Dissertationen zum Thema „Fixation biologique de l'azote“

La fixation biologique d’azote réalisée par les cyanobactéries est un processus important dans les écosystèmes où la productivité est limitée par la disponibilité de l’azote. Dans des conditions de changements globaux, l’augmentation du CO2 atmosphérique pourrait engendrer une augmentation des taux de fixation d’azote permettant de combler la demande croissante d’azote nécessaire à la croissance. Cependant cette augmentation des taux de fixation d’azote pourrait dépendre des disponibilités en molybdène (Mo) et en phosphore (P), mais également être contrebalancée par l’azote minéral apporté via les dépositions atmosphériques. La complexité des systèmes naturels, notamment les caractéristiques de la symbiose cyanobactérie-végétaux supérieurs rends difficile l’étude de l’effet de l’augmentation du CO2 et des dépositions atmosphérique sur la fixation d’azote, dépendamment des disponibilités en Mo et P. Nous avons donc tenté de déterminer les effets de ces facteurs environnementaux (CO2 et apport d’azote minéral), en utilisant des cultures pures de cyanobactéries (Anabaena variabilis) dans différentes conditions de disponibilités en Mo et P. Cette approche expérimentale réductionniste nous a permis de mettre en évidence un effet significatif du P sur la concentration de la chlorophylle, indépendant des conditions environnementales (CO2, N) ainsi qu’une interaction entre le Mo et le P pour la variable chlorophylle, dans des conditions de CO2 augmenté sans apport d’azote. Cette interaction entre le Mo et le P pourrait être expliquée par un compromis entre l’acquisition du carbone, facilitée dans des conditions de CO2 augmentée, et la fixation biologique d’azote. Notre étude a également permis de mettre en évidence un effet significatif du P sur la croissance d’A. variabilis, dans des conditions de CO2 ambient et en présence d’azote. De façon plus spécifique, à haut P (2.5 10-5 M) le taux de croissance était plus faible (P = 0.02), alors que la quantité de chlorophylle et l’activité de la nitrogénase étaient toutes deux plus élevée (P = 0.002 et P = 0.015 respectivement). Cet effet du P pourrait être expliqué par une différence de stratégie de croissance de la cyanobactérie. A faible P, la cyanobactérie pourrait investir dans de courts filaments composés de cellules volumineuses, contrairement à des conditions de concentration en P élevées, où la cyanobactérie pourrait investir plus dans la formation d’hétérocystes et de filaments plus longs, composés de cellules plus petites. Cette étude apporte des pistes de réflexion quant aux stratégies permettant aux cyanobactéries filamenteuses de s’adapter à l’augmentation du CO2 atmosphérique et des dépositions azotées, en fonction des disponibilités en Mo et P. Un compromis entre l’acquisition de C et la fixation d’azote ou un changement de la stratégie de croissance des filaments pourrait permettre aux cyanobactéries filamenteuses d’être moins sensibles aux stress environnementaux (augmentation du CO2 atmosphérique et disponibilité des nutriments tels que l’azote).

Les rendements obtenus chez le soja en reponse aux techniques permettant de mieux valoriser la fixation biologique de l'azote sont tres variables. Il n'existe pas reellement de methodologie integrant la reponse a l'inoculation dans un schema coherent de fonctionnement du peuplement de la culture et d'elaboration du rendement. Une demarche systemique a plusieurs echelles a ete adoptee, et appliquee simultanement dans des conditions pedo-climatiques tres contrastees, respectivement en france et en thailande. Les travaux ont ete conduits en parallele en stations experimentales et sur des reseaux de parcelles agriculteurs, et completes en conditions controlees. A un premier niveau de cette approche, les principaux facteurs telluriques a l'origine de la variabilite des nombres et des biomasses de nodosites mises en place en reponse a l'inoculation sont mis en evidence reliquats azotes au semis et chloroses ferriques en terres de groies pour la france, faible ph et carences induites, notamment en phosphore en thailande. Le role du phosphore sur la croissance des souches bacteriennes, et les consequences sur les profils de nodulation ont ete etudies en conditions controlees. Les consequences du fonctionnement des nodosites sont ensuite etudiees en relation avec l'assimilation de l'azote du sol. Cette seconde partie montre que la correlation entre la part d'azote fixe par symbiose mesure par dilution isotopique et l'indice uredique determine dans la seve xylemique cesse d'etre positive apres le debut de remplissage de la graine. De cet equilibre entre les deux voies resultent des niveaux de rendement qui peuvent etre tres variables. Juger l'adequation entre l'azote total dans la plante et le rendement ne peut etre valablement fait qu'apres avoir essaye de caracteriser le statut nutritionnel de la plante. Les differents outils existants ont ete testes, et des relations entre rendement et teneur en azote (france)/phosphore (thailande) a un stade precoce, etablies. Ces relations permettent de diagnostiquer et hierarchiser des facteurs limitants. Les rendements les meilleurs ne sont pas obtenus en maximisant l'une ou l'autre des deux voies mais en recherchant un equilibre entre les deux. Optimiser la fixation biologique de l'azote exige en effet de rechercher une situation dans laquelle ce potentiel fixateur est utilise a son maximum et assure, couple avec la voie d'assimilation de l'azote du sol, une couverture totale des besoins azotes de la culture tout au long de l'elaboration de son rendement

Les écosystèmes terrestres absorbent actuellement plus d'un quart des émissions de CO₂ d'origine anthropique, grâce à l'effet de fertilisation associé à l'augmentation du CO₂ atmosphérique. La plupart des modèles de systèmes terrestres utilisés dans les récents travaux du GIEC estiment que les écosystèmes terrestres continueront à se comporter comme un puits de carbone de plus ou moins grande ampleur au XXIe siècle, en fonction des trajectoires futures du CO₂ atmosphérique et du climat. Quelle que soit l'évolution de la concentration de CO₂ atmosphérique, il reste essentiel de déterminer si suffisamment de nutriments (en particulier l'azote) seront disponibles pour soutenir pleinement l'augmentation de la production primaire résultant de l'effet de fertilisation d'un CO₂ élevé. La plupart des modèles globaux des écosystèmes terrestres ne tiennent pas compte du cycle de l'azote et des interactions entre les cycles de l'azote et du carbone. La dernière version du modèle ORCHIDEE développé en France intègre ces nouvelles fonctionnalités. En utilisant ce modèle, l'objectif de la thèse sera d'analyser l'évolution de la productivité terrestre sur la période historique récente et de quantifier l'évolution future de la productivité des écosystèmes terrestres sous l'effet combiné de ces changements globaux : climat, concentration en CO₂, et évolution de la production d'azote réactif, selon différents scénarios socio-économiques. L'inclusion du cycle couplé de l'azote et du carbone dans ORCHIDEE nécessite également une meilleure approximation d'un apport clé d'azote résultant de la fixation biologique de l'azote qui est actuellement déterminé par l'évapotranspiration. Ceci a été récemment invalidé par une étude de méta-analyse. Le second objectif de cette thèse consiste donc à implémenter un modèle dynamique basé sur les processus pour reproduire la BNF dans ORCHIDEE afin d'améliorer l'estimation des flux de carbone
Terrestrial ecosystems currently absorb more than a quarter of CO₂ emissions of anthropogenic origin, thanks to the fertilization effect associated with the increase in atmospheric CO₂. Most of the terrestrial system models used in recent IPCC work estimate that terrestrial ecosystems will continue to behave like a carbon sink of greater or lesser magnitude in the 21st century, depending on the future trajectories of atmospheric CO₂ and climate. Whatever the evolution of atmospheric CO₂ concentration, it remains critical to determining whether enough nutrients (particularly nitrogen) will be available to fully support the increase in primary production resulting from the fertilization effect of elevated CO₂. Most global models of terrestrial ecosystems do not account for the nitrogen cycle and the interactions between the nitrogen and carbon cycles. The latest version of the ORCHIDEE model developed in France incorporates these new features.Using this model, the objective of the thesis will be to analyze the evolution of terrestrial productivity over the recent historical period and to quantify the future development of the productivity of terrestrial ecosystems under the combined effect of these global changes: climate, CO₂ concentration, and reactive nitrogen production evolution, according to different socio-economic scenarios. Including the coupled nitrogen and carbon cycle in ORCHIDEE also requires a better approximation to one key Nitrogen input resulting from Biological Nitrogen Fixation that is currently determined by evapotranspiration. This has been recently invalidated by a meta analysis study. The second objective of this thesis consists then of implementing a process-based dynamic model for reproducing BNF in ORCHIDEE to improve the estimation of the carbon fluxes

Dans le contexte de la transition agroécologique en faveur de systèmes de culture plus économes en intrants azotés, la réintroduction des légumineuses a un rôle majeur à jouer pour atteindre la durabilité de ces systèmes. Peu de références sont actuellement disponibles sur les intérêts agronomiques et écologiques des différentes espèces, notamment à l’échelle de la rotation. Dans ce cadre, notre objectif principal consiste à mieux quantifier les flux d’azote impliqués au cours et après culture de légumineuses, et ce pour une gamme élargie d’espèces. Notre travail expérimental porte donc sur la caractérisation des flux d’azote induits dans le sol et dans les cultures de légumineuses aux caractéristiques morphologiques contrastées en parallèle de la mesure des déterminants de ces flux. Les objectifs spécifiques consistent à : i) quantifier la fixation symbiotique en fonction du niveau du stock d’azote minéral du sol, la minéralisation de l’azote des résidus de légumineuses après enfouissement et les pertes d’azote en dehors du système sol-plante (lixiviation, émission de protoxyde d’azote), ii) identifier les « traits de plantes » explicatifs des fonctions liées à ces flux d’azote. Pour atteindre ces objectifs, les différents flux d’azote ont été quantifiés au cours d’une expérimentation au champ avec implantation d’une culture de légumineuses en première année suivie par une culture de blé en année 2 qui a été menée en 2014-2015 et reconduite sur la campagne 2016-2017. En parallèle, les traits des plantes, notamment racinaires, ont été caractérisés plus finement au cours d’expérimentations conduites en conditions contrôlées
In the context of agroecological transition, the reintroduction of legume crops should play a key role in cropping system sustainability by allowing a reduction of nitrogen (N) inputs. But few references are available concerning the agronomical and ecological services provided by a wide range of legume crops, particularly within crops succession scale. Thus, the main objective of our study is to quantify the N fluxes during and after the legume crops taking into account 10 legume crops (peas, lupin, faba bean, soybean...). Our experiment consists in i) quantifying symbiotic N fixation depending on the amount of soil inorganic N, the mineralisation of N present in legume crop residues after soil incorporation and N losses outside of the soil-plant system (leaching, emission of nitrous oxide), ii) identifying plant biological traits associated to N fluxes. Thus, different N fluxes were quantified during a two-year field experiment, i.e. the first year (2014) legume crops were implanted and followed by wheat the second year (14-15) after incorportation of legume residues. This experiment was repeated in 2016-2017.In parallel, plant root traits were characterised during greenhouse hydroponic experiments

Par hybridation selon la methode de southern, de la similarite avec les genes nifh eubacteriens codant pour la proteine a fer de la nitrogenase avaient ete detectee chez tous les methanogenes testes. Dans les souches nif#+, deux regions de similarite ont ete trouvees. Les regions similaires a nifh de quatre methanogenes ont ete clonees. Dans chaque region sequencee, une phase de lecture ouverte similaire aux genes nifh eubacteriens a ete trouvee. Les polypeptides deduits contiennent les regions conservees dans tous les produits de nifh. Les sequences nifh des methanogenes sont pour la plupart aussi eloignees entre elles qu'elles le sont de celles des eubacteries, mais l'orfnifh1 de methanococcus est plus proche des genes nifh des eubacteries. Les etudes de transcription ont montrees que l'orfnifh1 est cotrancrite avec les deux orfs qui la suivent, mais pas avec nifd, elle est exprimee uniquement en conditions de fixation de l'azote, et l'orfnifh2 n'est jamais exprimee. Mc. Thermolithotrophicus fixe l'azote a 652c, sa nitrogenase a une meilleure affinite pour l'azote moleculaire que pour l'acetylene, comme les nitrogenases alternatives d'azotobacter?

Sur la Terre, l'azote peut être utilisé par les organismes vivants uniquement s'il est s'il est "fixé", c'est à dire s'il est présent sous formes réactives, comme l'ammoniac, les nitrates, les oxydes d'azotes ou l'azote chimiquement lié à des molécules organiques. L'azote peut être fixé biologiquement ou abiotiquement par les processus industriels et les éclairs d'orage. Dans la Terre primitive, les éclairs d'orage auraient pu être une des sources les plus importantes d'azote fixé nécessaire pour l'émergence de la vie en apportant environ 10 [puissance]12 g NO par an. Dans ce travail, j'ai réalisé la première étude expérimentale de la fixation atmosphérique de l'azote par les décharges électriques, incluant les conditions des éclairs d'orage nuage-terre et des décharges corona au sol, durant toute l'histoire géologique de la Terre, depuis une atmosphère prédominante en dioxyde de carbone dans l'Hadéen et l'Archéen jusque l'atmosphère oxygénée actuelle prédominante en azote moléculaire. L'étude expérimentale consiste à simuler en laboratoire les atmosphères terrestres de CO2 - N2 et de O2 - N2, les soumettre à des irradiations qui recréent les éclairs d'orage et les processus corona au sol, puis analyser les produits azotés par CPG-SM-IRTF et, parallèlement, par spectroscopie infrarouge à Transformée de Fourier seule. Afin d'expliquer les variations observées dans les rendements énergétiques de NO, NO2 et N2O pour chaque décharge et chaque atmosphère, je propose des mécanismes réactionnels. Les estimations des productions annuelles de ces oxydes d'azote par les éclairs et les processus corona de pointe dans les atmosphères terrestres simulées me permettent de délimiter la contribution des décharges électriques dans la fixation abiotique de l'azote durant l'évolution de l'atmosphère et examiner si cette évolution a pu influencer la production d'azote réactif disponible pour les organismes vivants
On Earth, nitrogen can be used by living organisms only if it is "fixed", that is to say if it is present in reactive forms, as ammonia, nitrates, nitrogen oxides or nitrogen chemically tied up to organic molecules. Nitrogen can be fixed biologically or abiotically by industrial processes and by lightning diseharges during thunderstonns. On early Earth, lightning could have been one of the most important sources of fixed nitrogen needed for die emergence of life supplying about 10 [puissance]12 g NO per year. In this work, we report the first experimental simulation of atmospheric nitrogen fixation by electric diseharges, including lightning and corona diseharges, during ail geologic history of die Earth, from an atmosphere predominantly composed of carbon dioxide in die Hadean and Archean to the current oxygenic atmosphere dominated by dinitrogen. This experimental study consists of simulating in laboratory the Earth' s atmosphere from neutral (CO2 - N2) to oxygenic (O2 - N2), of subjecting these gaseous mixtures to irradiation that mimic thunderstorm lightning and corona point-discharges, then of analyzing the nitrogen products by GC-MS-IRTF and also only by infrared spectroscopy. In order to explain the observed variations in the energy yields of NO, NO2 and N2O for each atmosphere and each discharge, we propose chemical mechanisms of formation of these three compounds. The estimates of their annual productions for lightning and corona processes in terrestrial simulated atmospheres allow us to constrain the contribution of electric processes in the abiotic nitrogen fixation, and to examine if the evolution of the atmosphere could have influenced the production of reactive nitrogen available for the living organisms

Azorhizobium caulinodans fixe l'azote a l'etat libre et en symbiose avec sesbania rostrata. Ce rhizobium croit aux depens de l'azote fixe indiquant un couplage entre l'assimilation de l'ammoniaque et la fixation de l'azote a l'etat libre. L'ammoniaque est assimile par la glutamine synthetase (gs) dont l'activite est regulee par adenylylation. Le but de ce travail etait de caracteriser des genes impliques dans la regulation de la fixation de l'azote et de l'assimilation d'ammoniaque, en reponse au statut azote de la cellule. Deux genes ont ete caracterises : le premier, glnb, est transcrit en operon avec glna, gene de structure de la gs, de facon constitutive ; le second, glnk, est cotranscrit avec amtb a partir d'un promoteur dependant du facteur 5 4 et de ntrc. Le gene amtb code pour un polypeptide hydrophe, implique dans le transport d'ammoniaque. Chez k. Pneumoniae p i i, produit de glnb, est une proteine cle dans le metabolisme de l'azote car elle controle l'activite de la gs et celle de ntrc, regulateur transcriptionnel des genes nifa et glna. Chez a. Caulinodans, ni p i i, ni glnk ne sont requises pour la fixation de l'azote a l'etat libre, seul p i i est necessaire pour la fixation symbiotique. La presence de p i i ou glnk est necessaire pour stimuler l'activite de la gs. En revanche, aucune des deux proteines n'est requise pour son inactivation. P i i et glnk inhibent la fixation de l'azote en reponse a l'ammoniaque en controlant l'expression de nifa, l'activite de nifa et le switch-off de la nitrogenase. Ainsi, p i i et glnk sont des equivalents fonctionnels, qui ont un role central dans la regulation de l'assimilation de l'ammoniaque et de la fixation de l'azote a l'etat libre chez a. Caulinodans. L'etude d'un mutant, affecte pour la fixation de l'azote et pour sa croissance, a conduit a la caracterisation du gene phbc, codant pour la poly--hydroxybutyrate (phb) synthase. La synthese de phb est requise pour maintenir le statut energetique de la cellule et pour la transcription de nifa, indiquant un couplage entre les metabolismes carbone et azote. Cet effet sur la transcription de nifa est probablement du a la modification de la super-helicite de l'adn au niveau du promoteur de nifa.

Crocosphaera watsonii est une cyanobactérie unicellulaire, fixatrice d'N2, largement répandue dans la couche éclairée des océans tropicaux et subtropicaux (de 40 °N à 30 °S), où elle contribue de manière active à la production primaire. Du fait de la sensibilité à l'O2 de la nitrogénase, cette dernière opère la nuit quand la photosynthèse, génératrice d'O2, ne peut pas avoir lieu. Ces deux activités antagonistes contraignent ainsi à une orchestration circadienne (sur une période d’environ 24h), fine, des activités physiologiques et ainsi des flux de carbone et d'azote dans la cellule. Le but de cette thèse est d'étudier l'effet du photopériodisme (durée de la photopériode) sur les métabolismes en carbone et en azote et de leurs imbrications dans la progression du cycle cellulaire. Pour cela, nous avons réalisé des expériences en cultures continues de la souche C. Watsonii WH8501, soumise à différentes conditions de lumière. Cette approche expérimentale inédite chez C. Watsonii nous a permis de constater que la durée de l'éclairement a des conséquences notables sur la croissance somatique (production de biomasse) et la division cellulaire (production de nouvelles cellules). Une faible durée de la photopériode favorise la croissance somatique, au détriment de la division cellulaire. Au delà de la simple explication des processus physiologiques, nos résultats ont mis en exergue que C. Watsonii pourrait apporter à son environnement des quantités importantes d'azote nouveau, mais aussi, des molécules riches en carbohydrates. Cette excrétion notable de composés, pour la plupart organiques, révèle les implications possibles de la croissance de cet organisme sur le cycle de l'azote et le fonctionnement de la boucle microbienne
Crocosphaera watsonii is a unicellular, N2-fixing cyanobacterium, which is abundant in the euphotic layer of the tropical and subtropical oceans (from 40 °N to 30 °S), where it contributes substantially to the primary production. Due to the O2-sensitivity of the nitrogenase, the latter occurs during the dark period, when the oxygen-evolving photosynthesis can not process. These two antagonistic activities constrain to a tight circadian orchestration (periode of 24h) of the physiological activities. The aim of this thesis is the investigate the effect of the photoperiodism (different length of the photoperiod) on the carbon-nitrogen metabolism and the progression of the cell cycle. For that, we performed some continuous cultures experiments with C. Watsonii, subjected to different light conditions. This innovative approach in C. Watsonii showed that this environmental factor had significant consequences on the somatic growth (biomass production) and on the cell division (production of new cells). A short photoperiod length promotes the somatic growth instead of the cell division. Beyond the simple explanation of the physiological processes, our results highlighted that C. Watsonii could provide to its environment large amount of new nitrogen and carbohydrate-rich organic composed as well. This important excretion of compound, for most organic, emphasizes the ecological importance of this organism in the oceanic areas, generally oligotrophic

Au travers de ce manuscrit, nous décrivons la synthèse de moutardes à l’azote à motifs pyrimidiques, puriques ou triazoliques. Dans un premier temps, nous étudions la synthèse d’une moutarde à l’azote dérivée de l’uracile. L’étude de l’étape d’amidation directe a permis de généraliser cette méthode à diverses amines. Une e��tude de modélisation moléculaire a mis en évidence l’importance des interactions non liantes dans cette réaction. Dans une seconde partie, nous décrivons la synthèse de moutarde à l’azote à partir de bases puriques. Cette stratégie a conduit à la formation de composés tricycliques, dérivés de la purine. Dans une troisième partie, nous nous sommes intéressés à l’élaboration d’une nouvelle famille de moutardes à l’azote à motifs triazoliques. Grâce à l’utilisation de la réaction de CuAAC, nous avons synthétisé huit molécules aux structures innovantes. Cette dernière stratégie ouvre la voie à la synthèse d’une nouvelle famille de moutardes à l’azote aux motifs variés. Enfin, nous étudions l’activité biologique de certains des composés synthétisés par test de viabilité cellulaire, puis par cytométrie en flux. Deux composés obtenus ont présenté des résultats encourageants vis-à-vis de quatre lignées cancéreuses
The synthesis of pyrimidine, purine and triazole nitrogen mustards is described. First, we studied the synthesis of uracil-based nitrogen mustards. The amidation step was particularly studied and this method was extended to several amines. A series of DFT calculations highlighted the significance of non-bounding interactions in this amidation step. Second, the synthesis of several purine-based nitrogen mustards is described. This synthetic pathway led to the formation of tricyclic compounds, derive from purine. In a third part, we were interested in the elaboration of a new family of triazole nitrogen mustards. Thanks to the use of CuAAC reaction, we managed to synthesize 8 new nitrogen mustards. This latter strategy paves the way to the synthesis of a new family of nitrogen mustards, with an important structural variability. Furthermore, we studied the biological activity of synthesized compounds by testing their cytotoxicity and, then, by flow cytometry. Two of them showed encouraging results towards four cancer cells lines

Lors de cette étude, nous avons sélectionné différents gènes candidats impliqués dans le métabolisme de l'azote et la régulation de l'expression des gènes, activités qui semblent importantes pour l'établissement et le fonctionnement de la symbiose entre Frankia et les plantes actinorhiziennes. Ces gènes ont été étudiés sous deux angles, celui de leur histoire évolutive et de l'effet de l'hôte végétal sur leur diversification, et celui de leur rôle dans l'établissement et le fonctionnement des symbioses. Nous avons étudié les gènes glnII et RpoD, gènes impliqués respectivement dans l'assimilation de l'azote fixé et dans la régulation de la transcription. Ces deux gènes ont été utilisés pour évaluer les relations phylogénétiques entre les bactéries Frankia. Nous avons ainsi observé que les souches infectieuses de Frankia étaient divisées en deux groupes selon les spécificités de colonisation des plantes. Nous avons par ailleurs montré qu'au moins deux facteurs sigma primaires étaient retrouvés chez Frankia. L'un d'eux n'a pas été observé pour des souches isolées d'Elaeagnus ou d'Hippophae, ce qui pourrait refléter une spécialisation liée au partenaire végétal. Dans la continuité de cette approche qui consiste à étudier le déterminisme génétique impliqué dans les relations entre Frankia et les plantes actinorhiziennes, nous nous sommes intéressés aux systèmes de régulation à deux composants, et à l'activité de fixation d'azote. Nous avons montré que Frankia possédait des séquences homologues du gène régulateur gacA, et nous avons mis en évidence la présence d'au moins quatre gènes présentant des séquences homologues de senseurs de la famille EnvZ. Concernant l'activité de fixation d'azote, nous avons caractérisé une partie de l'îlot génétique nif de Frankia ACN14a, et montré que cette bactérie semble exprimer constitutivement les gènes nif, même en présence d'azote et sans différenciation de vésicules. Enfin, pour permettre la mise au point d'outils pouvant faciliter les études de génétique de Frankia, nous avons caractérisé un plasmide cryptique de Frankia ACN14a.

La fixation symbiotique de l'azote peut constituer un parametre limitant de la productivite chez le soja. L'objectif de cette etude est d'analyser les relations entre l'efficience de la fixation de l'azote et le rendement permettant de degager d'eventuels criteres de selection. Une variabilite pour l'aptitude a fixer l'azote estimee au stade r5 par l'activite reductrice d'acetylene est mise en evidence dans des populations f#2 issues de croisements entre la variete weber et les varietes maple arrow, kingsoy et jiling 14. Les plantes cultivees en solution nutritive, en phytotrons dans des conditions optimales pour l'expression de la symbiose. Cette variabilite a permis optimales pour l'expression de la symbiose. Cette variabilite a permis une selection divergente en f#2 basee sur l'efficience de la fixation de l'azote. La correlation hautement significative pour ce parametre, entre les genotypes f#2 et les descendants filies f#6, tous croisements confondus suggere une bonne heritabilite de l'aptitude a fixer l'azote chez le soja associe a la souche g49 de bradyrhizobium japonicum. L'existence de correlations positives entre l'efficience de la fixation et la productivite en graines (analysees en relation avec la precocite) au sein de populations pratiquement fixees (f#6) et entre les generations f#2, f#4, f#6, montre qu'une fixation symbiotique de l'azote efficiente constitue un bon critere precoce de selection pour le rendement, sur des sols pauvres en azote. L'application de basses temperatures a differents stades de la croissance de la plante montre que le froid affecte l'initiation nodulaire sans perturber le developpement et le fonctionnement des nodules inities

L'objectif de ce projet est l'étude de complexes modèles de la nitrogénase, l'enzyme qui catalyse la réduction biologique de l'azote en ammoniac. Le premier chapitre fait une synthèse des différents modèles chimiques envisagés dans la littérature. Un complément d'étude sur l'analyse électrochimique d'un de ces modèles, le complexe diazène dinucléaire du fer [{Fe(PPr3)(C14H12S4}2][m-NHNH)] est présenté dans le chapitre 2. Dans le dichlorométhane, le complexe présente deux étapes d'oxydation réversibles monoélectroniques et une étape d'oxydation irréversible multiélectronique. Dans le THF ou en présence d'une base, la réversibilité des deux premières étapes d'oxydation est affectée, indiquant une perte de proton au niveau du ligand diazène après oxydation. Un mécanisme qui permet de reproduire par simulation les différentes réponses électrochimiques obtenues est proposé dans ce chapitre. La réduction en milieu acide des complexes dinucléaires du molybdène [Mo2(cp)2(m-SMe)3(m-h2-CH3NNH)]+ et [Mo2(cp)2(m-SMe)3{m-h1-NN(H)CH3}]+ est traitée dans le chapitre 3. Le mode de coordination de l'entité {N=NCH3} coordinée aux centres métalliques contrôle le déroulement du processus de réduction en présence de protons. La coupure de la liaison N=N avec départ de NH3 et de MeNH3 est observée dans le cas du complexe [Mo2(cp)2(m-SMe)3{m-h1-NN(H)CH3}]+ uniquement, après sa réduction en milieu acide. La réactivité et le comportement électrochimique des complexes du tungstène [WX(NNH)(dppe)2], [WXH(NN)(dppe)2] (X = F, Br) et [WH2N2(dppe)2] sont étudiés dans le chapitre 4. Les résultats obtenus par électrochimie et par calculs DFT suggèrent une isomérisation entre les complexes [WX(NNH)(dppe)2] et [WXH(NN)(dppe)2] (X = F, Br) aux degrés d'oxydation II et III. La RMN 1H et 31P{1H} de [WH2N2(dppe)2] révèle l'instabilité de ce complexe en solution. Après réarrangement du ligand N2, le composé [WH2N2(dppe)2] conduit quantitativement à un complexe pseudo diazène, instable sous atmosphère d'hydrogène.

Quand l'ammonium constitue la seule source d'azote disponible pour des plantules de colza (Brassica napus), l'activité de la nitrate réductase (NR) double dans les cotylédons et l’hypocotyle (Leleu, 2000) au lieu de baisser. Nous avons étudié les voies métaboliques concernées pour élucider cette régulation inhabituelle de la NR. Ainsi, une mise au point du suivi isotopique 15N de l’assimilation du l’azote par RMN in vivo, RMN in vitro et par GC-MS nous a permis d'étudier la réponse métabolique de la nitrate réductase des parties aériennes de colza en fonction du type de régime azoté employé, ammonium (NH4Cl) ou nitrate (KNO3), de la présence ou de l’absence de lumière ainsi que de l’utilisation d'inhibiteurs du cycle GS/GOGAT. Les résultats obtenus indiquent une stimulation des flux d’assimilation du 15NO3 - après une culture avec de l’ammonium par rapport à une culture avec du nitrate. Cette stimulation est liée à la glutamine synthétisée en grandes quantités en condition ammonium par le cycle GS/GOGAT. Des expériences d’inhibition de la GS par la MSX et de la GOGAT par l’azasérine ont révélé un effet du taux de glutamine intracellulaire sur l’activité de la NR in vivo ce qui est en accord avec les mesures in vitro dans les mêmes conditions physiologiques (Leleu, 2000). Finalement, l’effet activateur de la lumière sur l’assimilation du 15NO3 - a aussi été observé dans les deux conditions KNO3 et NH4Cl. Cette activation par la lumière d’un facteur 2 semble indépendante de celle de l’ammonium et donc de l’effet de la glutamine reflétant ainsi deux mécanismes différents de régulation de la NR
In rapeseed (Brassica napus) seedlings, ammonium as the sole nitrogen source induces a twofold increase in nitrate reductase (NR) activity (NRA) in shoots comprising the cotyledons and hypocotyls (Leleu, 2000) instead of the usual decrease. We have studied the involved metabolic pathways to shed light on this unusual mechanism of NR regulation. Thus, the 15N isotope exploration of nitrogen assimilation pathways with in vivo NMR, in vitro NMR and GC-MS was optimised, and then used to study the metabolic response of NR in rapeseed shoots towards the kind of nitrogen source (ammonium NH4Cl or nitrate KNO3), the presence or the absence of light and the effect of GS/GOGAT inhibitors. Our results indicate a stimulation of 15NO3 - assimilation fluxes after exposure of rapeseed plantlets to ammonium as compared to nitrate exposure. This stimulation was found to be related to the synthesis of large quantities of glutamine by the GS/GOGAT cycle under ammonium exposure. Use of the GS inhibitor MSX and the GOGAT inhibitor azaserine revealed an effect of the glutamine level on the in vivo NR activity which is consistent with in vitro measurements under the same physiological conditions (Leleu, 2000). Finally, the twofold activation of the 15NO3 - assimilation flux by light was observed under both nitrate and ammonium conditions. This light activation seems to be independent from the ammonium activation and thus from the effect of glutamine indicating two separate mechanisms of NR regulation

Le deficit hydrique limite la productivite du soja en affectant les processus physiologiques. La reponse de la photosynthese, de la fixation d'azote et de l'activite photochimique foliaire a ete etudiee en relation avec l'etat hydrique de la plante. Au debut du deficit hydrique, la fixation d'azote est plus sensible au manque d'eau que la photosynthese, la situation etant inversee lorsque le deficit est severe. Sa valeur depend de l'etat hydrique du nodule (plus directement avec la teneur en eau que le potentiel) de la masse et de la taille nodulaire. Bien que le nodule soit moins associe aux variations journalieres de l'eau dans la plante, la fermeture stomatique tardive provoque un dessechement rapide du sol et des nodules, entrainant l'inhibition de la fixation d'azote malgre le maintien d'une activite photosynthetique. Lorsque la contrainte hydrique est importante, l'activite nitrogenasique reste tres elevee chez les genotypes qui presentent une forte proportion de gros nodules au niveau des racines. Sur feuilles coupees, le fluorimetre pam a permis une analyse de la variabilite genetique chez le soja, des effets de la deshydratation sur l'activite des photosystemes. Le rendement quantique du transport non-cyclique d'electrons du psii et le taux de decroissance de la fluorescence sont les plus discriminants de l'aptitude des genotypes a tolerer le deficit hydrique interne. En associant plus ou moins la fermeture stomatique, ils restent tres representatifs des effets observes sur feuilles en place. Ainsi, cette etude a permis de degager des parametres fortement correles avec les faibles potentiels hydriques foliaires qui pourraient etre introduits dans des programmes de l'amelioration genetique pour l'adaptation du soja a la secheresse

Les bacteries du genre azospirillum sont des bacteries fixatrices d'azote qui colonisent les racines des graminees sans former de structures differenciees. Chez a. Brasilense sp7, l'analyse d'une region d'adn de 30 kb contenant les genes de structure de la nitrogenase (nifhdk), par mutagenese dirigee avec tn5 et hybridations avec des sondes heterologues, a conduit a la caracterisation des genes nife, nifus et fixabc. L'analyse des arnm specifiques confirme les etudes de complementation genetique de mutants tn5 des genes nifhdk a savoir que ces genes sont transcrits en un seul operon. Dans la region promoteur du gene nifh, deux sites d'initiation de la transcription ont ete identifies en aval d'une sequence identique a la sequence consensus des promoteurs de type -24/ -12. En amont du gene glna, le gene glnb a ete sequence. Deux transcrits correspondant respectivement a glnb-glna ont ete caracterises. Le taux de synthese de ces transcrits depend des conditions physiologiques utilisees. En condition de fixation d'azote, le transcrit glnb-glna est majoritaire, tandis qu'en presence d'ammoniaque, le transcrit monocistronique de glna est predominant. Le transcrit glnb-glna est synthetise selectivement a partir de deux promoteurs. L'un est similaire au promoteur de type -24/ -12, l'autre au promoteur de type -35/ -10. La transcription monocistronique du gene glna est controlee par un nouveau type de promoteur qui ne fonctionne pas en condition de fixation d'azote

L'expression des genes bacteriens impliques dans la fixation de l'azote (nif et fix) est regulee par un mecanisme en cascade faisant intervenir, a un niveau superieur l'operon fixlj dont les produits activent, en symbiose et en culture microaerobie, les genes regulateurs specifiques nifa et fixk. D'apres les homologies de sequence de fixl et fixj avec les systemes de regulation a deux composants fixl, en reponse a un signal de l'environnement, activerait par phosphorylation l'activateur transcriptionnel fixj. La reconstitution de la cascade de regulation de l'expression des genes nifa et fixk chez escherichia coli nous a permis d'une part de mettre en evidence une activation differente des deux promoteurs de nifa et de fixk par fixl/j et d'autre part de demontrer que fixl est responsable de la regulation par la microaerobiose de l'expression de ces genes. Ainsi fixl, en reponse a la faible pression partielle en oxygene regnant dans la nodosite, activerait la proteine fixj. L'utilisation de derives deletes de fixl a permis de predire trois domaines chez la proteine fixl: un domaine amino-terminal hydrophobe qui n'est pas necessaire a l'activite de fixl, un domaine cytoplasmique central responsable de la sensibilite a l'oxygene mais non necessaire a l'activation de fixj et un domaine carboxy-terminal conserve chez les proteines capteurs des sysstemes a deux composants et certainement responsable de l'activation de fixj par phosphorylation. Une etude cytologique de nodosites induites par une souche de r. Meliloti mutee dans le gene fixl a ete entreprise dans le but de montrer l'implication du systeme fixl/j dans la distribution spatiale de l'expression des genes nifa et fixk dans la nodosite

Le processus de remobilisations de l'azote des organes végétatifs a été caractérisé au cours du remplissage des graines par marquages isotopiques de l'azote et par protéomique. Ces analyses ont permis de déterminer les organes sources d'azote remobilisé, de quantifier leur contribution au remplissage des graines, de déterminer la nature des pools d'azote et d'identifier les voies métaboliques impliquées. Puis, la variabilité génotypique des remobilisations d'azote a été caractérisée chez huit génotypes contrastés pour quelques caractères architecturaux et pour la teneur en azote des graines. Cette étude a montré que l'azote remobilisé des organes végétatifs est la principale source d'azote pour les graines en remplissage et qu'il constitue un pool d'azote unique redistribué entre les graines indépendamment de leur position sur la plante et de leur stade de développement et ce quel que soit le génotype. Les protéines photosynthétiques constituent le principal pool d'azote remobilisé
The mechanism of nitrogen remobilisations from vegetative organs to filling seeds was characterised by isotopic nitrogen labelling and proteomic. From these analyses, organs from which nitrogen is remobilised were identified, their contribution to seed nitrogen yield were quantified, the nature of remobilised nitrogen pools were determined and the metabolic pathways that were involved were pointed out. Then, the genotypic variability was studied in eight pea genotypes contrasted for morphological traits and seed nitrogen content. This study showed that nitrogen remobilised from vegetative organs was the main nitrogen source for filling seeds. Remobilised N constituted a unique nitrogen pool that was redistributed between seeds independently from their position on the plant and so their developmental stage whatever the genotype. Proteins and mainly, photosynthetic proteins were the main nitrogen pool remobilised from leaves and stems

La population des bacteries sulfato-reductrices est etudiee en relation avec les macrophytes dominants de deux lagunes. Deux aspects de l'ecologie de ces micro-organismes sont developpes et discutes, a savoir leur role dans la mineralisation de la matiere organique d'origine vegetale ainsi que leur role dans le processus de fixation de l'azote atmospherique. La degradation de deux types de macrophytes, la phanerogame zostera noltii et la macro-algue verte monostroma obscurum, a ete etudiee en laboratoire dans des conditions d'anoxie et d'obscurite se rapprochant des conditions existant au sein du sediment. La decomposition de cette matiere vegetale s'accompagne d'un relargage important de sels nutritifs azotes et phosphates ainsi que d'une forte production de sulfures. Nous avons estime que plus de 75% de la mineralisation du carbone vegetal etait assuree par la sulfato-reduction. Le cycle du soufre a ete etudie in situ au sein du sediment de deux ecosystemes lagunaires que constituent le bassin d'arcachon et l'etang du prevost. Au cours d'un cycle annule, nous avons quantifie la population des bacteries sulfato-reductrices et celle des bacteries sulfo-oxydantes aerobies par la methode du nombre le plus probable. Cette methode de denombrement a ete optimisee sur le plan technique afin de pouvoir comparer les populations in situ aux niveaux spatial et temporel. L'activite de ces micro-organismes a egalement ete quantifiee au sein des memes sediments. L'ensemble de ces mesures a permis de mettre en evidence une activite de sulfato-reduction intense au sein des herbiers de phanerogames du bassin d'arcachon, qui a ete comparable a celle quantifiee au niveau de l'etang du prevost, ecosysteme tres eutrophe et soumis a d'importantes proliferations algales. Plusieurs facteurs tampons sont proposes pour expliquer l'absence de phenomenes dystrophiques au sein du bassin d'arcachon. Nous avons demontre qu'au niveau des sediments colonises par zostera noltii, la fixation de l'azote atmospherique etait essentiellement assuree par les bacteries sulfato-reductrices. Ce processus contribuerait a pourvoir approximativement 10% des besoins en azote des plantes. L'ecophysiologie de cette activite diazotrophe (capacite a fixer l'azote atmospherique) a ete plus particulierement etudiee sur deux souches sulfato-reductrices isolees de la rhizosphere des phanerogames, apparentees au genre desulfovibrio

Un modele **(15)n permettant de determiner la part de reduction du nitrate a ete mis au point. La technique in situ de mesure de l'activite de la nitrate reductase a ete comparee avec ce modele. Les resultats indiquent que la technique in situ fournit une bonne estimation de la vitesse reelle de reduction du nitrate dans les parties aeriennes de jeunes plantes de mais, d'orge, et de luzerne, mais sous-estime cette vitesse dans le cas des racines. Cette sous-estimation semble etre due chez la luzerne a la presence d'une activite nitrite reductase residuelle, et a la baisse de l'absorption du nitrate durant la mesure. La technique in situ a ete appliquee a des luzernes entieres adultes et a mesure dans ce cas essentiellement la reduction du nitrate endogene

Ce travail de thèse porte sur le devenir du N2 récemment fixé par les diazotrophes dans l’océan oligotrophe de surface.Il apparaît que le N2 récemment fixé est excrété dans le compartiment dissous par tous les diazotrophes marins étudiés et que l'amplitude de cette excrétion dépend d'abord des contraintes environnementales que des diazotrophes impliqués dans la fixation.Le transfert de N2 fixé vers le plancton non-diazotrophe a été quantifié en utilisant une méthodologie innovante (couplage de la spectrométrie de masse à ionisation secondaire à l’échelle nanoscopique (nanoSIMS) et du tri cellulaire par cytométrie en flux). En conditions naturelles, 5 à 20 % du N2 récemment fixé est transféré vers les communautés non diazotrophes, principalement via l’excrétion de NH4+. Ce transfert est deux fois plus efficace lorsque le N2 est fixé par le diazotrophe Trichodesmium que lorsqu’il est fixé par les diazotrophes unicellulaires Crocosphaera ou Cyanothece.L’export du N2 récemment fixé a été évalué en utilisant des larges mésocosmes équipés de pièges à sédiments, déployés dans le lagon de Nouvelle Calédonie, et enrichis en PO43- pour stimuler la fixation de N2. Lors de cette expérience, il a été démontré que la fixation de N2 a alimenté une grande partie de la production primaire nouvelle (>90 %) et que le N2 fixé par les diazotrophes a rapidement été exporté. Cet export a été direct, par la sédimentation des diazotrophes eux-mêmes (représentant ~20 % de la matière particulaire retrouvée dans les pièges au plus fort de l’efflorescence de diazotrophes), et indirect, par le transfert de ~20 % du N2 fixé vers les communautés non diazotrophes qui, à leur tour, ont sédimenté
This PhD thesis, achieved within the framework of the VAHINE project, focuses on the fate of the recently fixed N2 by diazotrophes in the oligotrophic surface ocean.It appears that the release of the recently fixed N2 in the dissolved pool is a process shared between all diazotrophs tested and that the magnitude of this release depend on the environmental contrains rather than on diazotroph involved in fixation.The transfer of the N2 fixed toward non-diazotroph plankton has been investigated using an innovative methodology (coupling of nano-scale mass spectrometry (nanoSIMS) and cell sorting flow cytometry). It appeared that 5 to 20 % of the recently fixed N2 is transferred toward non-diazotroph plankton, mainly through NH4+ release. This transfer is twice more efficient when the N2 is fixed by the filamentous Trichodesmium compared to Crocosphaera and Cyanothece.Particulate export of the fixed N2 has been investigate in large in-situ mesocosms equipped with sediment traps, deployed in the New Caledonian lagoon and enriched with PO43- in order to stimulate N2 fixation. During this experiment, N2 fixation fueled a large part of the new primary production (>90 %) and that fixed N2 was quickly exported. The export has been direct, through the sedimentation of the diazotrophs themselves, and indirect, through the transfer of ~20 % of the recently fixed N2 toward non-diazotrophic plankton that have, in turn, sedimented

Une lectine, protéine se fixant spécifiquement sur certains récep-teurs saccharldiques, est purifiée à partir des embryons de riz : Oryza selva (variété Balilla 28). Les caractéristiques moléculaires et biologiques de cette lectine sont déterminées et comparées à celles des autres lectines de graminées. Une étude de l'interaction de cette lectine avec ses ligands saccharldiques est effectuée. L'Importance de la lectine de riz dans les interactions de la plante avec les bactéries fixatrices d'azote est étudiée et discutée.

L'expression des genes de fixation de l'azote de sinorhizobium meliloti est sous le controle de 4 genes regulateurs organises en cascade. Les genes fixl et fixj constituent un systeme a deux composants responsable de l'activation de l'ensemble des genes de fixation de l'azote par l'intermediaire de deux genes regulateurs, nifa et fixk. Le gene fixk occupe une place particuliere au sein de la cascade du fait de son double role de regulateur positif et negatif : fixk est d'une part, un regulateur positif qui permet l'activation d'un operon essentiel a la fixation de l'azote, et d'autre part, fixk reprime l'expression de nifa ainsi que sa propre expression par un phenomene d'autoregulation. La mise en evidence de cette regulation negative nous a conduit a etudier son mecanisme et son role dans le processus de fixation symbiotique. Une analyse genetique nous a permis de demontrer que la regulation negative de fixk etait indirecte et mettait en jeu l'expression d'un nouveau gene, fixt. De plus, nous avons montre que la proteine fixt etait suffisante pour assurer la regulation negative. Une analyse biochimique a permis de preciser le mode d'action de cette nouvelle proteine regulatrice en mettant en evidence l'action de fixt au niveau du systeme a deux composants fixlj. Il semble que fixt soit un inhibiteur de l'hemoproteine kinase fixl situee au sommet de la cascade de regulation. La signification biologique de cette repression a ete abordee par une etude du role de fixt dans l'interaction symbiotique. L'absence de fixt ne semble pas influencer globalement l'efficacite du processus de fixation de l'azote, mais nous avons pu observer une modification du profil d'expression des genes cibles fixk et nifa a l'interieur d'un nodule induit par un mutant fixt. Fixt joue donc un role dans le controle de l'expression des genes de fixation de l'azote dans le nodule. Plusieurs hypotheses sur le role physiologique de la regulation negative par fixt ont pu etre avancees.

L'utilisation du soja dans l'alimentation animale, et surtout humaine, implique une amélioration de la qualité de la graine. Celle-ci est abordée sous l'angle de la teneur en protéines et en lipoxygénase des graines, et des voies métaboliques impliquées dans ces caractères. L'étude de l'amélioration conjointe du rendement et des taux de protéines, paramètres généralement antagonistes, est envisagée à partir de la descendance d'un croisement entre deux variétés riches en protéines. Ce choix résulte de l'analyse d'un diallèle qui avait montré que ce croisement pouvait présenter des recombinaisons génétiques favorables. L'analyse génétique de la descendance, composée de 111 individus, a mis en évidence une large variabilité pour l'ensemble des paramètres mesurés. Un gain génétique important est possible. Des génotypes conciliant des combinaisons favorables de ces divers caractères ont pu être identifiés. Le rôle majeur de la symbiose dans l'élaboration de la productivité et des teneurs en protéines a été également confirmé. Des capacités fixatrices élevées au stade R5 favorisent les forts taux de protéines. Le rendement en graines est plus directement associé à l'assimilation de l'azote minéral en début de cycle, et à une fixation symbiotique de l'azote efficiente en fin de cycle reproducteur. La stabilité, des teneurs en protéines et de la productivité, est obtenue, quelle que soit la source azotée disponible, pour les génotypes à fort pourcentage en protéines et à capacité fixatrice élevée. De tels marqueurs peuvent être utilisés comme de nouveaux critères de sélection.

L’industrie de la viande utilise de larges quantités d’eau lors de l’abattage, du découpage et du nettoyage des équipements. Les effluents produits sont très chargés en DCO, azote et phosphore. Afin d’éviter toute pollution des milieux aquatiques environnants, ces effluents doivent subir des traitements poussés. Le but principal de cette thèse était de développer un procédé de traitement par boues activées qui puisse éliminer plus de 95% de la DCO, de l’azote et du phosphore dans les effluents d’abattoir permettant alors un rejet direct de l’effluent traité en rivière. La forte teneur en azote des effluents d’abattoir est l’obstacle majeur empêchant d’établir une élimination biologique du phosphore stable et efficace. Durant cette thèse, un procédé biologique capable d’éliminer 98% du phosphore tout en abattant 95% de la DCO et 97% de l’azote a été développé dans un réacteur batch à alimentation séquentielle (SBR). Par rapport aux procédés chimiques classiques d’élimination du phosphore, ce nouveau procédé biologique offre une vraie alternative financière et environnementale pour l’industrie de la viande. Une stratégie d’alimentation séquentielle a permis de réduire l’accumulation des nitrates dans le SBR rendant ainsi possible l’élimination biologique du phosphore. Cette thèse aborde aussi l’étude et l’utilisation de technologies innovantes pour améliorer les performances du procédé SBR. Le procédé de nitrification, dénitrification et déphosphatation simultanées (SNDPR) a été incorporé au procédé à boues granulaires aérobies. La taille, la densité et l’activité microbienne des granules aérobies génèrent de forts gradients d’oxygène à l’intérieur des granules, permettant alors d’obtenir un procédé SNDPR plus efficace. Le volume du réacteur et la demande en DCO nécessaire pour éliminer l’azote et le phosphore dans les effluents d’abattoir ont ainsi pu être fortement réduits. La structure interne et la composition microbienne de ces granules ont également été étudiées
The meat processing industry requires large quantities of water, much of which is discharged as wastewater containing high levels of COD and nutrients such as nitrogen (N) and phosphorus (P). These nutrients must be removed to very low levels before the wastewater can be discharged into local waterways to avoid causing eutrophication. The aim of this thesis was to develop a biological process that could achieve more than 95% of COD, N and P removal from abattoir wastewater, producing an effluent suitable for direct discharge into river systems. The main challenge is to achieve stable and reliable biological P removal in nitrogen-rich wastewater. A sequencing batch reactor (SBR) system was demonstrated to effectively remove 95%, 97% and 98% of the total COD, total N and total P present in abattoir wastewater. It could provide a more cost-effective and environmentally friendly alternative to chemical P removal, which is the common practice in the meat industry at present. A multi-step feeding strategy was employed to prevent the accumulation of nitrate or nitrite in the SBR providing the right condition for the development of a stable biological P removal. An automatic aeration length control strategy was developed and demonstrated to remove N via the nitrite pathway which benefited the nutrient removal performance of the SBR by reducing the amount of readily biodegradable COD required. This study also investigated the feasibility of using two innovative technologies to further enhance the performance of the SBR system. The simultaneous nitrification, denitrification and phosphorus removal (SNDPR) process and the aerobic granular sludge technology were successfully combined in a single SBR process. The size and the dense structure of aerobic granules positively contributed to the oxygen mass transfer limitation required to achieve reliable SNDPR. The structure and function of these granules fed with nutrient-rich wastewater were closely investigated using a wide range of microbial and micro-scale techniques, which yielded insightful information about aerobic granules and provided support for future in-depth studies on the mechanisms involved in aerobic biogranulation

Devant la complexité du cycle de l’azote (N) et la variété de ses formes disponibles dans le sol, la planification de la fertilisation de cet élément repose sur des calculs et considérations complexes. La fertilisation biologique a de particulier que l’N est apporté sous forme organique, alors que les plantes le prélèvent principalement sous forme minérale. La disponibilité de l’N repose donc sur une minéralisation efficace des amendements. Cette situation peut mener des producteurs à surfertiliser, entraînant des pertes financières et d’N dans l’environnement. Parvenir à une meilleure synchronisation de la minéralisation de l’N avec les besoins de la plante est donc crucial pour le développement de la serriculture biologique, où les besoins en azote des cultures sont de loin plus élevés qu’au champ. De plus, la capacité de certaines plantes à prélever directement l’N sous forme organique est souvent considérée négligeable en agriculture, mais pourrait être plus importante qu’on ne le croit, contribuant ainsi substantiellement au bilan d’N de la plante. Les objectifs généraux de ma thèse étaient de : (1) évaluer les taux de minéralisation de fertilisants biologiques couramment utilisés en culture légumière sous serre au Québec ; (2) étudier l’impact de différentes sources fertilisantes sur la biodiversité des bactéries du sol ; (3) étudier la capacité du concombre à prélever l’N directement sous forme organique ; et (4) développer et valider un outil de gestion de la fertilisation biologique azotée. Une expérience d’incubation de cinq fertilisants biologiques d’usage commun en serriculture biologique a été menée. La minéralisation de l’N a plafonné dans un sol minéral et un substrat tourbeux à, respectivement, 41 et 63 % de l’N appliqué pour le fumier de poule granulé, 56-93 % pour la farine de sang, 54-81 % pour la farine de plume, 34-43 % pour la farine de luzerne et 57-73 % pour la farine de crevette. Dans un sol minéral, la biodiversité bactérienne alpha (indice Shannon) a été augmentée par l’apport de farine de luzerne, alors que dans un substrat organique à base de tourbe, ce sont la farine de crevette et le fumier de poule granulé qui l’ont le plus augmentée. En se basant sur ces résultats, le modèle NLOS a été adapté à la serriculture biologique pour produire le nouveau modèle NLOS-OG. Cet outil a été validé en serres expérimentales et commerciales et a permis une prédiction satisfaisante de la disponibilité d’N minéral pour une culture en sol minéral, ainsi que de la minéralisation cumulative de fertilisants appliqués dans un sol ou un substrat tourbeux. Par contre, de la recherche spécifique à la dynamique de l’eau dans les cultures biologiques en contenants sera nécessaire afin de prédire adéquatement la disponibilité de l’azote dans ce système. Une interface web est disponible pour les agronomes et producteurs (https://exchange.iseesystems. com/public/pierrepauldion/nlos-og/). Le contenu en C et N solubles du substrat biologique d’une culture de concombre en serre biologique a été positivement corrélé au contenu en C et N organiques de la sève du xylème et aux solides solubles du fruit, suggérant un prélèvement et un transfert de C et N organiques vers les parties aériennes et les fruits. Dans une seconde expérience, en milieu contrôlé, de jeunes plants de concombre ont été exposés à une solution d’alanine enrichie en 13C et 15N. En combinant l’utilisation de molécules marquées à une position spécifique (Position-specific labelling) et l’analyse isotopique spécifique au composé (Compound-specific isotopic analysis), nous avons développé une approche innovatrice permettant de suivre le métabolisme de l’assimilation de l’N issu d’un acide aminé prélevé par les racines. Nous avons ainsi démontré que les racines peuvent prélever et assimiler l’N sous forme organique, surtout en situation de rareté de l’N. Elles ont toutefois une nette préférence pour les formes inorganiques (nitrate et ammonium). Les contributions scientifiques découlant de cette étude doctorale sont : (1) une meilleure connaissance de la minéralisation des fertilisants biologiques azotés ; (2) l’intégration de ces taux de minéralisation dans un outil de gestion de l’N applicable en serriculture biologique; et (3) une meilleure compréhension du prélèvement et de l’assimilation de l’azote organique par des plants de concombre. Ces connaissances permettront une meilleure planification de la fertilisation à base de matière organique, et par conséquent un accroissement de la durabilité de la serriculture biologique.
Devant la complexité du cycle de l’azote (N) et la variété de ses formes disponibles dans le sol, la planification de la fertilisation de cet élément repose sur des calculs et considérations complexes. La fertilisation biologique a de particulier que l’N est apporté sous forme organique, alors que les plantes le prélèvent principalement sous forme minérale. La disponibilité de l’N repose donc sur une minéralisation efficace des amendements. Cette situation peut mener des producteurs à surfertiliser, entraînant des pertes financières et d’N dans l’environnement. Parvenir à une meilleure synchronisation de la minéralisation de l’N avec les besoins de la plante est donc crucial pour le développement de la serriculture biologique, où les besoins en azote des cultures sont de loin plus élevés qu’au champ. De plus, la capacité de certaines plantes à prélever directement l’N sous forme organique est souvent considérée négligeable en agriculture, mais pourrait être plus importante qu’on ne le croit, contribuant ainsi substantiellement au bilan d’N de la plante. Les objectifs généraux de ma thèse étaient de : (1) évaluer les taux de minéralisation de fertilisants biologiques couramment utilisés en culture légumière sous serre au Québec ; (2) étudier l’impact de différentes sources fertilisantes sur la biodiversité des bactéries du sol ; (3) étudier la capacité du concombre à prélever l’N directement sous forme organique ; et (4) développer et valider un outil de gestion de la fertilisation biologique azotée. Une expérience d’incubation de cinq fertilisants biologiques d’usage commun en serriculture biologique a été menée. La minéralisation de l’N a plafonné dans un sol minéral et un substrat tourbeux à, respectivement, 41 et 63 % de l’N appliqué pour le fumier de poule granulé, 56-93 % pour la farine de sang, 54-81 % pour la farine de plume, 34-43 % pour la farine de luzerne et 57-73 % pour la farine de crevette. Dans un sol minéral, la biodiversité bactérienne alpha (indice Shannon) a été augmentée par l’apport de farine de luzerne, alors que dans un substrat organique à base de tourbe, ce sont la farine de crevette et le fumier de poule granulé qui l’ont le plus augmentée. En se basant sur ces résultats, le modèle NLOS a été adapté à la serriculture biologique pour produire le nouveau modèle NLOS-OG. Cet outil a été validé en serres expérimentales et commerciales et a permis une prédiction satisfaisante de la disponibilité d’N minéral pour une culture en sol minéral, ainsi que de la minéralisation cumulative de fertilisants appliqués dans un sol ou un substrat tourbeux. Par contre, de la recherche spécifique à la dynamique de l’eau dans les cultures biologiques en contenants sera nécessaire afin de prédire adéquatement la disponibilité de l’azote dans ce système. Une interface web est disponible pour les agronomes et producteurs (https://exchange.iseesystems. com/public/pierrepauldion/nlos-og/). Le contenu en C et N solubles du substrat biologique d’une culture de concombre en serre biologique a été positivement corrélé au contenu en C et N organiques de la sève du xylème et aux solides solubles du fruit, suggérant un prélèvement et un transfert de C et N organiques vers les parties aériennes et les fruits. Dans une seconde expérience, en milieu contrôlé, de jeunes plants de concombre ont été exposés à une solution d’alanine enrichie en 13C et 15N. En combinant l’utilisation de molécules marquées à une position spécifique (Position-specific labelling) et l’analyse isotopique spécifique au composé (Compound-specific isotopic analysis), nous avons développé une approche innovatrice permettant de suivre le métabolisme de l’assimilation de l’N issu d’un acide aminé prélevé par les racines. Nous avons ainsi démontré que les racines peuvent prélever et assimiler l’N sous forme organique, surtout en situation de rareté de l’N. Elles ont toutefois une nette préférence pour les formes inorganiques (nitrate et ammonium). Les contributions scientifiques découlant de cette étude doctorale sont : (1) une meilleure connaissance de la minéralisation des fertilisants biologiques azotés ; (2) l’intégration de ces taux de minéralisation dans un outil de gestion de l’N applicable en serriculture biologique; et (3) une meilleure compréhension du prélèvement et de l’assimilation de l’azote organique par des plants de concombre. Ces connaissances permettront une meilleure planification de la fertilisation à base de matière organique, et par conséquent un accroissement de la durabilité de la serriculture biologique.
Because of the complexity of the nitrogen (N) cycle and the diversity of its molecule forms in the soil, N fertilization management is based on complex calculations and considerations. For organic farming, N is provided via organic amendments and biological fixation. However, lack of precise tools that predict the N mineralization rate of N sources leads some producers to over-fertilize, resulting in the buildup of salinity, N leaching and possible loss of profits. Consequently, better knowledge of N availability following organic fertilization, to improve synchronization of N supply with crop N demand, is crucial to advance sustainable organic horticulture. In addition, the capacity of plants to take up N directly as organic molecules is seldom considered in agriculture and could be higher than previously thought, contributing significantly to the plant’s N budget. The objectives of this thesis were to: (1) evaluate the mineralization rates from organic fertilizers commonly used in greenhouse vegetable horticulture in Quebec; (2) study the impact of different fertilizer sources on soil bacterial diversity; (3) study the capacity of cucumber plants to take up and assimilate N directly as organic molecules; and (4) develop and validate a N management tool for organic fertilization. An incubation experiment with five organic fertilizers commonly used in organic greenhouse horticulture was performed. Nitrogen mineralization plateaued for a mineral soil and a peat substrate at respectively 41 and 63% of applied N for pelleted poultry manure, 56-93% for blood meal, 54-81% for feather meal, 34-53% for alfalfa meal, and 57-73% for shrimp meal. Organic fertilizers supported markedly contrasted bacterial communities, closely linked to soil biochemical properties, especially mineral N, pH and soluble C. Alfalfa meal promoted the highest alpha diversity (Shannon index) in the mineral soil, whereas shrimp meal and pelleted poultry manure increased it in the peat-based growing medium. Based on those results, we adapted the NLOS model to organic greenhouse horticulture and developed the new model NLOS-OG. This tool was validated in commercial and experimental greenhouses. It yielded a satisfying prediction of mineral N availability in a greenhouse crop grown in native mineral soil, and for the cumulative mineralization of fertilizers applied in a soil or organic substrate. However, further research should focus on water dynamics in containerized organic crops in order to achieve a precise prediction of N availability in that cropping system. A free web interface for NLOS-OG is now available for agronomists and growers (https://exchange. iseesystems.com/public/pierrepauldion/nlos-og/).In a greenhouse experiment, the C and N content of soil solution was positively linked to the xylem sap C and N content of mature cucumber plants and appeared to contribute to the accumulation of soluble solids in cucumber fruits, suggesting uptake and transfer of soil soluble organic N and C to the shoot and fruits. In a second experiment, in a growth chamber, young cucumber plants were exposed to 13C- and 15N-labelled alanine. By combining two methods, i.e., the use of Position-specific labelling (PSL) of alanine and Compound-specific isotopic analysis (CSIA) of free amino acids, we developed a novel approach allowing the study of the mechanism of the assimilatory metabolism of an amino acid taken up by the roots. We demonstrated that their roots can take up and assimilate N as organic molecules, although they showed a preference for inorganic N forms (nitrate and ammonium). The scientific contributions from this doctoral study are: (1) a better knowledge of the nitrogen release from nitrogen organic fertilizers; (2) the integration of mineralization rates into a N management tool adapted to organic greenhouse horticulture; and (3) a better understanding of the uptake and assimilation of organic N by cucumber plants. This knowledge will contribute to a better planning of N fertilization based on organic matter, thus increasing the sustainability of organic greenhouse horticulture.
Because of the complexity of the nitrogen (N) cycle and the diversity of its molecule forms in the soil, N fertilization management is based on complex calculations and considerations. For organic farming, N is provided via organic amendments and biological fixation. However, lack of precise tools that predict the N mineralization rate of N sources leads some producers to over-fertilize, resulting in the buildup of salinity, N leaching and possible loss of profits. Consequently, better knowledge of N availability following organic fertilization, to improve synchronization of N supply with crop N demand, is crucial to advance sustainable organic horticulture. In addition, the capacity of plants to take up N directly as organic molecules is seldom considered in agriculture and could be higher than previously thought, contributing significantly to the plant’s N budget. The objectives of this thesis were to: (1) evaluate the mineralization rates from organic fertilizers commonly used in greenhouse vegetable horticulture in Quebec; (2) study the impact of different fertilizer sources on soil bacterial diversity; (3) study the capacity of cucumber plants to take up and assimilate N directly as organic molecules; and (4) develop and validate a N management tool for organic fertilization. An incubation experiment with five organic fertilizers commonly used in organic greenhouse horticulture was performed. Nitrogen mineralization plateaued for a mineral soil and a peat substrate at respectively 41 and 63% of applied N for pelleted poultry manure, 56-93% for blood meal, 54-81% for feather meal, 34-53% for alfalfa meal, and 57-73% for shrimp meal. Organic fertilizers supported markedly contrasted bacterial communities, closely linked to soil biochemical properties, especially mineral N, pH and soluble C. Alfalfa meal promoted the highest alpha diversity (Shannon index) in the mineral soil, whereas shrimp meal and pelleted poultry manure increased it in the peat-based growing medium. Based on those results, we adapted the NLOS model to organic greenhouse horticulture and developed the new model NLOS-OG. This tool was validated in commercial and experimental greenhouses. It yielded a satisfying prediction of mineral N availability in a greenhouse crop grown in native mineral soil, and for the cumulative mineralization of fertilizers applied in a soil or organic substrate. However, further research should focus on water dynamics in containerized organic crops in order to achieve a precise prediction of N availability in that cropping system. A free web interface for NLOS-OG is now available for agronomists and growers (https://exchange. iseesystems.com/public/pierrepauldion/nlos-og/).In a greenhouse experiment, the C and N content of soil solution was positively linked to the xylem sap C and N content of mature cucumber plants and appeared to contribute to the accumulation of soluble solids in cucumber fruits, suggesting uptake and transfer of soil soluble organic N and C to the shoot and fruits. In a second experiment, in a growth chamber, young cucumber plants were exposed to 13C- and 15N-labelled alanine. By combining two methods, i.e., the use of Position-specific labelling (PSL) of alanine and Compound-specific isotopic analysis (CSIA) of free amino acids, we developed a novel approach allowing the study of the mechanism of the assimilatory metabolism of an amino acid taken up by the roots. We demonstrated that their roots can take up and assimilate N as organic molecules, although they showed a preference for inorganic N forms (nitrate and ammonium). The scientific contributions from this doctoral study are: (1) a better knowledge of the nitrogen release from nitrogen organic fertilizers; (2) the integration of mineralization rates into a N management tool adapted to organic greenhouse horticulture; and (3) a better understanding of the uptake and assimilation of organic N by cucumber plants. This knowledge will contribute to a better planning of N fertilization based on organic matter, thus increasing the sustainability of organic greenhouse horticulture.

Les procédés à biomasse fixée sont utilisés pour la dégradation simultanée des pollutions carbonées et azotées. Cette biodégradation est basée sur le fonctionnement d’un consortium bactérien complexe, composé de bactéries autotrophes et hétérotrophes, associées sous forme de biofilm. La coexistence de ces deux populations résulte d’un phénomène de compétition pour leurs substrats communs (oxygène et azote) et pour l’espace. Elle est à l’origine de nombreux disfonctionnements des réacteurs, et les mécanismes qui la gouvernent ne sont aujourd’hui pas clairement identifiés. A cet effet, trois aspects ont été abordés dans ce travail : (i) le développement d’un modèle de croissance, (ii) la caractérisation du détachement et son influence sur la compétition, (iii) et l’analyse de l’impact des conditions de croissance sur la compétition. Les principaux résultats sont les suivants : un modèle 1-D qualitatif, dont la structure permet de prédire les dynamiques de populations et les performances épuratoires du système biofilm, a été développé. Ce modèle est multi-espèces et multi-substrats. Un détachement surfacique continu est initialement considéré. Une étude expérimentale du détachement a été réalisée. Différents biofilms ont été développés sous des conditions environnementales variées et contrastées, au sein de réacteurs de Couette-Taylor. L’érosion a été redéfinie comme le couplage entre un détachement surfacique continu de petites particules et des évènements volumiques dynamiques détachant de larges particules. A l’aide du modèle, différents modes de détachement, en termes de fractions d’épaisseurs détachées et de fréquences d’évènements, ont été testés. Le mode de détachement fixe la croissance hétérotrophique à la surface du biofilm, et par conséquent la disponibilité de l’oxygène dans les couches internes du biofilm. Si l’oxygène est limitant, la croissance des bactéries autotrophes est limitée voire impossible. Le mode de détachement, associé au degré de limitation en oxygène, gouverne donc directement les capacités de coexistence entre les différentes populations fonctionnelles. Différentes observations expérimentales, réalisées sous des conditions de limitation en oxygène, démontrent cependant que l’avantage accordé par le modèle à la croissance hétérotrophique est surestimé. L’hypothèse d’une dénitrification au sein de clusters anoxiques denses, présents dans la zone aérobie du biofilm, a été émise. Des phénomènes de « détachement spécifique des bactéries hétérotrophes » et de « convection particulaire » ont été évalués à l’aide du modèle. Ces deux processus, en limitant l’activité exogène hétérotrophique à la surface du biofilm, ont un impact favorable sur la croissance autotrophique. Une stratification stricte des fonctionnalités est régulièrement prédite par les modèles 1-D qui considèrent une représentation simplifiée des phénomènes biologiques et physiques. Cette étude soulève finalement l’interrogation suivante : Cette stratification stricte ne fausse-t-elle pas la prédiction du résultat de la compétition entre bactéries autotrophes et hétérotrophes sous certaines conditions ?
Biofim reactors are used in wastewater treatment for simultaneous COD and nitrogen removal. This biological process is based on a complex bacterial consortium, composed of both autotrophic and heterotrophic bacteria, associated in “biofilm”. The coexistence of these populations results of a microbial competition for both the substrates and the space. This microbial competition potentially leads to process failures as decreases of the removal rates, and thus its mechanisms must be understood. In this way, the objectives of this work were: (i) to develop a model of biofilm growth, (ii) to characterize the detachment mode and its impact on the competition, (iii) and to analyze the impact of the environmental growth conditions on the competition. The main results of this work are the following : a 1-D biofilm model, since the structure allows predicting population dynamics and the biofilm reactor performances, was developed. This is a multi-species and multi-substrates model, which assumes a continuous surface detachment. An experimental study of the detachment mode was performed. Different biofilms were grown under different various and contrasted growth conditions in Couette-Taylor Reactors. Erosion process was defined as a continuous surface detachment of small particles coupled with dynamic volume events detaching large particles. Using the model, different detachment modes in terms of fraction of biofilm thickness detached and in terms of frequency were tested. The dynamic volume events determine the heterotrophic growth at the biofilm surface, and thus the availability of oxygen inside the biofilm. If oxygen is limiting in the inner zone of the biofilm, the autotrophic growth is limited or impossible. By impacting the oxygen availability, the dynamic volume events consequently govern the result of the autotrophic-heterotrophic competition. Under oxygen-limiting conditions, the comparison between numerical and experimental results shows that a simple 1-D model overpredicts the advantage of the heterotrophic growth. The impact of more complex processes on autotrophic-heterotrophic coexistence was thus evaluated. Specific heterotrophic detachment and particulate convection were shown to favour the autotrophic growth and thus the autotrophic-heterotrophic coexistence. Finally, 1-D models considering simple biological and physical processes leads to a strict stratification of the functionalities. The following question is highlighted by this work: Is the strict stratification of the microbial functionalities predicted by simple 1-D model can potentially change the result of the autotrophic-heterotrophic competition ?

La première partie de ce travail a pour objectif d'évaluer la faisabilité de la quantification in vivo des récepteurs ß-adrénergiques myocardiques au moyen du radioligand AMI9. AMI9 produit de bonnes images scintigraphiques cardiaques chez le chien in vivo, malheureusement, des expériences en détection externe chez le rat et chez le chien in vivo révèlent que la fixation non spécifique du radioligand représente 85% de la fixation cardiaque totale et disqualifie ce composé pour une utilisation in vivo. La seconde partie de ce travail a pour but l'évaluation biologique in vitro et in vivo de radioligands iodés originaux proposés comme marqueurs sélectifs des récepteurs ß1-adrénergiques myocardiques utilisables in vivo en technique SPECT. Sept composés iodés ont été synthétisés et évalués in vitro à partir de trois critères fondamentaux : leur lipophilie, leur affinité et leur sélectivité pour les récepteurs ß1-adrénergiques. A l'issu du criblage, les composés ABI8 et ALI2 se sont distingués et ont fait l'objet d'une caractérisation biologique in vitro et in vivo complète. Sur cardiomyocytes de rats nouveau-nés, ABI8 et ALI2 présentent une haute affinité et une forte sélectivité pour les récepteurs ß1-adrénergiques. ABI8 et ALI2 ne se fixent pas aux récepteurs muscariniques mais possèdent une légère affinité pour les récepteurs a-adrénergiques. Sur cœur isolé et perfusé de rat ABI8 et ALI2 présentent des pouvoirs antagonistes purs équivalents à ceux du propranolol, et de l'aténolol. Les études de biodistribution chez la souris ainsi que les expériences d'imagerie SPECT chez le chien montrent que ABI8 et ALI2 possèdent des caractéristiques in vivo très intéressantes. Malheureusement, des expériences de prétraitement et de coinjection chez la souris et chez le rat in vivo révèlent que la fixation non spécifique de ABI8 et ALI2 représente 80 et 70% de la fixation totale et disqualifie ces composés pour une utilisation in vivo.

Le travail presente concerne l'etude des sources d'ammoniac biologique dans la vie domestique, le suivi des composants de cycle de l'azote dans ces memes conditions et la mise au point de systemes simples assurant la maitrise de la formation, de l'accumulation et du degagement de ce gaz malodorant et toxique. Ainsi des comprimes de reactifs ont ete prepares pour permettre le suivi analytique de l'ammonisation ou de la presence de produits additionnels de blocage. Dans les aquariums, un activateur biologique a permis l'instauration plus rapide du cycle de l'azote et ainsi un peuplement plus precoce en poissons. Dans les piscines, un diffuseur automatique de produits chlores offre la possibilite de lutter efficacement et economiquement contre les differentes substances azotees. Enfin, un melange de supports mineraux et un traitement chimique approprie ont conduit a la mise au point d'un produit pour litiere pour chats dont les performances techniques sont superieures a toutes celles des produits commerciaux

Dans l'objectif de rechercher du polymorphisme symbiotique, nous avons inoculé des lignées naturelles de Medicago truncatula avec des souches sauvages de Sinorhizobium meliloti. Ainsi, nous avons ainsi mis en évidence un important polymorphisme de nodulation et de fixation de l'azote. Deux polymorphismes ont fait l'objet d'une étude détaillée. M. Truncatula DZA315. 16 inoculée avec S. Meliloti cc2020 aboutit à une interaction spécifique incompatible de type non-nodulant (Nod-). Le phénotype Nod- présente des déformations et courbures des poils absorbants, une absence des cordons d'infection et des divisions des cellules du cortex. Ce phénotype est sous le contrôle de deux gènes, Mtsym4 et Mtsym5 seraient impliqués dans la perception des facteurs Nod. S. Meliloti A145 induit chez M. Truncatula Jemalong 6 de petits nodules blancs non-fixateurs (Fix-). L'analyse cytologique a révélé une dégénérescence progressive du méristème et des cellules du nodule, la présence de cordons d'infection trapus et autofluorescents suggérant des réactions de défense et enfin à un stade tardif la fermeture de l'endoderme nodulaire. Le phénotype Fix- est sous le contrôle d'un gène récessif Mtsym6,cartographié sur le groupe de liaison huit de la carte génétique de M. Truncatula. Les expériences de greffe ont montré que les phénotypes Nod- et Fix- sont sous le contrôle des parties racinaires de la plante. Notre travail via l'analyse des interactions de spécificité de nodulation et de fixation de l'azote nous a permis de faire un parallèle avec les interactions gène par gène. L'implication des réactions de défense dans les phénotypes observés, pose la question de la place de la symbiose dans les relations plantes-microorganismes.

En passant de la vie libre à la symbiose, la bactérie Sinorhizobium meliloti subit une différenciation irréversible en bactéroide fixateur d’azote. Une approche transcriptomique originale nous a permis d’identifier de nouveaux gènes candidats pour l’étude des étapes successives de cette différenciation. Ainsi, nous avons mis en évidence une centaine de gènes préférentiellement exprimés au cours des étapes symbiotiques tardives, parmi lesquels les gènes nif et fix essentiels à la fixation d’azote et régulés par le système à deux composants FixLJ. Nous avons identifié puis caractérisé le régulon FixJ et montré que FixJ est un régulateur majeur de la symbiose et de la vie libre en condition microaérée. FixJ est impliqué dans diverses fonctions biologiques. Parmi les nouvelles cibles de FixJ nous en avons identifié une essentielle à la symbiose
Transition of Sinorhizobium meliloti from free-living to symbiotic life is associated with an irreversible differentiation into nitrogen fixing bacteroïds. An original transcriptomic approach allowed us to identify new gene candidates to study successive stages of differentiation. Thus, we found about a hundred genes preferentially expressed during late symbiotic stages, among them nif and fix genes essential to nitrogen fixation and regulated by the FixLJ two-component system. We identified and characterised the FixJ regulon and showed that FixJ is a main regulator of both symbiotic and free-living microoxic conditions. FixJ is involved in various biological functions. Among new FixJ targets we found one which is essential to symbiosis

Grace a l'utilisation des techniques de marquage (coloration et #1#5n), nous avons pu suivre, en serre et au champ, le transfert d'azote vers les plantes, en presence ou non de lombriciens (lumbricus terrestris l. ). Pour ce faire, deux types d'experiences ont ete entreprises, l'une, en microcosme, en serre, nous a permis de quantifier et de suivre les transferts de l'azote depuis deux litieres de c/n differents (9,5 et 42,6); l'autre, de mesurer, au champ, les debits d'azote d'origine lombricienne et la part assimilee, in situ, par la prairie. Le double marquage des lombriciens (coloration et #1#5n), leur reintroduction dans le milieu naturel et leur recapture a intervalles predetermines, pendant 48 jours d'experience, nous ont permis (1) de valider au terrain les debits d'azote d'origine lombricienne observes au laboratoire (14,2% par jour a 14c et 16,1% par jour au terrain a 16,5c) avec un q#1#0 de 1,65, (2) de quantifier l'azote emane par les animaux (80%) et reassimile par les plantes (23% de l'azote corporel initial)

La mise en place du nodule fixateur d'azote est l'aboutissement d'un processus de differenciation coordonne de la bacterie et de la plante qui implique l'expression concertee d'un grand nombre de genes. Le dialogue moleculaire entre les deux partenaires au cours des etapes tardives de la differenciation de la nodosite est inconnu. Les genes bacteriens de fixation de l'azote nif et fix et le gene de la leghemoglobine sont specifiquement induits au niveau d'une zone particuliere, appelee interzone ii-iii. L'expression des genes bacteriens impliques dans la fixation de l'azote est regulee par un mecanisme en cascade faisant intervenir l'operon fixlj dont les produits activent les genes regulateurs specifiques nifa et fixk des operons nif et fix, en reponse a une diminution de la concentration ambiante en o#2. Nous avons montre que dans la nodosite, il s'etablit un gradient de concentration en o#2 du meristeme apical jusqu'a l'interzone ii-iii. Par la diminution de la concentration ambiante en o#2, nous avons reussi a induire l'expression des genes fix et nif dans la zone d'infection du nodule, en amont de l'interzone ii-iii. L'introduction d'une mutation ponctuelle dans l'activateur transcriptionnel fixj, qui le rend capable d'exprimer les genes de fixation constitutivement vis a vis de l'o#2 en culture pure, se traduit aussi par l'expression ectopique de ces genes in planta. Le profil d'expression de la leghemoglobine et d'un gene bacterien, dcta est similaire a celui des genes bacteriens de fixation de l'azote dans une nodosite mature fixatrice. Cependant, que la modification de la concentration ambiante en oxygene ne modifie pas leur profil d'expression, le developpement d'une nodosite non fixatrice se traduit par une expression constitutive de la leghemoglobine et de dcta en zone d'infection, c'est a dire en amont de l'interzone ii-iii

Chez le soja, la fixation symbiotique d'azote atmospherique est etroitement associee a la productivite et la qualite de la graine. L'objectif du present travail est d'evaluer les possibilites d'ameliorer cette fonction par la voie bacterienne en comparant la souche smgs1 de bradyrhizobium japonicum a la souche g4. Utilisee dans les inoculum francais. En culture hydroponique des plantes, avec des apports degressifs en nitrate, la nodulation est plus abondante avec la souche smgs1, ce qui se repercute sur le volume et la masse seche nodulaires. Ces observations restent valables lorsque les plantes sont cultivees en presence permanente de nitrate, suggerant une meilleure tolerance de la souche smgs1 a la presence de cet ion. Cependant, l'expression d'une fixation d'azote plus active (activite reductrice d'acetylene) est subordonnee a des nodosites de taille plus elevee, en relation avec la capacite de la plante hote a assurer a la fois leur croissance et leur fonctionnement. Des interactions entre le genotype hote et la souche ont ete mises en evidence pour des parametres symbiotiques ou de recolte. L'evaluation agronomique de la souche smgs1 en serre, sur terre, montre des reponses genotypiques positives ou negatives comparativement a g49. Le rendement au champ de quatre-vingt six lignees, en presence de la souche g49, presente une faible correlation avec leur activite fixatrice mesuree avec la souche smgs1 en conditions controlees et en presence d'un gradient en nitrate, contrairement aux resultats obtenus apres inoculation avec g49. Ainsi, l'existence d'interactions entre le genotype hote et la souche de b. Japonicum ou la teneur en nitrate du milieu racinaire pourrait entrainer une modification des performances agronomiques des varietes cultivees si la souche smgs1 est choisie comme nouvel inoculum. Ceci suggere d'entreprendre une nouvelle selection de genotypes mieux adaptes a cette souche

La fixation symbiotique de l'azote par r. Meliloti dans les nodosites de la luzerne necessite l'expression coordonnee de genes de la bacterie et de la plante. L'expression des genes bacteriens impliques dans la fixation de l'azote (nif et fix) est regulee par un mecanisme en cascade faisant intervenir a un niveau superieur l'operon fixlj, dont les produits activent, en symbiose et en culture pure microaerobie, l'expression des genes regulateurs nifa et fixk. Le signal eliciteur de l'expression des genes nifa et fixk est vraisemblablement la faible pression partielle d'oxygene regnant a l'interieur de la nodosite. Fixl et fixj appartiennent a une famille de systemes a deux composants tres repandus chez les procaryotes et jouant un role dans la reponse adaptative. Selon le modele explicatif de leur fonctionnement, fixl en reponse a la microaerobiose activerait par phosphorylation fixj, qui deviendrait alors un activateur transcriptionnel efficace des genes nifa et fixk. Nous avons demontre, en utilisant un systeme de transcription in vitro, que fixj est le regulateur positif direct des genes nifa et fixk; fixj active la transcription des genes cibles en conjonction avec le facteur sigma 70. En presence d'atp et de fixl qui est une hemoproteine-kinase, l'anaerobiose stimule, in vitro, l'activite transcriptionnelle de fixj. Fixl est le capteur primaire du signal oxygene et controle l'activite du regulateur fixj, en reponse aux variations d'oxygenation, en modulant son degre de phosphorylation. Un mutant de fixj dans lequel le residu aspartyl 54 est remplace par un residu asparaginyl ne repond plus a la concentration en oxygene. Ces resultats constituent le premier exemple, parmi les systemes a deux composants, d'un signal de l'environnement regulant l'expression de genes cibles dans un systeme entierement reconstitue in vitro

Dans ce travail, le traitement des nutriments et plus particulièrement celui de l’azote en procédé de granulation aérobie a été étudié. L’approche expérimentale a dans un premier temps eu pour objet de comparer la stabilité des caractéristiques physiques et microbiologiques d’agrégats développés dans deux réacteurs fonctionnant en alternances de phases anaérobie / aérobie ou anoxie / aérobie. L’opération d’un procédé de granulation aérobie en alternance de phases anoxie / aérobie a favorisé la stabilisation des performances de traitement de l’azote et notamment celle de la nitrification. Le développement d’une boue hybride comprenant une fraction de flocs et de granules a été observé. Dans le but d’évaluer comment le caractère hybride de la boue obtenue en conditions anoxie/aérobie oriente les performances et vitesses de transformation de l’azote, une caractérisation ex-situ des limitations au transfert d’oxygène au sein des flocs, granules et boue hybride a été réalisée par respirométrie. En complément, la localisation des espèces nitrifiantes par la technique d’hybridation fluorescente in situ (FISH) a été réalisée. Les résultats obtenus indiquent que la présence de flocs au sein d’une boue granulaire permet d’augmenter la vitesse de la nitrification, en particulier pour de faibles concentrations en oxygène dissous. D’autre part, il est ici mis en évidence la nécessité de contrôler simultanément le ratio floc/granules et la taille des granules en vue de l’optimisation du traitement de l’azote.Enfin un outil mathématique permettant de décrire les phénomènes réactionnels ayant lieu au sein d’une biomasse hybride a été développé. Celui-ci a été employé dans le but d’optimiser le fonctionnement du procédé hybride par l’évaluation de l’effet des propriétés physiques de la biomasse, et plus particulièrement de la proportion de granules en présence, pouvant conduire à une élimination efficace de l’azote et à l’augmentation de la robustesse du procédé vis-à-vis de diminutions ponctuelles de l’oxygène dissous
In this work, the treatment of nutrients, especially that of nitrogen in aerobic granulation process was studied.The experimental approach has initially been intended to compare the stability and the physical and microbiological characteristics of aggregates developed in two reactors operating in alternating anaerobic / aerobic or anoxic / aerobic conditions. The presence of a pre-anoxic phase promoted the stabilization of nitrogen removal performances and especially those of nitrification. The development of a hybrid sludge process containing a fraction of flocs and granules was observed.In order to evaluate and quantify the influence of the simultaneous presence of flocs and granules in the nitrifying activity of the hybrid sludge developed in the alternating anoxic / aerobic conditions, the nitrification rate and oxygen limitation of flocs, granules and hybrid sludge was assessed using respirometric assays at different dissolved oxygen concentrations. The spatial distribution of nitrifying bacteria was investigated using fluorescence in situ hybridization (FISH). Results indicated that the presence of flocs with granules could increase the rate of nitrification to transitory reductions of aeration. On the other hand, the optimization of nitrogen removal requires the simultaneous control of the floc to granule ratio and granule size.Finally, a mathematical model to describe the reaction phenomena taking place in the hybrid biomass was developed. It was used in order to optimize the operation of the hybrid process through the evaluation of the effect of physical properties of biomass, specifically the ratio of granules and flocs in the reactor that can lead to efficient removal of nitrogen and increase the robustness of the process