combination of the above. The decline of forest vegetation at ~3 500 BP marks the establishment of modern tundra vegetation at both sites. Climatic cooling coupled with fire caused the extinction of aboreal vegetation at the study sites.</p> / Thesis / Master of Science (MSc)

Au Canada, nous remarquons une prédominance du diabète de type 2 au sein des communautés autochtones. Une approche ethnobotanique est utilisée en collaboration avec la Nation Crie de Eeyou Istchee afin de déterminer quels traitements à base de plantes peuvent être utilisés pour contrer les différentes conditions qui, collectivement, forment le diabète. Les pharmacopées de deux communautés cries, soit celles de Waskaganish et de Nemaska, ont été établies puis comparées à celles de étudiées antérieurement : communautés Whapmagoostui et Mistissini. Malgré les différences géographiques de ces groupes, leurs utilisations sont majoritairement semblables, avec pour seule exception le contraste entre les communautés de Nemaska et de Whapmagoostui. De plus, nous avons complété l’évaluation du taux cytoprotecteur des aiguilles, de l’écorce et des cônes de l’épinette noire (Picea mariana). Les extraits provenant de tous les organes des plantes démontrent une protection qui dépend de la concentration. La réponse spécifique d’organes peut varier selon l’habitat; ainsi, les plantes poussant dans les tourbières ou dans les forêts, sur le littoral ou à des terres l’intérieur démontrent des différences quant à leur efficacité. Bref, l’écorce démontre une relation dose-effet plus forte dans la forêt littorale, tandis que les aiguilles n’indiquent pas de changements significatifs selon leur environnement de croissance. La bioactivité observée démontre une corrélation avec le contenu phénolique et non avec l’activité de l’agent antioxydant. Ces résultats contribuent à péciser les activités antidiabétiques des plantes de la forêt boréale canadienne, telles qu’identifiées au niveau cellulaire par les guérisseurs Cries. / In Canada there is an overwhelming prevalence of type II diabetes in First Nations communities. Here an ethnobotanical approach has been used in cooperation with the Cree Nation of Eeyou Istchee to focus on finding plant based treatments for the conditions which collectively make up the symptoms of diabetes. The pharmacopoeias of two Cree communities (Waskaganish and Nemaska) are elucidated then compared with previously studied populations (Whapmagoostui and Mistissini). Despite differences in north-south east-west geography, plant ranking and use matrices were similar with the exception of Nemaska/Whapmagoostui. We have also completed the evaluation of Black spruce (Picea mariana) needle, bark and cone cytoprotectivity. Extracts from all organs exhibited concentration-dependent protection. Organ-specific response was habitat and growth environment dependent with plants grown either in bog or forest habitats in coastal or inland environments exhibiting differences in efficacy. Observed bioactivity correlated with total phenolic content but not with antioxidant activity. Together, these results contributed to the understanding of antidiabetic activity of Canadian boreal forest plants identified by the Cree of Eeyou Istchee healers at the cellular level.

Au Canada, nous remarquons une prédominance du diabète de type 2 au sein des communautés autochtones. Une approche ethnobotanique est utilisée en collaboration avec la Nation Crie de Eeyou Istchee afin de déterminer quels traitements à base de plantes peuvent être utilisés pour contrer les différentes conditions qui, collectivement, forment le diabète. Les pharmacopées de deux communautés cries, soit celles de Waskaganish et de Nemaska, ont été établies puis comparées à celles de étudiées antérieurement : communautés Whapmagoostui et Mistissini. Malgré les différences géographiques de ces groupes, leurs utilisations sont majoritairement semblables, avec pour seule exception le contraste entre les communautés de Nemaska et de Whapmagoostui. De plus, nous avons complété l’évaluation du taux cytoprotecteur des aiguilles, de l’écorce et des cônes de l’épinette noire (Picea mariana). Les extraits provenant de tous les organes des plantes démontrent une protection qui dépend de la concentration. La réponse spécifique d’organes peut varier selon l’habitat; ainsi, les plantes poussant dans les tourbières ou dans les forêts, sur le littoral ou à des terres l’intérieur démontrent des différences quant à leur efficacité. Bref, l’écorce démontre une relation dose-effet plus forte dans la forêt littorale, tandis que les aiguilles n’indiquent pas de changements significatifs selon leur environnement de croissance. La bioactivité observée démontre une corrélation avec le contenu phénolique et non avec l’activité de l’agent antioxydant. Ces résultats contribuent à péciser les activités antidiabétiques des plantes de la forêt boréale canadienne, telles qu’identifiées au niveau cellulaire par les guérisseurs Cries. / In Canada there is an overwhelming prevalence of type II diabetes in First Nations communities. Here an ethnobotanical approach has been used in cooperation with the Cree Nation of Eeyou Istchee to focus on finding plant based treatments for the conditions which collectively make up the symptoms of diabetes. The pharmacopoeias of two Cree communities (Waskaganish and Nemaska) are elucidated then compared with previously studied populations (Whapmagoostui and Mistissini). Despite differences in north-south east-west geography, plant ranking and use matrices were similar with the exception of Nemaska/Whapmagoostui. We have also completed the evaluation of Black spruce (Picea mariana) needle, bark and cone cytoprotectivity. Extracts from all organs exhibited concentration-dependent protection. Organ-specific response was habitat and growth environment dependent with plants grown either in bog or forest habitats in coastal or inland environments exhibiting differences in efficacy. Observed bioactivity correlated with total phenolic content but not with antioxidant activity. Together, these results contributed to the understanding of antidiabetic activity of Canadian boreal forest plants identified by the Cree of Eeyou Istchee healers at the cellular level.

This thesis investigated the phytochemistry and pharmacology of immunomodulatory medicinal plant species used traditionally by the Q’eqchi’ Maya Healers Association (QMHA) of Belize, and the Cree of Eeyou Istchee (CEI) of northern Quebec. Using quantitative ethnobotanical methodology, we identified 107 plant species belonging to 49 families used by Q’eqchi’ healers in the treatment of symptoms from 14 usage categories related to inflammation. Regression analysis revealed that the Piperaceae, Araceae, and Begoniaceae are preferentially selected by the Maya. Healer consensus for plant species was high, with 56 species (52%) being used by all the healers, and consensus for usage categories was also high, as informant consensus factor (FIC) values for each category were greater than 0.4. Fifty-two Belizean species were evaluated for their TNF-α inhibitory activity in an LPS-stimulated THP-1 monocyte model. Twenty-one species (40%) demonstrated significant TNF-α inhibition when assayed at 100 µg/mL, 8 of which had greater than 50% of the activity of the parthenolide positive control (10 µg/mL). Significant regressions were found between the anti-inflammatory activity and total healer frequency of use (Fuse) and the use reports for 3 usage categories, which indicated that ethnobotanical parameters can in part predict the activity of traditionally used species. Five sesquiterpene lactones were isolated from the leaves of Neurolaena lobata, one of the most active species tested, all of which demonstrated anti-inflammatory activity greater than that of parthenolide (IC50 = 4.79 µM), with IC50s ranging from 0.17-2.32 µM. Lobatin B was the most active isolate tested. Ethanolic and water extracts of 17 species used by Cree healers were evaluated for their immunomodulatory activity. In general, the average anti-inflammatory activity of ethanolic extracts was 1.8 times greater than that of water extracts, and the pro-inflammatory activity of water extracts was 3.7 times greater than ethanolic extracts. Picea mariana and Pinus banksiana were the most anti-inflammatory ethanolic and water extracts, while the water extract of Sarracenia purpurea was the most pro-inflammatory. Picea marina cones, the most anti-inflammatory Cree medicine, were subjected to bioassay guided isolation. This led to the isolation of the anti-inflammatory lignan (+)-lariciresinol-9’-p-coumarate, which had an IC50 of 28.4 µM. Together, these results validate the traditional knowledge shared by our Q’eqchi’ and Cree collaborators, and draw attention to the therapeutic potential of subtropical and boreal plants as culturally appropriate complements to modern medicine. - Cette thèse porte sur la phytochimie et la pharmacologie des espèces de plantes médicinales immunomodulatrices utilisées traditionnellement par le Q’eqchi’ Maya Healers Association (QMHA) du Belize, et les Cris d'Eeyou Istchee (CEI) du nord du Québec. En utilisant une méthodologie ethnobotanique quantitative, nous avons identifié 107 espèces végétales appartenant à 49 familles utilisées par les guérisseurs Q'eqchi’ dans le traitement de symptômes appartenant à 14 catégories d'utilisation liées à l'inflammation. Une analyse de régression a révélé que les familles Piperaceae, Araceae, et Begoniaceae sont préférentiellement choisis par les Mayas. Le consensus entre guérisseurs pour les espèces végétales était élevé, avec 56 espèces (52%) étant utilisés par tous les guérisseurs, et le consensus pour les catégories d'utilisation était également élevé, car les valeurs de facteur de consensus des informants (FIC) pour chaque catégorie étaient supérieurs à 0,4. Cinquante-deux espèces du Belize ont été évaluées pour leur activité inhibitrice de TNF-α dans un modèle de THP-1 monocytes stimulés par le LPS. Vingt-et-une espèces (40%) ont montré une inhibition significative de TNF-α lorsque dosés à 100 µg/mL, dont 8 d’entre elles ont démontrées plus de 50% de l'activité du contrôle positif parthénolide (10 µg/mL). Des régressions significatives ont été observées entre l'activité anti-inflammatoire et la fréquence d'utilisation de guérisseurs totale (Fuse) et les rapports d'utilisation pour 3 catégories d'utilisation, ce qui indique que les paramètres ethnobotaniques peuvent en partie prédire l'activité des espèces traditionnellement utilisées. Cinq lactones sesquiterpéniques ont été isolés à partir des feuilles de Neurolaena lobata, l'une des espèces les plus actives testées, qui a démontré une activité anti-inflammatoire supérieure à celle du parthénolide (CI50 = 4,79 µM), avec des CI50 allant de 0,17 à 2,32 µM. Lobatin B était l’isolât le plus actif testé. Des extraits éthanoliques et aqueux de 17 espèces utilisées par les guérisseurs Cris ont été évalués pour leur activité immunomodulatrice. En général, l'activité anti-inflammatoire moyenne des extraits éthanoliques était 1,8 fois supérieure à celle des extraits d'eau, et l'activité pro-inflammatoire des extraits d'eau était de 3,7 fois supérieure à celle des extraits éthanoliques. Picea mariana et Pinus banksiana étaient les extraits éthanoliques et aqueux avec le plus d’activité anti-inflammatoire, tandis que l'extrait aqueux de Sarracenia purpurea était le plus pro-inflammatoire. Le cône de Picea marina, le médicament traditionnelle Cris le plus anti-inflammatoire, a été soumis à une isolation guidée par essais biologiques. Cela a mené à l'isolement du lignane anti-inflammatoire (+)-lariciresinol-9'-p-coumarate, qui avait une CI50 de 28,4 µM. Ensemble, ces résultats valident les connaissances traditionnelles partagées par nos collaborateurs Q'eqchi' et Cris, et mettent en évidence le potentiel thérapeutique des plantes subtropicales et boréales comme des compléments à la médecine moderne qui sont culturellement appropriées.

This thesis investigated the phytochemistry and pharmacology of immunomodulatory medicinal plant species used traditionally by the Q’eqchi’ Maya Healers Association (QMHA) of Belize, and the Cree of Eeyou Istchee (CEI) of northern Quebec. Using quantitative ethnobotanical methodology, we identified 107 plant species belonging to 49 families used by Q’eqchi’ healers in the treatment of symptoms from 14 usage categories related to inflammation. Regression analysis revealed that the Piperaceae, Araceae, and Begoniaceae are preferentially selected by the Maya. Healer consensus for plant species was high, with 56 species (52%) being used by all the healers, and consensus for usage categories was also high, as informant consensus factor (FIC) values for each category were greater than 0.4. Fifty-two Belizean species were evaluated for their TNF-α inhibitory activity in an LPS-stimulated THP-1 monocyte model. Twenty-one species (40%) demonstrated significant TNF-α inhibition when assayed at 100 µg/mL, 8 of which had greater than 50% of the activity of the parthenolide positive control (10 µg/mL). Significant regressions were found between the anti-inflammatory activity and total healer frequency of use (Fuse) and the use reports for 3 usage categories, which indicated that ethnobotanical parameters can in part predict the activity of traditionally used species. Five sesquiterpene lactones were isolated from the leaves of Neurolaena lobata, one of the most active species tested, all of which demonstrated anti-inflammatory activity greater than that of parthenolide (IC50 = 4.79 µM), with IC50s ranging from 0.17-2.32 µM. Lobatin B was the most active isolate tested. Ethanolic and water extracts of 17 species used by Cree healers were evaluated for their immunomodulatory activity. In general, the average anti-inflammatory activity of ethanolic extracts was 1.8 times greater than that of water extracts, and the pro-inflammatory activity of water extracts was 3.7 times greater than ethanolic extracts. Picea mariana and Pinus banksiana were the most anti-inflammatory ethanolic and water extracts, while the water extract of Sarracenia purpurea was the most pro-inflammatory. Picea marina cones, the most anti-inflammatory Cree medicine, were subjected to bioassay guided isolation. This led to the isolation of the anti-inflammatory lignan (+)-lariciresinol-9’-p-coumarate, which had an IC50 of 28.4 µM. Together, these results validate the traditional knowledge shared by our Q’eqchi’ and Cree collaborators, and draw attention to the therapeutic potential of subtropical and boreal plants as culturally appropriate complements to modern medicine. - Cette thèse porte sur la phytochimie et la pharmacologie des espèces de plantes médicinales immunomodulatrices utilisées traditionnellement par le Q’eqchi’ Maya Healers Association (QMHA) du Belize, et les Cris d'Eeyou Istchee (CEI) du nord du Québec. En utilisant une méthodologie ethnobotanique quantitative, nous avons identifié 107 espèces végétales appartenant à 49 familles utilisées par les guérisseurs Q'eqchi’ dans le traitement de symptômes appartenant à 14 catégories d'utilisation liées à l'inflammation. Une analyse de régression a révélé que les familles Piperaceae, Araceae, et Begoniaceae sont préférentiellement choisis par les Mayas. Le consensus entre guérisseurs pour les espèces végétales était élevé, avec 56 espèces (52%) étant utilisés par tous les guérisseurs, et le consensus pour les catégories d'utilisation était également élevé, car les valeurs de facteur de consensus des informants (FIC) pour chaque catégorie étaient supérieurs à 0,4. Cinquante-deux espèces du Belize ont été évaluées pour leur activité inhibitrice de TNF-α dans un modèle de THP-1 monocytes stimulés par le LPS. Vingt-et-une espèces (40%) ont montré une inhibition significative de TNF-α lorsque dosés à 100 µg/mL, dont 8 d’entre elles ont démontrées plus de 50% de l'activité du contrôle positif parthénolide (10 µg/mL). Des régressions significatives ont été observées entre l'activité anti-inflammatoire et la fréquence d'utilisation de guérisseurs totale (Fuse) et les rapports d'utilisation pour 3 catégories d'utilisation, ce qui indique que les paramètres ethnobotaniques peuvent en partie prédire l'activité des espèces traditionnellement utilisées. Cinq lactones sesquiterpéniques ont été isolés à partir des feuilles de Neurolaena lobata, l'une des espèces les plus actives testées, qui a démontré une activité anti-inflammatoire supérieure à celle du parthénolide (CI50 = 4,79 µM), avec des CI50 allant de 0,17 à 2,32 µM. Lobatin B était l’isolât le plus actif testé. Des extraits éthanoliques et aqueux de 17 espèces utilisées par les guérisseurs Cris ont été évalués pour leur activité immunomodulatrice. En général, l'activité anti-inflammatoire moyenne des extraits éthanoliques était 1,8 fois supérieure à celle des extraits d'eau, et l'activité pro-inflammatoire des extraits d'eau était de 3,7 fois supérieure à celle des extraits éthanoliques. Picea mariana et Pinus banksiana étaient les extraits éthanoliques et aqueux avec le plus d’activité anti-inflammatoire, tandis que l'extrait aqueux de Sarracenia purpurea était le plus pro-inflammatoire. Le cône de Picea marina, le médicament traditionnelle Cris le plus anti-inflammatoire, a été soumis à une isolation guidée par essais biologiques. Cela a mené à l'isolement du lignane anti-inflammatoire (+)-lariciresinol-9'-p-coumarate, qui avait une CI50 de 28,4 µM. Ensemble, ces résultats valident les connaissances traditionnelles partagées par nos collaborateurs Q'eqchi' et Cris, et mettent en évidence le potentiel thérapeutique des plantes subtropicales et boréales comme des compléments à la médecine moderne qui sont culturellement appropriées.

Le changement climatique continue d'affecter la dynamique des paysages forestiers à grande échelle. Cependant, il demeure incertain comment ces changements affecteront les forêts futures et en particulier les épidémies des insectes ravageurs forestiers. Le changement climatique affecte l’émergence des insectes, en perturbant notamment la synchronisation phénologique entre les insectes herbivores et leurs arbres hôtes. De telles perturbations peuvent avoir des conséquences importantes sur le moment de l’émergence, l'étendue et la gravité de l'épidémie. Cette étude vise à comprendre comment le changement climatique pourrait affecter la synchronie phénologique entre la tordeuse des bourgeons de l'épinette (Choristoneura fumiferana), un défoliateur indigène, et ses espèces hôtes (Abies balsamea et Picea mariana) et comment cela pourrait affecter l'étendue des épidémies de la tordeuse des bourgeons de l'épinette dans la région de la Côte-Nord au Québec, Canada. Nous avons exploré les effets de deux facteurs expérimentaux sur l'étendue des épidémies à l'aide d'un modèle de simulation stochastique spatialement explicite à base d’agents (MBA): (1) la température quotidienne représentée selon deux niveaux d'augmentation (+2°C et +4°C) relative à une base de référence 2016 et (2) la variation de la phénologie des arbres hôtes correspondant aux différents niveaux d'incertitude (SD) concernant le moment du débourrement des bourgeons. Nous avons évalué comment ces facteurs ont affecté la variation de l'étendue des épidémies de la tordeuse des bourgeons de l'épinette et la complexité spatiale du patch épidémique sur un horizon de simulation de 20 ans. Nos résultats de simulation indiquent que la synchronisation phénologique arbres hôtes-insectes est fortement affectée par les changements de température, mais de manière non linéaire. Une augmentation de 2°C a permis de réduire l'étendue de l'épidémie en raison de la faible survie des larves, tandis qu'une augmentation de 4°C a entraîné une survie plus élevée des insectes et des épidémies plus importantes. Notre modèle peut aider à prévoir la dynamique future des forêts et faciliter l'élaboration de meilleures stratégies de gestion pour réduire l'effet des épidémies sur les paysages forestiers. / Climate change continues to affect forest landscape dynamics at a global scale. However, it remains uncertain how these changes will affect future forests and in particular outbreaks of forest insect pests. Climate change can affect outbreaking insects by disrupting phenological synchrony between herbivorous insects and their host trees. Such disruptions can have important consequences for outbreak timing, extent, and severity. This study aims to understand how climate change could affect the phenological synchrony between the spruce budworm (Choristoneura fumiferana), a native outbreaking defoliator, and its host trees (Abies balsamea and Picea mariana), and how this might affect the extent of spruce budworm outbreaks in the Côte-Nord region in Quebec, Canada. We explored the effects of two experimental factors on outbreak extent using a spatially explicit stochastic agent-based simulation model (ABM): (1) daily temperature represented as two levels of increase (+2°C and +4 °C) relative to a 2016 baseline, and (2) variation in host phenology represented as four different levels of uncertainty (SD) around the timing of budburst. We assessed how these factors affected variation in spruce budworm outbreak extent and outbreak patch spatial complexity over a 20-year simulation horizon. Our simulation results indicate that host trees-insect phenological synchrony is strongly affected by temperature changes, but in a non-linear way. An increase of 2°C was found to reduce outbreak extent due to poor larval survival, while an increase of 4°C resulted in higher insect survival and larger outbreaks. Our model can help to forecast future forest dynamics and facilitate the development of better management strategies to reduce the effect of outbreaks on forest landscapes.