Numerical simulation of dendrite growth during solidification

A comprehensive probabilistic model for simulating dendrite morphology and investigating dendritic growth kinetics during solidification has been developed, based on a modified Cellular Automaton (mCA) for microscopic modeling of nucleation, growth of crystals and solute diffusion. The mCA model numerically calculated solute redistribution both in the solid and liquid phases, the curvature of dendrite tips and the growth anisotropy. This modeling takes account of thermal, curvature and solute diffusion effects. Therefore, it can simulate microstructure formation both on the scale of the dendrite tip length. This model was then applied for simulating dendritic solidification of an Al-7%Si alloy. Both directional and equiaxed dendritic growth has been performed to investigate the growth anisotropy and cooling rate on dendrite morphology. Furthermore, the competitive growth and selection of dendritic crystals have also investigated.

Growth regime map for liquid-bound granules: further development and experimental validation

An attempt was made to quantify the boundaries and validate the granule growth regime map for liquid-bound granules recently proposed by Iveson and Litster (AlChE J. 44 (1998) 1510). This regime map postulates that the type of granule growth behaviour is a function of only two dimensionless groups: the amount of granule deformation during collision (characterised by a Stokes deformation number, St(def)) and the maximum granule pore saturation, s(max). The results of experiments performed with a range of materials (glass ballotini, iron ore fines, copper chalcopyrite powder and a sodium sulphate and cellulose mixture) using both drum and high shear mixer granulators were examined. The drum granulation results gave good agreement with the proposed regime map. The boundary between crumb and steady growth occurs at St(def) of order 0.1 and the boundary between steady and induction growth occurs at St(def) of order 0.001. The nucleation only boundary occurs at pore saturations that increase from 70% to 80% with decreasing St(def). However, the high shear mixer results all had St(def) numbers which were too large. This is most likely to be because the chopper tip-speed is an over-estimate of the average impact velocity granules experience and possibly also due to the dynamic yield strength of the materials being significantly greater than the yield strengths measured at low strain rates. Hence, the map is only a useful tool for comparing the granulation behaviour of different materials in the same device. Until we have a better understanding of the flow patterns and impact velocities in granulators, it cannot be used to compare different types of equipment. Theoretical considerations also revealed that several of the regime boundaries are also functions of additional parameters not explicitly contained on the map, such as binder viscosity. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Organisation and role of actin microfilaments during cellular growth and morphogenesis in the moss Physcomitrella patens

ABSTRACT The network of actin cytoskeleton is composed of actin filaments (F-actin) that are made by polymerisation of actin monomers and actin binding proteins. It is required for growth and morphogenesis of eukaryotic cells. The labelling of F-actin with constitutively expressed GFP-Talin (Kost et al., 1998) reveals the organisation of cellular actin networks in plants. Due to the lack of information on actin cytoskeleton through gametophytic development of the model moss plant Physcornitrella patens, stable transgenic lines overexpressing GFP-Talin were generated to detect F-actin structures. It is shown that the 35S promoter driven expression is not suitable for F-actin labelling in all cells. When it is replaced by the inducible heat-shock promoter Gmhsp17.3 from soybean, one hour mild heat stress at 37°C followed by recovery at 25°C is enough to induce efficient and transient labelling in all tissues without altering cellular morphology. The optimal observations of F-actin structures at different stages of moss development can be done between 12-18 hours after the induction. By using confocal microscopy, we demonstrate that stellated actin arrays were densely accumulated at the growing tip in regenerating protoplasts, apical protonemal cells and rhizoids and connected with a fine dispersed F-actin mesh. Following three-dimensional growth, the cortical star-like structures are widespread in the meristematic cells of developing bud and young gametophores. On the contrary, undulating networks of actin cables are found at the final stage of cell differentiation. During redifferentiation of mature leaf cells into protonemal filaments the rather stagnant web of actin cables is replaced by diffuse actin meshwork. In eukaryotes, nucleation of the actin monomers prior to their polymerization is driven by the seven-subunit ARP2/3 complex and formins. We cloned the gene encoding the ARP3 subunit of P. patens and generated arp3 mutants of the moss through gene disruption. The knockout of ARP3 affects the elongation of chloronemal cells and blocks further differentiation of caulonemal cells and rhizoids, and the gametophores are slightly stunted compared to wild-type. The arp mutants were created in the heat-shock inducible GFP-Talin strains allowing us to visualise a disorganised actin network and a lack of star-like actin cytoskeleton arrays. We conclude that ARP2/3 dependent nucleation of actin filaments is critical for the growth of filamentous cells, which in turn influences moss colonization. In complementation assays, the overexpression of Physcomitrella and Arab idopsis ARP3 genes in the moss arp3 mutant results in full recovery of wild type phenotype. In contrast the ARP3 subunit of fission yeast is not able to complement the moss arp3 mutant of moss indicating that regulation of the ARP2/3 dependent actin nucleation diverged in different kingdoms. RESUME Le réseau d'actine est composé de filaments de F-actine et d'un ensemble de protéines s'y attachant (Actin binding proteins). Le réseau d'actine est nécessaire à la croissance et à la morphogenèse de toutes les cellules eucaryotes. Chez les plantes, le marquage ainsi que l'étude de l'organisation du réseau d'actine ont été réalisés en utilisant une fusion GFP-Talin (Kost et al., 1998) exprimée sous le control d'un promoteur constitutif. Afin d'étudier les structures F-actine dans les cellules de Physcomitrella Patens et pour combler le manque d'information sur le développement des gamétophores, des lignées transgéniques stables surexprimant GFP-Talin ont été crées. Nous avons démontré que l'utilisation du promoteur 35S est inadéquate pour le marquage complet et homogène des filaments d'actine dans toutes les cellules de P. patens. Par contre, l'utilisation du promoteur inductible Gmhsp17.3 nous a permis de réaliser un marquage transitoire et général dans tous les tissus de la mousse. Une heure de choc thermique à 37°C suivis d'un temps de récupération de 12-18h à 25°C sont les conditions optimales (sans dommages cellulaires) pour l'observation des structures F-actine à différentes étapes de développement de la mousse. En utilisant la microscopie confocale, nous avons observé l'existence de structures F-actine accumulées en forme d'étoiles. Ces structures, qui sont liées au réseau de microfilaments d'actine, ont été observées dans les protoplastes en régénération, les cellules des protonema apicales ainsi que dans les rhizoïdes. En suivant la croissance tridimensionnelle, ces structures en étoiles ont été observées dans les cellules meristématiques des bourgeons et des jeunes gamétophores. Par contre, dans les cellules différentiées ces structures laissent place à des réseaux de câbles épais. Nous avons également remarqué que durant la redifferentiation des cellules foliaires le réseau de câbles de F-actine est remplacé par un réseau de F-actine diffus. Dans les cellules eucaryotes, la nucléation des filaments d'actirie précédant leur polymérisation est contrôlé par sept sous unités du complexe ARP2/3 et par des formines. Nous avons isolé le gène codant pour la sous unité ARP3 de P. patens et nous avons crée des mutants arp3 par intégration ciblée (Knockout). L'élongation des cellules chloronema est clairement affectée dans les mutants arp3. La différentiation des caulonemata et des rhizoïdes est bloquée et les gametophores sont légèrement plus courts comparé au type sauvage. A fin d'étudier l'organisation des filaments d'actines dans les mutants arp3, nous avons aussi réalisé un arp3-knockout dans la lignée Hsp-GFP-Talin. La nouvelle lignée générée nous a permis de visualiser une désorganisation du réseau d'actine et une absence complète de structures de F-actine accumulée en forme d'étoiles. Les résultats obtenus nous amènent à conclure que la nucléation (ARP2/3 dépendante) des filaments d'actine est indispensable à la croissance des cellules filamenteuses. Par conséquent, les filaments d'actine semblent avoir un rôle dans la colonisation des milieux par les mousses. Nous avons également procédé à des essais de complémentation du mutant arp3. La surexpression des gènes ARP3 de Physcomitrella et d'Arabidopsis dans les cellules du mutant arp3 rétabli complètement le phénotype WT. Par contre, le gène ARP3 des levures n'est pas suffisant pour complémenter la même mutation dans les cellules de mousses. Ce résultat démontre que les mécanismes de régulation de la nucléation des filaments d'actine (ARP2/3 dépendante) sont différents entre les différents groupes d'eucaryotes.

Leaf development and growth of selected sugarcane clones in a subtropical environment

The objective of this work was to compare phyllochron and leaf area on individual stalks of selected sugarcane (Saccharum officinarum) clones grown in a subtropical environment. A two-year field experiment was carried out in Santa Maria, RS, Brazil, during the 2007/2008 and 2008/2009 growing seasons. Three sugarcane clones were used: IAC 822045 (early), SP 711406 (median) and CB 4176 (late), in a complete randomized block design, with four replications. Expanded leaf and total leaf (tips) number were determined, and expanded leaf area was measured. The phyllochron (ºC day leaf-1) based on expanded and tip leaf number was estimated, using 10ºC as base temperature. Allometric relationships between individual area and number of expanded leaves were fitted. Phyllochron was analysed as a four-factor experiment: clone, growing season, phyllochron phase, and phyllochron type. The early clone had the greatest potential for growing in a subtropical climate because of higher leaf output and leaf area.

Growth mechanisms and timing of emplacement of a vertically layered mafic intrusion in the feeder zone of an ocean island volcano (Fuerteventura, Canary islands)

Résumé pour le grand public L'île de Fuerteventura (Canaries) offre l'occasion rare d'observer les racines d'un volcan océanique édifié il y a 25 à 30 millions d'années et complètement érodé. On y voit de nombreux petits plutons de forme et composition variées, témoignant d'autant d'épisodes de l'activité magmatique. L'un de ces plutons, appelé PX1, présente une structure inhabituelle formée d'une alternance de bandes verticales d'épaisseur métrique à hectométrique de roches sombres de composition pyroxénilique ou gabbroïque. Les pyroxénites résultent clairement de l'accumulation de cristaux de pyroxènes et non de la simple solidification d'un magma? Se pose dès lors la question de la nature du processus qui a conduit à l'accumulation verticale de niveaux concentrés en pyroxènes. En effet, les litages pyroxénitiques classiques sont subhorizontaux, car ils résultent de l'accumulation gravitaire des cristaux séparés du magma dont ils cristalli¬sent par sédimentation. Cette étude vise à identifier et comprendre les mécanismes qui ont engendré ce Iitage minéralogique vertical et l'im¬portant volume de ces faciès cumulatifs. Nous nous sommes également intéressés aux conditions de pression et de température régnant au moment de la mise en place du pluton, ainsi qu'à sa durée de vie et à sa vitesse de refroidis¬sement. Enfin une approche géochimique nous a permis de préciser la nature de la source mantellique des magmas liés à cette activité magmatique. PX1 est en réalité un complexe filonien formé à des conditions de pression et de température de 1-2 kbar et 1050- 1100°C; sa construction a nécessité au moins 150 km3 de magma. L'alternance d'horizons gabbroïques et pyroxéniti¬ques représente des injections successives de magma sous la forme de filons verticaux, mis en place dans un contexte régional en extension. L'étude des orientations des minéraux dans ces faciès révèle que les horizons gabbroïques enregistrent l'extension régionale, alors que les pyroxénites sont générées par une compaction au sein du pluton. Ceci suggère que le régime des contraintes, qui était extensif lors de l'initiation de la mise en place de PX1, est pério¬diquement devenu compressif au sein même du pluton. Cette compression serait liée à des cycles de mise en place où la vitesse de croissance du pluton dépassait celle de l'extension régionale. La différenciation observée au sein de chaque horizon, depuis des pyroxénites riches en olivine jusqu'à des pyroxé¬nites à plagioclase interstitiel et des gabbros, ainsi que la composition géochimique des minéraux qui les constituent suggèrent que chaque filon vertical s'est mis en place à partir d'un magma de composition identique, puis a évolué indépendamment des autres en fonction du régime thermique et du régime des contraintes local. Lorsque le magma en train de cristalliser s'est trouvé en compression, le liquide résiduel a été séparé des cristaux déjà formés et extrait du système, laissant derrière lui une accumulation de cristaux dont la nature et les proportions dépendaient du stade de cristallisation atteint par le magma au moment de l'extraction. Ainsi, les niveaux de pyroxénites à olivine (premier minéral à cristalliser) ont été formés lorsque le magma correspondant était encore peu cristallisé; à l'inverse, les py¬roxénites riches en plagioclase (minéral plus tardif dans la séquence de cristallisation) et certains gabbros à caractère cumulatif résultent d'une compression tardive dans le processus de cristallisation du filon concerné. Les liquides résiduels extraits des niveaux pyroxénitiques sont rarement observés dans PX1, certaines poches et filonets de com¬position anorthositique pourraient en être les témoins. L'essentiel de ces liquides a probablement gagné des niveaux supérieurs du pluton, voire la surface du volcan. L'origine du régime compressif périodique affectant les filons en voie de cristallisation est attribuée aux injections suivantes de magma au sein du pluton, qui se sont succédées à un rythme plus rapide que la vitesse de consolidation des filons. Des datations U/Pb de haute précision sur des cristaux de zircon et de baddeleyite ainsi que40Ar/39Ar sur des cris¬taux d'amphibole révèlent une initiation de la mise en place de PX1 il y a 22.1 ± 0,7 Ma; celle-ci a duré quelque 0,48 ± 0,22 à 0,52 ± 0,29 Ma. Ce laps de temps est compatible avec celui nécessaire à la cristallisation des filons individuels, qui va de moins d'une année lors de l'initiation du magmatisme à 5 ans lors du maximum d'activité de PX1. La présence de cristaux résorbés enregistrant une cristallisation complexe suggère l'existence d'une chambre mag¬matique convective sous-jacente à PX1 et périodiquement rechargée. Les compositions isotopiques des roches étu¬diées révèlent une source mantellique profonde de type point chaud avec une contribution du manteau lithosphéri- que métasomatisé présent sous les îles Canaries. Résumé L'intrusion mafique Miocène PX1 fait partie du soubassement superficiel (0.15-0.2 GPa, 1100 °Q d'un volcan d'île océanique. La particularité de ce pluton est l'existence d'alternances d'unités de gabbros et de pyroxénites qui met¬tent en évidence un litage magmatique vertical (NNE-SSW). Les horizons gabbroiques et pyroxénitiques sont constitués d'unités de différenciation métriques qui suggèrent tine mise en place par injections périodiques de filons verticaux de magma formant un complexe filonien. Chaque filon vertical a subi une différenciation parallèle à un front de solidification sub-vertical parallèle aux bords du filon. Les pyroxénites résultent du fractionnement et de l'accumulation d'olivine ± clinopyroxene ± plagioclase à partir d'un magma basaltique faiblement alcalin et sont interprétées comme étant des imités de différenciation tronquées dont le liquide interstitiel a été extrait par compaction. L'orientation préférentielle des clinopyroxènes dans ces pyroxe- nites (obtenues par analyse EBSD et micro-tomographique) révèle une composante de cisaillement simple dans la genèse de ces roches, ce qui confirme cette interprétation. La compaction des pyroxénites est probablement causée par a mise en place de filons de magma suivants. Le liquide interstitiel expulsé est probablement par ces derniers. Les clinopyroxènes des gabbros, montrent une composante de cisaillement pure suggérant qu'ils sont affectés par une déformation syn-magmatique parallèle aux zones de cisaillement NNE-SSW observées autour de PX1 et liées au contexte tectonique Miocène d'extension régionale. Ceci suggère que les gabbros sont liés à des taux de mise en place faibles à la fin de cycles d'activité magmatique et sont peu ou pas affectés par la compaction. L'initiation et la géométrie de PX1 sont donc contrôlées par le contexte tectonique régional d'extension alors que les taux et les volumes de magma dépendent de facteurs liés à la source. Des taux d'injection élevés résultent probable¬ment en une croissance du pluton supérieure à la place crée par cette extension. Dans ce cas de figure, la propagation des nouveaux dykes et l'inaptitude du magma à circuler à travers les anciens dykes cristallisés pourrait causer une augmentation de la pression non-lithostatique sur ces derniers, exprimée par un cisaillement simple et l'expulsion du liquide interstitiel qu'ils contiennent (documenté par les zones de collecte anorthositiques). Les compositions en éléments majeurs et traces des gabbros et pyroxenites de PX1 sont globalement homogènes et dépendent de la nature cumulative des échantillons. Cependant, de petites variations des concentrations en éléments traces ainsi que les teneurs en éléments traces des bordures de clinopyroxenes suggèrent que ces derniers ont subi un processus de rééquilibrage et de cristallisation in situ. L'homogénéité des compositions chimiques des échantillons, ainsi que la présence de grains de clinopyroxene résorbés suggère que le complexe filonien PX1 s'est mis en place au dessus d'une chambre magmatique périodiquement rechargée dans laquelle la convection est efficace. Chaque filon est donc issu d'un même magma, mais a subi une différenciation par cristallisation in situ (jusqu'à 70% de fraction¬nement) indépendamment des autres. Dans ces filons cristallisés, les minéraux cumulatifs subissent un rééquilibrage partiel avec les liquide interstitiel avant que ce dernier ne soit expulsé lors de la compaction (mettant ainsi un terme à la différenciation). Ce modèle de mise en place signifie qu'un minimum de 150Km3 de magma est nécessaire à la genèse de PX1, une partie de ce volume ayant été émis par le 'Central Volcanic Complex' de Fuerteventura. Les rapports isotopiques radiogéniques mesurés révèlent la contribution de trois pôles mantelliques dans la genèse du magma formant PX1. Le mélange de ces pôles HIMU, DMM et EM1 refléterai l'interaction du point chaud Cana¬rien avec un manteau lithosphérique hétérogène métasomatisé. Les petites variations de ces rapports et des teneurs en éléments traces au sein des faciès pourrait refléter des taux de fusion partielle variable de la source, résultant en un échantillonnage variable du manteau lithosphérique métasomatisé lors de son interaction avec le point chaud. Des datations U/Pb de haute précision (TIMS) sur des cristaux de zircon et de baddeleyite extraits de gabbros de PX1 révèlent que l'initiation de la cristallisation du magma a eu lieu il y a 22.10±0.07 Ma et que l'activité magmatique a duré un minimum de 0.48 à 0.52 Ma. Des âges 40Ar/39Ar obtenus sur amphibole sont de 21.9 ± 0.6 à 21.8 ± 0.3 Ma, identiques aux âges U/Pb. La combinaison de ces méthodes de datations, suggère que le temps maximum nécessaire à PX1 pour se refroidir en dessous de la température de fermeture de l'amphibole est de 0.8Ma. Ceci signifie que la durée de vie de PX1 est de 520 000 à 800 000 ans. La coexistence de cristaux de baddeleyite et de zircon dans un gabbro est attribuée à son interaction avec un fluide riche en C02 relâché par les carbonatites encaissantes lors du métamorphisme de contact généré par la mise en place de PX1 environ 160 000 ans après le début de sa mise en place. Les durées de vie obtenue sont en accord avec le modèle de mise en place suggérant une durée de cristallisation poux chaque filon allant de 1 an à 5 ans. Abstract The Miocene PX1 gabbro-pyroxenite intrusion (Fuerteventura, Canary Islands), is interpreted as the shallow-level feeder-zone (0.15-0.2 GPa and 1100-1120°C), to an ocean island volcano. The particularity of PX1 is that it displays a NNE-SSW trending vertical magmatic banding expressed by alternating gabbro and pyroxeriite sequences. The gabbro and pyroxenite sequences consist of metre-thick differentiation units, which suggest emplacement by pe¬riodic injection of magma pulses as vertical dykes that amalgamated, similarly to a sub-volcanic sheeted dyke com¬plex. Individual dykes underwent internal differentiation following a solidification front (favoured by a significant lateral/horizontal thermal gradient) parallel to the dyke edges. Pyroxenitic layers result from the fractionation and accumulation of clinopyroxene ± olivine ± plagioclase crystals from a mildly alkaline basaltic liquid and are interpre¬ted as truncated differentiation sequences, from which residual melts were extracted by compaction. Clinopyroxene mineral orientation in pyroxenites (evidenced by EBSD and micro X-ray tomography analysis) display a marked pure shear component, supporting this interpretation. Compaction and squeezing of the crystal mush is ascribed to the incoming and inflating magma pulses. The resulting expelled interstitial liquid was likely collected and erupted along with the magma flowing through the newly injected dykes. Gabbro sequences represent crystallised coalesced magma batches, emplaced at lower rates at the end of eruptive cycles, and underwent minor melt extraction as evi¬denced by clinopyroxene orientations that record a simple shear component suggesting syn-magmatic deformation parallel to observed NNF.-SSW trending shear-zones induced by the regional tensional Miocene stress-field. The initiation and geometry of PX1 is controlled by the regional extensional tectonic regime whereas rates and vo¬lumes of magma depend on source-related factors. High injection rates are likely to induce intrusion growth rates larger than could be accommodated by the regional extension. In this case, dyke tip geometry and the inability of magma to circulate through previously emplaced and crystallised dykes could result in an increase of non-lithostatic pressure on previously emplaced mushy dyke walls; generating strong pure-shear compaction and interstitial melt expulsion within the feeder-zone as recorded by the cumulitic pyroxenite bands and anorthositic collection zones. The whole-rock major and trace-element chemistry of PX1 gabbros and pyroxenites is globally homogeneous and controlled by the cumulate nature of the samples (i.e. on the modal proportions of olivine, pyroxene, plagioclase and oxides). However, small variations of whole-rock trace-element contents as well as trace-element contents of clinopyroxene rims suggest that in-situ re-equilibration and crystallisation has occurred. Additionally, the global homogeneity and presence of complex zoning of rare resorbed clinopyroxene crystals suggest that the PX1 feeder- zone overlies a periodically replenished and efficiently mixed magma chamber. Each individual dyke of magma thus originated from a compositionally constant mildly alkaline magma and differentiated independently from the others reaching up to 70% fractionation. Following dyke arrest these are affected by interaction with the trapped interstitial liquid prior to its compaction-linked expulsion (thus stopping the differentiation process). This emplacement model implies that minimum amount of approximately 150 km3 of magma is needed to generate PX1, part of it having been erupted through the overlying Central Volcanic Complex of Fuerteventura. The radiogenic isotope ratios of PX1 samples reveal the contribution on three end-members during magma genesis. This mixing of the H1MU, EMI and DMM end-members could reflect the interaction of the deep-seated Canarian mantle plume with a heterogeneous metasomatic and sepentininsed lithospheric mantle. Additionally, the observed trace-element and isotopic variations within the same fades groups could reflect varying degrees of partial melting of the source region, thus tapping more or less large areas of the metasomatised lithospheric mantle during interac¬tion with the plume. High precision ID-TIMS U/Pb zircon and baddeleyite ages from the PX1 gabbro samples, indicate initiation of magma crystallisation at 22.10 ± 0.07 Ma. The magmatic activity lasted a minimum of 0.48 to 0.52 Ma. 40Ar/39Ar amphibole ages are of 21.9 ± 0.6 to 21.8 ± 0.3, identical within errors to the U/Pb ages. The combination of the 40Ar/39Ar and U/Pb datasets imply that the maximum amount of time PX1 took to cool below amphibole Tc is 0.8 Ma, suggesting PX1 lifetime of 520 000 to 800 000 years. On top of this, the coexistence of baddeleyite and zircon in a single sample is ascribed to the interaction of PX1 with C02-rich carbonatite-derived fluids released from the host-rock carbonatites during contact metamorphism 160 000 years after PX1 initiation. These ages are in agreement with the emplacement model, implying a crystallisation time of less than 1 to 5 years for individual dykes.

Cell wall composition regulates cell shape and growth behaviour in pollen tubes

L’une des particularités fondamentales caractérisant les cellules végétales des cellules animales est la présence de la paroi cellulaire entourant le protoplaste. La paroi cellulaire joue un rôle primordial dans (1) la protection du protoplaste, (2) est impliquée dans les mécanismes de filtration et (3) est le lieu de maintes réactions biochimiques nécessaires à la régulation du métabolisme et des propriétés mécaniques de la cellule. Les propriétés locales d’élasticité, d’extensibilité, de plasticité et de dureté des composants pariétaux déterminent la géométrie et la forme des cellules lors des processus de différentiation et de morphogenèse. Le but de ma thèse est de comprendre les rôles que jouent les différents composants pariétaux dans le modelage de la géométrie et le contrôle de la croissance des cellules végétales. Pour atteindre cet objectif, le modèle cellulaire sur lequel je me suis basé est le tube pollinique ou gamétophyte mâle. Le tube pollinique est une protubérance cellulaire qui se forme à partir du grain de pollen à la suite de son contact avec le stigmate. Sa fonction est la livraison des cellules spermatiques à l’ovaire pour effectuer la double fécondation. Le tube pollinique est une cellule à croissance apicale, caractérisée par la simple composition de sa paroi et par sa vitesse de croissance qui est la plus rapide du règne végétal. Ces propriétés uniques font du tube pollinique le modèle idéal pour l’étude des effets à courts termes du stress sur la croissance et le métabolisme cellulaire ainsi que sur les propriétés mécaniques de la paroi. La paroi du tube pollinique est composée de trois composantes polysaccharidiques : pectines, cellulose et callose et d’une multitude de protéines. Pour comprendre les effets que jouent ces différents composants dans la régulation de la croissance du tube pollinique, j’ai étudié les effets de mutations, de traitements enzymatiques, de l’hyper-gravité et de la gravité omni-directionnelle sur la paroi du tube pollinique. En utilisant des méthodes de modélisation mathématiques combinées à de la biologie moléculaire et de la microscopie à fluorescence et électronique à haute résolution, j’ai montré que (1) la régulation de la chimie des pectines est primordiale pour le contrôle du taux de croissance et de la forme du tube et que (2) la cellulose détermine le diamètre du tube pollinique en partie sub-apicale. De plus, j’ai examiné le rôle d’un groupe d’enzymes digestives de pectines exprimées durant le développement du tube pollinique : les pectate lyases. J’ai montré que ces enzymes sont requises lors de l’initiation de la germination du pollen. J’ai notamment directement prouvé que les pectate lyases sont sécrétées par le tube pollinique dans le but de faciliter sa pénétration au travers du style.

Studying the cytomechanic aspects of pollen tube growth behavior using Lab-On-Chip technology

L'élongation cellulaire de cellules cultivant bout comme hyphae fongueux, inculquez hairs, des tubes de pollen et des neurones, est limité au bout de la cellule, qui permet à ces cellules d'envahir l'encerclement substrate et atteindre une cible. Les cellules cultivant bout d'équipement sont entourées par le mur polysaccharide rigide qui régule la croissance et l'élongation de ces cellules, un mécanisme qui est radicalement différent des cellules non-walled. La compréhension du règlement du mur de cellule les propriétés mécaniques dans le contrôle de la croissance et du fonctionnement cellulaire du tube de pollen, une cellule rapidement grandissante d'équipement, est le but de ce projet. Le tube de pollen porte des spermatozoïdes du grain de pollen à l'ovule pour la fertilisation et sur sa voie du stigmate vers l'ovaire le tube de pollen envahit physiquement le stylar le tissu émettant de la fleur. Pour atteindre sa cible il doit aussi changer sa direction de croissance les temps multiples. Pour évaluer la conduite de tubes de pollen grandissants, un dans le système expérimental vitro basé sur la technologie de laboratoire-sur-fragment (LOC) et MEMS (les systèmes micro-électromécaniques) ont été conçus. En utilisant ces artifices nous avons mesuré une variété de propriétés physiques caractérisant le tube de pollen de Camélia, comme la croissance la croissance accélérée, envahissante et dilatant la force. Dans une des organisations expérimentales les tubes ont été exposés aux ouvertures en forme de fente faites de l'élastique PDMS (polydimethylsiloxane) la matière nous permettant de mesurer la force qu'un tube de pollen exerce pour dilater la croissance substrate. Cette capacité d'invasion est essentielle pour les tubes de pollen de leur permettre d'entrer dans les espaces intercellulaires étroits dans les tissus pistillar. Dans d'autres essais nous avons utilisé l'organisation microfluidic pour évaluer si les tubes de pollen peuvent s'allonger dans l'air et s'ils ont une mémoire directionnelle. Une des applications auxquelles le laboratoire s'intéresse est l'enquête de processus intracellulaires comme le mouvement d'organelles fluorescemment étiqueté ou les macromolécules pendant que les tubes de pollen grandissent dans les artifices LOC. Pour prouver que les artifices sont compatibles avec la microscopie optique à haute résolution et la microscopie de fluorescence, j'ai utilisé le colorant de styryl FM1-43 pour étiqueter le système endomembrane de tubes de pollen de cognassier du Japon de Camélia. L'observation du cône de vésicule, une agrégation d'endocytic et les vésicules exocytic dans le cytoplasme apical du bout de tube de pollen, n'a pas posé de problèmes des tubes de pollen trouvés dans le LOC. Pourtant, le colorant particulier en question a adhéré au sidewalls du LOC microfluidic le réseau, en faisant l'observation de tubes de pollen près du difficile sidewalls à cause du signal extrêmement fluorescent du mur. Cette propriété du colorant pourrait être utile de refléter la géométrie de réseau en faisant marcher dans le mode de fluorescence.

Effects of Organic and Inorganic Fertilizers on Growth and Yield of Banana (Musa AAA cv. Malindi) in Oman

The Sultanate of Oman is located on the south-eastern coast of the Arabian Peninsula, which lies on the south-western tip of the Asian continent. The strategic geographical locations of the Sultanate with its many maritime ports distributed on the Indian Ocean have historically made it one of the Arabian Peninsula leaders in the international maritime trade sector. Intensive trading relationships over long time periods have contributed to the high plant diversity seen in Oman where agricultural production depends entirely on irrigation from groundwater sources. As a consequence of the expansion of the irrigated area, groundwater depletion has increased, leading to the intrusion of seawater into freshwater aquifers. This phenomenon has caused water and soil salinity problems in large parts of the Al-Batinah governorate of Oman and threatens cultivated crops, including banana (Musa spp.). According to the Ministry of Agriculture and Fisheries, the majority of South Al-Batinah farms are affected by salinity (ECe > 4 dS m-1). As no alternative farmland is available, the reclamation of salt-affected soils using simple cultural practices is of paramount importance, but in Oman little scientific research has been conducted to develop such methods of reclamation. This doctoral study was initiated to help filling this research gap, particularly for bananas. A literature review of the banana cultivation history revealed that the banana germplasm on the Arabian Peninsula is probably introduced from Indonesia and India via maritime routes across the Indian Ocean and the Red Sea. In a second part of this dissertation, two experiments are described. A laboratory trial conducted at the University of Kassel, in Witzenhausen, Germany from June to July 2010. This incubation experiment was done to explore how C and N mineralization of composted dairy manure and date palm straw differed in alkaline non-saline and saline soils. Each soil was amended with four organic fertilizers: 1) composted dairy manure, 2) manure + 10% date palm straw, 3) manure + 30% date palm straw or 4) date palm straw alone, in addition to un-amended soils as control. The results showed that the saline soil had a lower soil organic C content and microbial biomass C than the non-saline soil. This led to lower mineralization rates of manure and date palm straw in the saline soil. In the non-saline soil, the application of manure and straw resulted in significant increases of CO2 emissions, equivalent to 2.5 and 30% of the added C, respectively. In the non-amended control treatment of the saline soil, the sum of CO2-C reached only 55% of the soil organic C in comparison with the non-saline soil. In which 66% of the added manure and 75% of the added straw were emitted, assuming that no interactions occurred between soil organic C, manure C and straw C during microbial decomposition. The application of straw always led to a net N immobilization compared to the control. Salinity had no specific effect on N mineralization as indicated by the CO2-C to Nmin ratio of soil organic matter and manure. However, N immobilization was markedly stronger in the saline soil. Date palm straw strongly promoted saprotrophic fungi in contrast to manure and the combined application of manure and date palm straw had synergistic positive effects on soil microorganisms. In the last week of incubation, net-N mineralization was observed in nearly all treatments. The strongest increase in microbial biomass C was observed in the manure + straw treatment. In both soils, manure had no effect on the fungi-specific membrane component ergosterol. In contrast, the application of straw resulted in strong increases of the ergosterol content. A field experiment was conducted on two adjacent fields at the Agricultural Research Station, Rumais (23°41’15” N, 57°59’1” E) in the South of Al-Batinah Plain in Oman from October 2007 to July 2009. In this experiment, the effects of 24 soil and fertilizer treatments on the growth and productivity of Musa AAA cv. 'Malindi' were evaluated. The treatments consisted of two soil types (saline and amended non-saline), two fertilizer application methods (mixed and ring applied), six fertilizer amendments (1: fresh dairy manure, 2: composted dairy manure, 3: composted dairy manure and 10% date palm straw, 4: composted dairy manure and 30% date palm straw, 5: only NPK, and 6: NPK and micronutrients). Sandy loam soil was imported from another part of Oman to amended the soil in the planting holes and create non-saline conditions in the root-zone. The results indicate that replacing the saline soil in the root zone by non-saline soil improved plant growth and yield more than fertilizer amendments or application methods. Particularly those plants on amended soil where NPK was applied using the ring method and which received micronutrients grew significantly faster to harvest (339 days), had a higher average bunch weight (9.5 kg/bunch) and were consequently more productive (10.6 tonnes/hectare/cycle) compared to the other treatments.

Growth of ZnO Nanorods on GaN Using Aqueous Solution Method

Uniformly distributed ZnO nanorods with diameter 80-120 nm and 1-2µm long have been successfully grown at low temperatures on GaN by using the inexpensive aqueous solution method. The formation of the ZnO nanorods and the growth parameters are controlled by reactant concentration, temperature and pH. No catalyst is required. The XRD studies show that the ZnO nanorods are single crystals and that they grow along the c axis of the crystal plane. The room temperature photoluminescence measurements have shown ultraviolet peaks at 388nm with high intensity, which are comparable to those found in high quality ZnO films. The mechanism of the nanorod growth in the aqueous solution is proposed. The dependence of the ZnO nanorods on the growth parameters was also investigated. While changing the growth temperature from 60°C to 150°C, the morphology of the ZnO nanorods changed from sharp tip with high aspect ratio to flat tip with smaller aspect ratio. These kinds of structure are useful in laser and field emission application.

HAWAIIAN SKIRT: an F-box gene that regulates organ fusion and growth in arabidopsis

A fast neutron-mutagenized population of Arabidopsis ( Arabidopsis thaliana) Columbia-0 wild-type plants was screened for floral phenotypes and a novel mutant, termed hawaiian skirt ( hws), was identified that failed to shed its reproductive organs. The mutation is the consequence of a 28 bp deletion that introduces a premature amber termination codon into the open reading frame of a putative F-box protein ( At3g61590). The most striking anatomical characteristic of hws plants is seen in flowers where individual sepals are fused along the lower part of their margins. Crossing of the abscission marker, Pro(PGAZAT):beta-glucuronidase, into the mutant reveals that while floral organs are retained it is not the consequence of a failure of abscission zone cells to differentiate. Anatomical analysis indicates that the fusion of sepal margins precludes shedding even though abscission, albeit delayed, does occur. Spatial and temporal characterization, using Pro(HWS):beta-glucuronidase or Pro(HWS):green fluorescent protein fusions, has identified HWS expression to be restricted to the stele and lateral root cap, cotyledonary margins, tip of the stigma, pollen, abscission zones, and developing seeds. Comparative phenotypic analyses performed on the hws mutant, Columbia-0 wild type, and Pro(35S):HWS ectopically expressing lines has revealed that loss of HWS results in greater growth of both aerial and below-ground organs while overexpressing the gene brings about a converse effect. These observations are consistent with HWS playing an important role in regulating plant growth and development.

Spatial and temporal effects of free-air CO2 enrichment (POPFACE) on leaf growth, cell expansion and cell production in a closed canopy of poplar

Leaf expansion in the fast-growing tree,Populus × euramericana was stimulated by elevated [CO2] in a closed-canopy forest plantation, exposed using a free air CO2 enrichment technique enabling long-term experimentation in field conditions. The effects of elevated [CO2] over time were characterized and related to the leaf plastochron index (LPI), and showed that leaf expansion was stimulated at very early (LPI, 0–3) and late (LPI, 6–8) stages in development. Early and late effects of elevated [CO2] were largely the result of increased cell expansion and increased cell production, respectively. Spatial effects of elevated [CO2] were also marked and increased final leaf size resulted from an effect on leaf area, but not leaf length, demonstrating changed leaf shape in response to [CO2]. Leaves exhibited a basipetal gradient of leaf development, investigated by defining seven interveinal areas, with growth ceasing first at the leaf tip. Interestingly, and in contrast to other reports, no spatial differences in epidermal cell size were apparent across the lamina, whereas a clear basipetal gradient in cell production rate was found. These data suggest that the rate and timing of cell production was more important in determining leaf shape, given the constant cell size across the leaf lamina. The effect of elevated [CO2] imposed on this developmental gradient suggested that leaf cell production continued longer in elevated [CO2] and that basal increases in cell production rate were also more important than altered cell expansion for increased final leaf size and altered leaf shape in elevated [CO2].

The tonoplast intrinsic aquaporin (TIP) subfamily of Eucalyptus grandis: Characterization of EgTIP2, a root-specific and osmotic stress-responsive gene

Aquaporins have important roles in various physiological processes in plants, including growth, development and adaptation to stress. In this study, a gene encoding a root-specific tonoplast intrinsic aquaporin (TIP) from Eucalyptus grandis (named EgTIP2) was investigated. The root-specific expression of EgTIP2 was validated over a panel of five eucalyptus organ/tissues. In eucalyptus roots, EgTIP2 expression was significantly induced by osmotic stress imposed by PEG treatment. Histochemical analysis of transgenic tobacco lines (Nicotiana tabacum SR1) harboring an EgTIP2 promoter:GUS reporter cassette revealed major GUS staining in the vasculature and in root tips. Consistent with its osmotic-stress inducible expression in eucalyptus, EgTIP2 promoter activity was up-regulated by mannitol treatment, but was down-regulated by abscisic acid. Taken together, these results suggest that EgTIP2 might be involved in eucalyptus response to drought. Additional searches in the eucalyptus genome revealed the presence of four additional putative TIP coding genes, which could be individually assigned to the classical TIP1-5 groups. © 2013 Elsevier B.V.

Influence of microstructure variability on short crack growth behavior

Fatigue life in metals is predicted utilizing regression analysis of large sets of experimental data, thus representing the material’s macroscopic response. Furthermore, a high variability in the short crack growth (SCG) rate has been observed in polycrystalline materials, in which the evolution and distributionof local plasticity is strongly influenced by the microstructure features. The present work serves to (a) identify the relationship between the crack driving force based on the local microstructure in the proximity of the crack-tip and (b) defines the correlation between scatter observed in the SCG rates to variability in the microstructure. A crystal plasticity model based on the fast Fourier transform formulation of the elasto-viscoplastic problem (CP-EVP-FFT) is used, since the ability to account for the both elastic and plastic regime is critical in fatigue. Fatigue is governed by slip irreversibility, resulting in crack growth, which starts to occur during local elasto-plastic transition. To investigate the effects of microstructure variability on the SCG rate, sets of different microstructure realizations are constructed, in which cracks of different length are introduced to mimic quasi-static SCG in engineering alloys. From these results, the behavior of the characteristic variables of different length scale are analyzed: (i) Von Mises stress fields (ii) resolved shear stress/strain in the pertinent slip systems, and (iii) slip accumulation/irreversibilities. Through fatigue indicator parameters (FIP), scatter within the SCG rates is related to variability in the microstructural features; the results demonstrate that this relationship between microstructure variability and uncertainty in fatigue behavior is critical for accurate fatigue life prediction.

Growth, modification and integration of carbon nanotubes into molecular electronics

Molecules are the smallest possible elements for electronic devices, with active elements for such devices typically a few Angstroms in footprint area. Owing to the possibility of producing ultrahigh density devices, tremendous effort has been invested in producing electronic junctions by using various types of molecules. The major issues for molecular electronics include (1) developing an effective scheme to connect molecules with the present micro- and nano-technology, (2) increasing the lifetime and stabilities of the devices, and (3) increasing their performance in comparison to the state-of-the-art devices. In this work, we attempt to use carbon nanotubes (CNTs) as the interconnecting nanoelectrodes between molecules and microelectrodes. The ultimate goal is to use two individual CNTs to sandwich molecules in a cross-bar configuration while having these CNTs connected with microelectrodes such that the junction displays the electronic character of the molecule chosen. We have successfully developed an effective scheme to connect molecules with CNTs, which is scalable to arrays of molecular electronic devices. To realize this far reaching goal, the following technical topics have been investigated. 1. Synthesis of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) by thermal chemical vapor deposition (T-CVD) and plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) techniques (Chapter 3). We have evaluated the potential use of tubular and bamboo-like MWCNTs grown by T-CVD and PE-CVD in terms of their structural properties. 2. Horizontal dispersion of MWCNTs with and without surfactants, and the integration of MWCNTs to microelectrodes using deposition by dielectrophoresis (DEP) (Chapter 4). We have systematically studied the use of surfactant molecules to disperse and horizontally align MWCNTs on substrates. In addition, DEP is shown to produce impurityfree placement of MWCNTs, forming connections between microelectrodes. We demonstrate the deposition density is tunable by both AC field strength and AC field frequency. 3. Etching of MWCNTs for the impurity-free nanoelectrodes (Chapter 5). We show that the residual Ni catalyst on MWCNTs can be removed by acid etching; the tip removal and collapsing of tubes into pyramids enhances the stability of field emission from the tube arrays. The acid-etching process can be used to functionalize the MWCNTs, which was used to make our initial CNT-nanoelectrode glucose sensors. Finally, lessons learned trying to perform spectroscopic analysis of the functionalized MWCNTs were vital for designing our final devices. 4. Molecular junction design and electrochemical synthesis of biphenyl molecules on carbon microelectrodes for all-carbon molecular devices (Chapter 6). Utilizing the experience gained on the work done so far, our final device design is described. We demonstrate the capability of preparing patterned glassy carbon films to serve as the bottom electrode in the new geometry. However, the molecular switching behavior of biphenyl was not observed by scanning tunneling microscopy (STM), mercury drop or fabricated glassy carbon/biphenyl/MWCNT junctions. Either the density of these molecules is not optimum for effective integration of devices using MWCNTs as the nanoelectrodes, or an electroactive contaminant was reduced instead of the ionic biphenyl species. 5. Self-assembly of octadecanethiol (ODT) molecules on gold microelectrodes for functional molecular devices (Chapter 7). We have realized an effective scheme to produce Au/ODT/MWCNT junctions by spanning MWCNTs across ODT-functionalized microelectrodes. A percentage of the resulting junctions retain the expected character of an ODT monolayer. While the process is not yet optimized, our successful junctions show that molecular electronic devices can be fabricated using simple processes such as photolithography, self-assembled monolayers and dielectrophoresis.

Domains of expansin gene expression define growth regions in the shoot apex of tomato

Expansins are members of a multigene family of extracellular proteins, which increase cell wall extensibility in vitro and thus are thought to be involved in cell expansion. The major significance of the presence of this large gene family may be that distinctly expressed genes can independently regulate cell expansion in place and time. Here we report on LeExp9, a new expansin gene from tomato, and compare its expression in the shoot tip with that of LeExp2 and LeExp18. LeExp18 gene is expressed in very young tissues of the tomato shoot apex and the transcript levels are upregulated in the incipient primordium. LeExp2 mRNA accumulated in more mature tissues and transcript levels correlated with cell elongation in the elongation zone. In situ hybridization experiments showed a uniform distribution of LeExp9 mRNA in submeristematic tissues. When gibberellin-deficient mutant tomatoes that lacked elongation of the internodes were treated with gibberellin, the phenotypic rescue was correlated with an increase in LeExp9 and LeExp2, but not LeExp18 levels. We propose that the three expansins define three distinct growing zones in the shoot tip. In the meristem proper, gibberellin-independent LeExp18 mediates the cell expansion that accompanies cell division. In the submeristematic zone, LeExp9 mediates cell expansion at a time that cell division comes to a halt. LeExp9 expression requires gibberellin but the hormone is not normally limiting. Finally, LeExp2 mediates cell elongation in young stem tissue. LeExp2 expression is limited by the available gibberellin. These data suggest that regulation of cell wall extensibility is controlled, at least in part, by differential regulation of expansin genes.