Evolutionary switch and genetic convergence on rbcL following the evolution of C4 photosynthesis.

Rubisco is responsible for the fixation of CO2 into organic compounds through photosynthesis and thus has a great agronomic importance. It is well established that this enzyme suffers from a slow catalysis, and its low specificity results into photorespiration, which is considered as an energy waste for the plant. However, natural variations exist, and some Rubisco lineages, such as in C4 plants, exhibit higher catalytic efficiencies coupled to lower specificities. These C4 kinetics could have evolved as an adaptation to the higher CO2 concentration present in C4 photosynthetic cells. In this study, using phylogenetic analyses on a large data set of C3 and C4 monocots, we showed that the rbcL gene, which encodes the large subunit of Rubisco, evolved under positive selection in independent C4 lineages. This confirms that selective pressures on Rubisco have been switched in C4 plants by the high CO2 environment prevailing in their photosynthetic cells. Eight rbcL codons evolving under positive selection in C4 clades were involved in parallel changes among the 23 independent monocot C4 lineages included in this study. These amino acids are potentially responsible for the C4 kinetics, and their identification opens new roads for human-directed Rubisco engineering. The introgression of C4-like high-efficiency Rubisco would strongly enhance C3 crop yields in the future CO2-enriched atmosphere.

Aplicació de la termoquimiolisi - cromatografia de gasos - espectrometria de masses a l'estudi de la matèria orgànica del sòl

Estudi realitzat a partir d’una estada a la Université de Poitiers, França, entre 2007 i 2009. El treball s'ha centrat en dues activitats bàsiques. El treball realitzat s’ha centrat en dues activitats bàsiques. D’una banda, la posada a punt d'un protocol de fraccionament de la matèria orgànica del sòl, per extraccions successives amb solvents alcalins després d'una seqüència de pretractaments al sòl: cap pretractament, atac amb àcid (per destruir els carbonats), atac amb ditionit (per reduir els òxids de Fe i Al i facilitar l'extracció de la matèria orgànica associada a aquests compostos). El protocol dóna una visió de conjunt de la situació de la matèria orgànica del sòl, combinant aspectes físics (protecció, precipitació, oclusió per carbonats) i químics (grau d'humificació). D’altra banda, l'aprenentatge de la tècnica de termoquimiolisi-cromatografia de gasos-espectrometria de masses. Aquest era l'objectiu de l'estada a Poitiers, al qual hem donat prioritat. Ens hem centrat en l'estudi de fraccions físiques (densimètriques) obtingudes en estudis anteriors sobre sòls forestals. Les fraccions considerades són: fracció lleugera (FL), tres fraccions ocluïdes (OC1, OC2 i OC3) i fracció densa (FD). L’aplicació de la termoquimiolisi permet de caracteritzar diversos grups de substàncies, de les quals ens hem centrat en alguns indicadors bioquímics: àcids grasos, alcohols, diàcids, productes fenòlics i altres productes aromàtics, derivats de carbohidrats. L’estudi de conjunt d’aquests productes indica que és a les fraccions ocluïdes (que solen ser minoritàries a tots els horitzons) on la matèria orgànica d’origen microbià és dominant, mentre que a les fraccions lleugera (FL) i densa (FD) la matèria orgànica d’origen vegetal sembla dominant. Es preveu aplicar aquesta tècnica a l’estudi de les fraccions obtingudes a la primera part del treball, actualment congelades i a l’espera de ser processades.

Multimodel inference and multimodel averaging in empirical modeling of occupational exposure levels.

Empirical modeling of exposure levels has been popular for identifying exposure determinants in occupational hygiene. Traditional data-driven methods used to choose a model on which to base inferences have typically not accounted for the uncertainty linked to the process of selecting the final model. Several new approaches propose making statistical inferences from a set of plausible models rather than from a single model regarded as 'best'. This paper introduces the multimodel averaging approach described in the monograph by Burnham and Anderson. In their approach, a set of plausible models are defined a priori by taking into account the sample size and previous knowledge of variables influent on exposure levels. The Akaike information criterion is then calculated to evaluate the relative support of the data for each model, expressed as Akaike weight, to be interpreted as the probability of the model being the best approximating model given the model set. The model weights can then be used to rank models, quantify the evidence favoring one over another, perform multimodel prediction, estimate the relative influence of the potential predictors and estimate multimodel-averaged effects of determinants. The whole approach is illustrated with the analysis of a data set of 1500 volatile organic compound exposure levels collected by the Institute for work and health (Lausanne, Switzerland) over 20 years, each concentration having been divided by the relevant Swiss occupational exposure limit and log-transformed before analysis. Multimodel inference represents a promising procedure for modeling exposure levels that incorporates the notion that several models can be supported by the data and permits to evaluate to a certain extent model selection uncertainty, which is seldom mentioned in current practice.

Negative Fukui functions: new insights based on electronegativity equalization

The occurrence of negative values for Fukui functions was studied through the electronegativity equalization method. Using algebraic relations between Fukui functions and different other conceptual DFT quantities on the one hand and the hardness matrix on the other hand, expressions were obtained for Fukui functions for several archetypical small molecules. Based on EEM calculations for large molecular sets, no negative Fukui functions were found

The mapping of the local contributions of Fermi and Coulomb correlation into intracule and extracule density distributions

The contributions of the correlated and uncorrelated components of the electron-pair density to atomic and molecular intracule I(r) and extracule E(R) densities and its Laplacian functions ∇2I(r) and ∇2E(R) are analyzed at the Hartree-Fock (HF) and configuration interaction (CI) levels of theory. The topologies of the uncorrelated components of these functions can be rationalized in terms of the corresponding one-electron densities. In contrast, by analyzing the correlated components of I(r) and E(R), namely, IC(r) and EC(R), the effect of electron Fermi and Coulomb correlation can be assessed at the HF and CI levels of theory. Moreover, the contribution of Coulomb correlation can be isolated by means of difference maps between IC(r) and EC(R) distributions calculated at the two levels of theory. As application examples, the He, Ne, and Ar atomic series, the C2-2, N2, O2+2 molecular series, and the C2H4 molecule have been investigated. For these atoms and molecules, it is found that Fermi correlation accounts for the main characteristics of IC(r) and EC(R), with Coulomb correlation increasing slightly the locality of these functions at the CI level of theory. Furthermore, IC(r), EC(R), and the associated Laplacian functions, reveal the short-ranged nature and high isotropy of Fermi and Coulomb correlation in atoms and molecules

Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.

Producción primaria en el ambiente marino en el Pacífico sudeste, Perú, 1960-2000

Los resultados de investigación sobre producción primaria dentro del alcance interdisciplinario del ambiente marino frente a la costa peruana incluyen estudios nacionales, extranjeros y de investigación conjunta a través de proyectos internacionales (1960-2000). La circulación en la costa peruana es dominada por una corriente hacia el ecuador en una capa de 20 a 50 m. La estructura de plumas del afloramiento se presenta en cada área y podría ser la clave para el desarrollo de cadenas cortas y productivas: fitoplancton peces clupeidos. La distribución de nutrientes sigue la pluma de temperatura, con altos valores en la costa y bajos lejos de la costa; la clorofila muestra mínimos valores cerca de la costa (10 mn) que se incrementa al alejarse. El crecimiento del fitoplancton en aguas peruanas, varía de 0,5 a 0,8 d/d. En aguas recién afloradas el crecimiento es limitado por falta de “condicionamiento biológico” y de compuestos orgánicos (15°S). Estos tipos de agua pueden estar relacionados con las “aguas azules” de altos nutrientes y pobre fitoplancton con células de pequeño tamaño (clorofila <2 μg/L) y con “aguas marrones” con denso fitoplancton, (clorofila >5 μg/L), mayor diversidad y con células de diámetro >5μ. La media de producción primaria fue 3 gC/m2/d (1960-1985), comparable a la mayoría de estudios en los cuales varía entre 3 y 4 gC/m2/d en la franja costera, el último valor es altamente variable en espacio, siendo más frecuente dentro de 10 km. Valores mayores de 12 gC/m2/d se encontraron en el afloramiento de Chimbote. El Niño, La Niña y fases del ENSO, afectan la producción primaria. Las temperaturas bajas originan cambios en la composición química del fitoplancton y reducen el índice de productividad mgC/mgclor-a/d que también es atribuido a limitaciones de luz.

Aluminum hydroxy-interlayered minerals and chemical properties of a subtropical Brazilian Oxisol under no-tillage and conventional tillage

No tillage systems significantly influence the soil system, but knowledge about the effects on the mineralogy of tropical and subtropical soils is limited. This study evaluated the long-term effects (26 years) of no-tillage (NT) on aluminum hydroxy-interlayered minerals of a subtropical Oxisol in Southern Brazil (Guarapuava, PR), compared to the same soil under conventional tillage (CT). The clay fraction (< 2 µm) in soil samples of the surface horizons of a field experiment under both management systems was analyzed by X-ray diffraction (XRD) to identify and characterize Al hydroxy-interlayered minerals before and after treatment with sodium citrate to remove intra-layer material. Soil liquid (solution) and solid phases were also characterized. The contents of total organic C, exchangeable cations, P, and the values of extractable acidity and cation exchange capacity as well as electrical conductivity and levels of dissolved organic C, basic cations, aluminum, Si, and sulfur in the soil solution were higher in the NT soil. Under both soil management systems, more than 90 % of the total soluble Al was complexed with organic compounds, with similar Al activity. No significant changes were detected by 2:1 clay mineral XRD analyses in terms of extension or intercalation of Al-hydroxy-polymers in the no-tilled in comparison to the conventionally tilled soil. In both soil management systems, Al and Si activities in the soil solution indicated thermodynamic stability of 2:1 clay minerals with partially occupied by hydroxy-Al, suggesting deceleration in the intercalation process and a tendency of transforming clay minerals from extensive into partial intercalation.

Nitrogen washing from C3 and C4 cover grasses residues by rain

Crop species with the C4 photosynthetic pathway are more efficient in assimilating N than C3 plants, which results in different N amounts prone to be washed from its straw by rain water. Such differences may affect N recycling in agricultural systems where these species are grown as cover crops. In this experiment, phytomass production and N leaching from the straw of grasses with different photosynthetic pathways were studied in response to N application. Pearl millet (Pennisetum glaucum) and congo grass (Brachiaria ruziziensis) with the C4 photosynthetic pathway, and black oat (Avena Strigosa) and triticale (X Triticosecale), with the C3 photosynthetic pathway, were grown for 47 days. After determining dry matter yields and N and C contents, a 30 mm rainfall was simulated over 8 t ha-1 of dry matter of each plant residue and the leached amounts of ammonium and nitrate were determined. C4 grasses responded to higher fertilizer rates, whereas N contents in plant tissue were lower. The amount of N leached from C4 grass residues was lower, probably because the C/N ratio is higher and N is more tightly bound to organic compounds. When planning a crop rotation system it is important to take into account the difference in N release of different plant residues which may affect N nutrition of the subsequent crop.

Cyst-based ecotoxicological tests using Anostracans: comparison of two species of Streptocephalus

Cyst-based ecotoxicological tests are simple and low-cost methods for assessing acute toxicity. Nevertheless, only a few comparative studies on their sensitivity are known. In the present study, the suitability of the use of two freshwater Anostracan species, Streptocephalus rubricaudatus and S. texanus, was assessed. The impact of 16 priority pollutants (4 heavy metals, 11 organic, and 1 organometallic compounds) on these two species, as well as on Artemia salina (Artoxkit M), Daphnia magna (International Organization for Standardization 6341), and S. proboscideus (Streptoxkit F) was assessed. For indicative comparison, bioassays using Brachionus calyciflorus (Rotoxkit F) and Photobacterium phosphoreum (Microtox) were also performed. For heavy metals (K2Cr2O7, Cd2+, Zn2+, Cu2+), the sensitivity of the two studied Streptocephalus species was slightly higher than that of D. magna. It was significantly more elevated than for the marine A. salina. For organic and organometallic micropollutants [phenol, 3,5-dichlorophenol, pentachlorophenol (PCP), hydroquinone, linear alkylbenzene sulfonate, sodium dodecyl sulfate, tributylphosphate, dimethylphthalate, atrazine, lindane, malathion, tributyltin chloride (TBT-Cl)], the sensitivity of the 4 anostracan species was of the same order of magnitude as that of D. magna. Artemia salina was slightly less sensitive to some organic compounds (PCP, hydroquinone, TBT-Cl). The sensitivity of S. rubricaudatus to organic solvents was low. On the other hand, this anostracan was quite sensitive to NaCl. Thus, its use is restricted to freshwater samples. The evaluation of global practicability of these two tests confirms that cyst-based freshwater anostracans may be used to perform low-cost tests at a sensitivity comparable to that of D. magna (24 h immobilization test).

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Liming in Agricultural Production Models with and Without the Adoption of Crop-Livestock Integration

ABSTRACT Perennial forage crops used in crop-livestock integration (CLI) are able to accumulate large amounts of straw on the soil surface in no-tillage system (NTS). In addition, they can potentially produce large amounts of soluble organic compounds that help improving the efficiency of liming in the subsurface, which favors root growth, thus reducing the risks of loss in yield during dry spells and the harmful effects of “overliming”. The aim of this study was to test the effects of liming on two models of agricultural production, with and without crop-livestock integration, for 2 years. Thus, an experiment was conducted in a Latossolo Vermelho (Oxisol) with a very clayey texture located in an agricultural area under the NTS in Bandeirantes, PR, Brazil. Liming was performed to increase base saturation (V) to 65, 75, and 90 % while one plot per block was maintained without the application of lime (control). A randomized block experimental design was adopted arranged in split-plots and four plots/block, with four replications. The soil properties evaluated were: pH in CaCl2, soil organic matter (SOM), Ca, Mg, K, Al, and P. The effects of liming were observed to a greater depth and for a long period through mobilization of ions in the soil, leading to a reduction in SOM and Al concentration and an increase in pH and the levels of Ca and Mg. In the first crop year, adoption of CLI led to an increase in the levels of K and Mg and a reduction in the levels of SOM; however, in the second crop year, the rate of decline of SOM decreased compared to the decline observed in the first crop year, and the level of K increased, whereas that of P decreased. The extent of the effects of liming in terms of depth and improvement in the root environment from the treatments were observed only partially from the changes observed in the chemical properties studied.

Native folding of aggregation-prone recombinant proteins in Escherichia coli by osmolytes, plasmid- or benzyl alcohol-overexpressed molecular chaperones.

When massively expressed in bacteria, recombinant proteins often tend to misfold and accumulate as soluble and insoluble nonfunctional aggregates. A general strategy to improve the native folding of recombinant proteins is to increase the cellular concentration of viscous organic compounds, termed osmolytes, or of molecular chaperones that can prevent aggregation and can actively scavenge and convert aggregates into natively refoldable species. In this study, metal affinity purification (immobilized metal ion affinity chromatography [IMAC]), confirmed by resistance to trypsin digestion, was used to distinguish soluble aggregates from soluble nativelike proteins. Salt-induced accumulation of osmolytes during induced protein synthesis significantly improved IMAC yields of folding-recalcitrant proteins. Yet, the highest yields were obtained with cells coexpressing plasmid-encoded molecular chaperones DnaK-DnaJ-GrpE, ClpB, GroEL-GroES, and IbpA/B. Addition of the membrane fluidizer heat shock-inducer benzyl alcohol (BA) to the bacterial medium resulted in similar high yields as with plasmid-mediated chaperone coexpression. Our results suggest that simple BA-mediated induction of endogenous chaperones can substitute for the more demanding approach of chaperone coexpression. Combined strategies of osmolyte-induced native folding with heat-, BA-, or plasmid-induced chaperone coexpression can be thought to optimize yields of natively folded recombinant proteins in bacteria, for research and biotechnological purposes.

Age differences in biological monitoring of chemical exposure: a tentative description using a toxicokinetic model

AIM: Specific factors responsible for interindividual variability should be identified and their contribution quantified to improve the usefulness of biological monitoring. Among others, age is an easily identifiable determinant, which could play an important impact on biological variability. MATERIALS AND METHODS: A compartmental toxicokinetic model developed in previous studies for a series of metallic and organic compounds was applied to the description of age differences. Young male physiological and metabolic parameters, based on Reference Man information, were taken from preceding studies and were modified to take into account age based on available information about age differences. RESULTS: Numerical simulation using the kinetic model with the modified parameters indicates in some cases important differences due to age. The expected changes are mostly of the order of 10-20%, but differences up to 50% were observed in some cases. CONCLUSION: These differences appear to depend on the chemical and on the biological entity considered. Further work should be done to improve our estimates of these parameters, by considering for example uncertainty and variability in these parameters. [Authors]

Pauson-Khand Adducts of N-Boc-propargylamine: A New Approach to 4,5-Disubstituted Cyclopentenones

A new approach to the synthesis of 4,5-disubstituted cyclopentenones is described. The strategy is based on the Pauson-Khand (PK) reaction of norbornadiene and N-Boc-propargylamine as alkyne with a masked leaving group, which can be eliminated at will. This approach to the synthesis of 4,5-disubstituted cyclopentenones overcomes the problem of using the alkylation to introduce the alpha-side-chain. As an example, prostane 13-epi-12-oxo-phytodienoic acid (13-epi-12-oxo-PDA) methyl ester was synthesized.