Changes in the magnitude and pattern of translocation of photoassimilated ¹CO in soybean plants following an acute exposure to gamma radiation /

Young soybean plants (Glycine ~. L. cultivar Harosoy '63), grown under controlled conditions, were exposed to gamma radiation on a single occasion. One hour following exposure to 3,750 rads, the mature trifoliate leaf of the soybean plant was isolated in a closed system and permitted to photoassimilate approximately 1-5 pCi of 14C02 for 15 minutes. After an additional 45 minute-period, the plant was sacrificed and the magnitude of translocation and distribution pattern of 14C determined. In the non-irradiated plants 18~ of the total 14C recovered was outside the fed leaf blades and of this translocated 14c, 28~ was above the node of the fed leaf, 38~ in the stem below the node, 28~ in the roots and 7~ in the petiole. As well, in the irradiated plants, a smaller per cent (6~) of the total 14 C recovered was exported out of the source leaf blades. Of this translocated 14c , a smaller per cent (20~) was found in the apical region above the node of the source leaf and a higher per cent (45~) was recovered from the stem below the node and in the petiole (11~). The per cent of exported 14 C recovered from the root was unaffected by the radiation. Replacement of the shoot apex with 20 ppm IAA immediately following irradiation, only J partially increased the magnitude of translocation but did completely restore the pattern of distribution to that observed in the non-irradiated plants. From supplementary studies showing a radiationinduced reduction of photosynthetic rates in the source leaf and a reduction of the cumulative stem and leaf lengths in the apical sink region, the observed effects of radiation on the translocation process have been correlated to damage incurred by the source and sink regions. These data suggest that the reduction in the magnitude of translocation is the result of damage to both the source and sink regions rather than the phloem conducting tissue itself, whereas the change in the pattern of translocation is probably the result of a reduced rate of 14C-assimilate movement caused by a radiation-induced decrease of sink metabolism, especially the decrease in the metabolism of the apical sink.

A relationship between photosynthesis and translocation in plants stressed by ionizing radiation

Since previous investigations have shown that low levels of ionizing radiation can induce a reduction in the rates of apparent photosynthesis and in the magnitude of photoassimilated l4C exported out of a leaf, the present studies were designed and conducted to determine the relationship, if any, between the radiation effects on these two physiological processes. The experiments were particularly designed to determine if the radiation-induced reduction in export is the result of the reduction in photosynthesis and hence availability of materials for translocation or the result of a reduction in the amount of energy available for the vein loading process. This study has shown that the radiation-induced reduction in l4C export out of a leaf is likely related to a loss of energy available for the vein loading process rather than a reduction in the supply of materials available for export due to reduced C02 uptake. The process of photophosphorylation was shown to be reduced by exposure to radiation to an extent similar to the reduction in the export of l4C which was also observed. Both of these processes returned to their pre-irradiation rates 120 minutes following radiatruon exposure. The rate of photosynthetic C02 uptake was also reduced by radiation exposur~ howeve~ this process did not return to the control level nor was the extent of reduction as large as observed for photophosphorylation and photoassimilate export. The observed relationship between the reductions of export and photoph~sphorylation pointed to the utilization of photosynthetically produced ATP in the vein loading process. The radiation-induced reduction in the export of l4C was observed at the highest light intensity used in this study which would also imply the involvement of the photophosphorylation process as an energy seurce for vein loading. The lack of radiation-induced reduction in export at low light intensities was interpreted as being due to the utilization of respiratory derived ATP, a process known to be insensitive to radiation at the levels used in this study, as the energy source for the vein loading process. Studies using plants not stressed by radiation showed that there was an increase in export of 14C with higher light intensities. In summary, the data has been interpreted as showing that at high light intensities the ATP, produced by photophosphorylation, is available for use in the vein loading process. The site of ATP utilization could not be determined from the data obtained in this study but possible sites have been indicated from the work done by other physiologists and are discussed in the thesis.

Meloidogne incognita (nematode) parasitism of Lycopersicon esculentum (tomato) plants : Ethylene action in susceptible and resistant host responses

Involvement of ethylene in the etiology of tomato plants (Lycopersicon esculentum) infected with the root-knot nematode (Meloidogyne incognita) was investigated. Endogenous root concentrations of ethylene were not significantly different in uninfected resistant var. Anahu and susceptible var. Vendor plants. Exposure of resistant plants to high doses of infectious nematode larvae did not affect root ethylene concentrations during the subsequent 30 day period. The possibility that ethylene may be involved in the mechanism of resistance is therefore not supported by these experiments. In no experiments did ethylene concentrations in roots of susceptible plants increase significantly subsequent to ~ incognita infestation. This result is not consistent with the hypothesis in the literature which suggests that increased ethylene production accompanies gall formation. Growth of susceptible tomato plants was affected by ~ incognita infestation such that root weights increased (due to galling), stem heights decreased and top weights increased. The possibility that alterations in stem growth resulted from increased production of 'stress' ethylene is discussed. Growth of resistant plants was unaffected by exposure to high doses of ~ incognita and galls were never detected on the roots of these plants. Root ethane concentrations generally varied in parallel with root ethylene concentrations although ethane concentrations were without exception greater. In 4 of 6 experiments conducted ethane/ethylene ratios increased significantly with time. These results are discussed in the light of published data on the relationship between ethane and ethylene synthesis. The term infested is used throughout this thesis in reference to plants whose root systems had been exposed to nematodes and does not distinguish between the susceptible and resistant response.

The effect of nitrate fertilization on the distribution of exported 14c-photosynthate in nodulated soybean (Glycine max (L.) Merr.) plants

Soybean (Glycine ~ (L.) Merr. cv. Harosoy 63) plants inoculated with Rhizobium japonicum were grown in vermiculite in the presence or absence of nitrate fertilization for up to 6 weeks after planting. Overall growth of nodulated plants was enhanced in the presence of nitrate fertilization, while the extent of nodule development was reduced. Although the number of nodules was not affected by nitrate fertilization when plants were grown at a light intensity limiting for photosynthesis, at light intensities approaching or exceeding the light saturation point for photosynthesis, nitrate fertilization resulted in at least a 30% reduction in nodule numbers. The mature, first trifoliate leaf of 21 day old plants was allowed to photoassimi1ate 14C02. One hour after·· the initial exposure to 14C02, the , plants were harvested and the 14C radioactivity was determined in the 80% ethanol-soluble fraction: in. o:rider to assess· "the extent of photoassimilate export and the pattern of distribution of exported 14C. The magnitude of 14C export was not affected by the presence of nitrate fertilization. However, there was a significant effect on the distribution pattern, particularly with regard to the partitioning of 14C-photosynthate between the nodules and the root tissue. In the presence of nitrate fertilization, less than 6% of the exported 14C photosynthate was recovered from the nodules, with much larger amounts (approximately 37%) being recovered from the root tissue. In the absence of nitrate fertilization, recovery of exported 14C-photosynthate from the nodules (19 to 27%) was approximately equal to that from the root tissue (24 to 33%). By initiating- or terminating the applications of nitrate at 14 days of age, it was determined that the period from day 14 to day 21 after planting was particularly significant for the development of nodules initiated earlier. Addition of nitrate fertilization at this time inhibited further nodule development while stimulating plant growth, whereas removal of nitrate fertilization stimulated nodule development. The results obtained are consistent with the hypothesis that nodule development is inhibited by nitrate fertilization through a reduction in the availability of photosynthate to the nodules.

The effects of plants(Typha Latifolia)and root-bed medium on the treatment of domestic sewage within a vertical flow constructed wetland /

The effect that plants {Typha latifolia) as well as root-bed medium physical and chemical characteristics have on the treatment of primary treated domestic wastewater within a vertical flow constructed wetland system was investigated. Five sets of cells, with two cells in each set, were used. Each cell was made of concrete and measured 1 .0 m X 1 .0 m and was 1.3 m deep. Four different root-bed media were tested : Queenston Shale, Fonthill Sand, Niagara Shale and a Michigan Sand. Four of the sets contained plants and a single type of root-bed medium. The influence of plants was tested by operating a Queenston Shale set without plants. Due to budget constraints no replicates were constructed. All of the sets were operated independently and identically for twenty-eight months. Twelve months of data are presented here, collected after 16 months of continuous operation. Root-bed medium type did not influence BOD5 removal. All of the sets consistently met Ontario Ministry of Environment (MOE) requirements (<25 mg/L) for BOD5 throughout the year. The 12 month average BOD5 concentration from all sets with plants was below 2.36 mg/L. All of the sets were within MOE discharge requirements (< 25 mg/L) for suspended solids with set effluent concentrations ranging from 1.53 to 14.80 mg/L. The Queenston Shale and Fonthill Sand media removed the most suspended solids while the Niagara Shale set produced suspended solids. The set containing Fonthill Sand was the only series to meet MOE discharge requirements (< Img/L) for total phosphorus year-round with a twelve month mean effluent concentration of 0.23 mg/L. Year-round all of the root-bed media were well below MOE discharge requirements (< 20mg/L in winter and < 10 mg/L in sumnner) for ammonium. The Queenston Shale and Fonthill Sand sets removed the most total nitrogen. Plants had no effect on total nitrogen removal, but did influence how nitrogen was cycled within the system. Plants increased the removal of suspended solids by 14%, BOD5 by 10% and total phosphorus by 22%. Plants also increased the amount of dissolved oxygen that entered the system. During the plant growing season removal of total phosphorus was better in all sets with plants regardless of media type. The sets containing Queenston Shale and Fonthill Sand media achieved the best results and plants in the Queenston Shale set increased treatment efficiency for every parameter except nitrogen. Vertical flow wetland sewage treatment systems can be designed and built to consistently meet MOE discharge requirements year-round for BOD5, suspended solids, total phosphorus and ammonium. This system Is generally superior to the free water systems and sub-surface horizontal flow systems in cold climate situations.

Bioindication of ozone using milkweed plants in Southern Ontario

Ambient (03) ozone concentrations were compared to ozone damage on milkweed plants to determine if there was a correlation. Eight survey sites of at least 100 plants each were located within 5 kilometers of Air Quality Index (AQI) stations in southern Ontario. Sites were visited nine times from June-September (2007) and milkweed leaves from 75 plants were assessed using methods pioneered in the United States. Ambient 0 3 results were calculated into SUM65, seasonal cumulative 0 3, and total 03. The 0 3 exposure indices SUM65 and cumulative 0 3 were tested statistically to determine which index is biologically relevant to milkweed as an 0 3 damage indicator species. The milkweed damage indices were incidence of leaves damaged per plant, incidence of plants damaged per site, and total 0 3• The incidence of plants injured per site was the best damage parameter with an F(1,28)=17.37, p=0.0003 for SUM65 and F(1,28)=7.5, p=O.0106 for cumulative 03 .. Milkweed plants showed quantifiable ozone damage with minimal spatial differences in damage and thus have potential use as a biomonitor species in southern Ontario.

Defence of Agaricus bisporus against toxic secondary metabolites from Trichoderma aggressivum.

Trichoderma spp are effective competitors against other fungi because they are mycoparasitic and produce hydrolytic enzymes and secondary metabolites that inhibit the growth of their competitors. Inhibitory compounds produced by Trichoderma aggressivum, the causative agent of green mold disease, are more toxic to the hybrid off-white strains of Agaricus bisporus than the commercial brown strains, consistent with the commercial brown strain’s increased resistance to the disease. This project looked at the response of hybrid off-white and commercial brown strains of A. bisporus to the presence of T. aggressivum metabolites with regard to three A. bisporus genes: laccase 1, laccase 2, and manganese peroxidase. The addition of T. aggressivum toxic metabolites had no significant effect on MnP or lcc1 transcript abundance. Alternatively, laccase 2 appears to be involved in resistance to T. aggressivum because the presence of T. aggressivum metabolites results in higher lcc2 transcript abundance and laccase activity, especially in the commercial brown strain. The difference in laccase expression and activity between A. bisporus strains was not a result of regulatory or coding sequence differences. Alteration of laccase transcription by RNAi resulted in transformants with variable levels of laccase transcript abundance. Transformants with a low number of lcc transcripts were very sensitive to T. aggressivum toxins, while those with a high number of lcc transcripts had increased resistance. These results indicated that laccase activity, in particular that encoded by lcc2, serves as a defense response of A. bisporus to T. aggressivum toxins and contributes to green mold disease resistance in commercial brown strains.

Feeding and oviposition preferences of the diamondback moth Plutella xylostella (Lepidoptera: Plutellidae) on six Brassicaceae host plant species

Plutella xylostella (diamondback moth, DBM) is a globally distributed Lepidopteran that feeds and oviposits almost exclusively on plants in the Brassicaceae family. DBM disperses from the southern United States and Mexico into Canada in the spring and summer. Establishment of DBM in Ontario is partially dependent upon the quantity and quality of host plants available and the preference of DBM for different hosts. Host plants include many crops such as broccoli, canola and cabbage, as well as landscape ornamentals and wild plants. It has previously been established that DBM are attracted to host plants by chemicals, specifically glucosinolates. I examined the preference of DBM among crop, wild and ornamental host plant species and how preference varies with insect life stage (3rd and 4th instar larvae and adults). Experiments included exposing DBM larvae from five populations coming from different locations in Canada to six Brassicaceae species and evaluating the preferences and weight gain over one hour. Then adult females were exposed to these same plant species and their oviposition preferences were examined. Populations from Alberta, Saskatchewan and Ontario were compared to assess differences in preference associated with geographic region or species of host plant. The ultimate goal of my study was to understand the potential of various Brassicaceae species to act as reservoirs to sustain and promote population growth of DBM, as well as sinks that may decrease DBM abundance. Results showed that garden cress (Lepidium sativum) was highly preferred over other species (wintercress, black mustard, aubretia, broccoli and ornamental kale) for both food and oviposition sources. Previous studies report that garden cress contains saponins, chemicals shown to be toxic to developing DBM larvae, however no studies have yet shown a preference for garden cress. These results provide information on a novel host plant with the potential to control DBM population growth. No difference in preferences was found among populations of DBM from various sources in Canada.

Développement de méthodes d’analyse directe de polluants organiques volatils à l’état de traces dans l’air et les biogaz

Il est reconnu que le benzène, le toluène, l’éthylbenzène et les isomères du xylène, composés organiques volatils (COVs) communément désignés BTEX, produisent des effets nocifs sur la santé humaine et sur les végétaux dépendamment de la durée et des niveaux d’exposition. Le benzène en particulier est classé cancérogène et une exposition à des concentrations supérieures à 64 g/m3 de benzène peut être fatale en 5–10 minutes. Par conséquent, la mesure en temps réel des BTEX dans l’air ambiant est essentielle pour détecter rapidement un danger associé à leur émission dans l’air et pour estimer les risques potentiels pour les êtres vivants et pour l’environnement. Dans cette thèse, une méthode d’analyse en temps réel des BTEX dans l’air ambiant a été développée et validée. La méthode est basée sur la technique d’échantillonnage direct de l’air couplée avec la spectrométrie de masse en tandem utilisant une source d’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI-MS/MS directe). La validation analytique a démontré la sensibilité (limite de détection LDM 1–2 μg/m3), la précision (coefficient de variation CV < 10%), l’exactitude (exactitude > 95%) et la sélectivité de la méthode. Des échantillons d’air ambiant provenant d’un site d’enfouissement de déchets industriels et de divers garages d’entretien automobile ont été analysés par la méthode développée. La comparaison des résultats avec ceux obtenus par la technique de chromatographie gazeuse on-line couplée avec un détecteur à ionisation de flamme (GC-FID) a donné des résultats similaires. La capacité de la méthode pour l’évaluation rapide des risques potentiels associés à une exposition aux BTEX a été prouvée à travers une étude de terrain avec analyse de risque pour la santé des travailleurs dans trois garages d’entretien automobile et par des expériences sous atmosphères simulées. Les concentrations mesurées dans l’air ambiant des garages étaient de 8,9–25 µg/m3 pour le benzène, 119–1156 µg/m3 pour le toluène, 9–70 µg/m3 pour l’éthylbenzène et 45–347 µg/m3 pour les xylènes. Une dose quotidienne environnementale totale entre 1,46 10-3 et 2,52 10-3 mg/kg/jour a été déterminée pour le benzène. Le risque de cancer lié à l’exposition environnementale totale au benzène estimé pour les travailleurs étudiés se situait entre 1,1 10-5 et 1,8 10-5. Une nouvelle méthode APCI-MS/MS a été également développée et validée pour l’analyse directe de l’octaméthylcyclotétrasiloxane (D4) et le décaméthylcyclopentasiloxane (D5) dans l’air et les biogaz. Le D4 et le D5 sont des siloxanes cycliques volatils largement utilisés comme solvants dans les processus industriels et les produits de consommation à la place des COVs précurseurs d’ozone troposphérique tels que les BTEX. Leur présence ubiquitaire dans les échantillons d’air ambiant, due à l’utilisation massive, suscite un besoin d’études de toxicité. De telles études requièrent des analyses qualitatives et quantitatives de traces de ces composés. Par ailleurs, la présence de traces de ces substances dans un biogaz entrave son utilisation comme source d’énergie renouvelable en causant des dommages coûteux à l’équipement. L’analyse des siloxanes dans un biogaz s’avère donc essentielle pour déterminer si le biogaz nécessite une purification avant son utilisation pour la production d’énergie. La méthode développée dans cette étude possède une bonne sensibilité (LDM 4–6 μg/m3), une bonne précision (CV < 10%), une bonne exactitude (> 93%) et une grande sélectivité. Il a été également démontré qu’en utilisant cette méthode avec l’hexaméthyl-d18-disiloxane comme étalon interne, la détection et la quantification du D4 et du D5 dans des échantillons réels de biogaz peuvent être accomplies avec une meilleure sensibilité (LDM ~ 2 μg/m3), une grande précision (CV < 5%) et une grande exactitude (> 97%). Une variété d’échantillons de biogaz prélevés au site d’enfouissement sanitaire du Complexe Environnemental de Saint-Michel à Montréal a été analysée avec succès par cette nouvelle méthode. Les concentrations mesurées étaient de 131–1275 µg/m3 pour le D4 et 250–6226 µg/m3 pour le D5. Ces résultats représentent les premières données rapportées dans la littérature sur la concentration des siloxanes D4 et D5 dans les biogaz d’enfouissement en fonction de l’âge des déchets.

Développement de méthodes analytiques pour la détection et la quantification de traces de produits pharmaceutiques dans les eaux du fleuve Saint Laurent

Le présent projet vise à documenter la nécessité d’augmenter notre connaissance de la présence des contaminants organiques tels que les médicaments dans l’environnement et d’évaluer leur devenir environnemental. On a étudié la présence de composés pharmaceutiques dans différents échantillons d'eau. On a focalisé nos efforts spécialement sur les échantillons d'eau de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et ses effluents, les eaux de surface avoisinantes et l’eau du robinet dans la région de Montréal. Pour ce faire, on a tout d’abord développé deux méthodes analytiques automatisées basées sur la chromatographie liquide avec extraction en phase solide (SPE) couplée à la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). On a également étudié les performances des trois techniques d'ionisation à pression atmosphérique (API), pour ensuite les utiliser dans la méthode analytique développée. On a démontré que l'ionisation par électronébulisation (ESI) est une méthode d'ionisation plus efficace pour l'analyse des contaminants pharmaceutiques dans des échantillons de matrices très complexes comme les eaux usées. Une première méthode analytique SPE couplée à la LC-MS/MS a été développée et validée pour l'étude des échantillons complexes provenant de l'usine d'épuration de la Ville de Montréal et des eaux de surface près de l'usine. Cinq médicaments de prescription ont été étudiés: le bézafibrate (un régulateur de lipides), le cyclophosphamide et le méthotrexate (deux agents anticancéreux), l'orlistat (un agent anti-obésité) et l’énalapril (utilisé dans le traitement de l'hypertension). La plupart de ces drogues sont excrétées par le corps humain et rejetées dans les eaux usées domestiques en faisant par la suite leur chemin vers les usines municipales de traitement des eaux usées. On a pu démontrer qu'il y a un faible taux d’élimination à l'usine d'épuration pour le bézafibrate et l'énalapril. Ces deux composés ont aussi été détectés dans les eaux de surface sur un site à proximité immédiate de la décharge de l’effluent de la station d'épuration. i En observant la nécessité de l'amélioration des limites de détection de la première méthode analytique, une deuxième méthode a été développée. Pour la deuxième méthode, un total de 14 contaminants organiques, incluant trois agents anti-infectieux (clarithromycin, sulfaméthoxazole et triméthoprime), un anticonvulsant (carbamazépine) et son produit de dégradation (10,11-dihydrocarbamazépine), l'agent antihypertensif (enalapril), deux antinéoplastiques utilisés en chimiothérapie (cyclophosphamide et méthotrexate), des herbicides (atrazine, cyanazine, et simazine) et deux produits de transformation de l’atrazine (deséthylatrazine et déisopropylatrazine) ainsi qu’un agent antiseptique (triclocarban). Ces produits ont été quantifiés dans les eaux de surface ainsi que dans l’eau du robinet. L'amélioration des limites de détection pour cette méthode a été possible grâce à la charge d'un volume d'échantillon supérieur à celui utilisé dans la première méthode (10 mL vs 1 mL). D'autres techniques de confirmation, telles que les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle et la mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol, ont été explorées. L'utilisation d'un analyseur de masse à temps d’envol a permis la confirmation de 6 des 14 analytes. Finalement, étant donné leur haute toxicité et pour évaluer leur persistance et leur transformation au niveau du traitement des eaux potables, la cinétique d'oxydation du cyclophosphamide et de méthotrexate avec l'ozone moléculaire et des radicaux OH a été étudiée. Les constantes de dégradation avec l'ozone moléculaire ont été calculées et la qualité de l'eau après traitement a pu être évaluée. Le rendement du processus d'ozonation a été amélioré pour la cyclophosphamide dans les eaux naturelles, en raison de la combinaison de réactions directes et indirectes. Cette étude a montré que l'ozone est très efficace pour oxyder le méthotrexate mais que le cyclophosphamide serait trop lent à s’oxyder pour un traitement efficace aux conditions usuelles de traitement de l’eau potable.

Molecular biodiversity of microbial communities in polluted soils and their role in soil phytoremediation

Les métaux lourds (ML) s’accumulent de plus en plus dans les sols à l’échelle mondiale, d’une part à cause des engrais minéraux et divers produits chimiques utilisés en agriculture intensive, et d’autre part à cause des activités industrielles. Toutes ces activités génèrent des déchets toxiques qui s’accumulent dans l’environnement. Les ML ne sont pas biodégradables et leur accumulation cause donc des problèmes de toxicité des sols et affecte la biodiversité des microorganismes qui y vivent. La fertilisation en azote (N) est une pratique courante en agriculture à grande échelle qui permet d’augmenter la fertilité des sols et la productivité des cultures. Cependant, son utilisation à long terme cause plusieurs effets néfastes pour l'environnement. Par exemple, elle augmente la quantité des ML dans les sols, les nappes phréatiques et les plantes. En outre, ces effets néfastes réduisent et changent considérablement la biodiversité des écosystèmes terrestres. La structure des communautés des champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) a été étudiée dans des sols contaminés par des ML issus de la fertilisation à long terme en N. Le rôle des différentes espèces de CMA dans l'absorption et la séquestration des ML a été aussi investigué. Dans une première expérience, la structure des communautés de CMA a été analysée à partir d’échantillons de sols de sites contaminés par des ML et de sites témoins non-contaminés. Nous avons constaté que la diversité des CMA indigènes a été plus faible dans les sols et les racines des plantes récoltées à partir de sites contaminés par rapport aux sites noncontaminés. Nous avons également constaté que la structure de la communauté d'AMF a été modifiée par la présence des ML dans les sols. Certains ribotypes des CMA ont été plus souvent associés aux sites contaminés, alors que d’autres ribotypes ont été associés aux sites non-contaminés. Cependant, certains ribotypes ont été observés aussi bien dans les sols pollués que non-pollués. Dans une deuxième expérience, les effets de la fertilisation organique et minérale (N) sur les différentes structures des communautés des CMA ont été étudiés. La variation de la structure de la communauté de CMA colonisant les racines a été analysée en fonction du type de fertilisation. Certains ribotypes de CMA étaient associés à la fertilisation organique et d'autres à la fertilisation minérale. En revanche, la fertilisation minérale a réduit le nombre de ribotypes de CMA alors que la fertilisation organique l’a augmenté. Dans cette expérience, j’ai démontré que le changement de structure des communautés de CMA colonisant des racines a eu un effet significatif sur la productivité des plantes. Dans une troisième expérience, le rôle de deux espèces de CMA (Glomus irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du cadmium (Cd) par des plants de tournesol cultivés dans des sols amendés avec trois niveaux différents de Cd a été évalué. J’ai démontré que les deux espèces de CMA affectent différemment l’absorption ou la séquestration de ce ML par les plants de tournesol. Cette expérience a permis de mieux comprendre le rôle potentiel des CMA dans l'absorption des ML selon la concentration de cadmium dans le sol et les espèces de CMA. Mes recherches de doctorat démontrent donc que la fertilisation en N affecte la structure des communautés des CMA dans les racines et le sol. Le changement de structure de la communauté de CMA colonisant les racines affecte de manière significative la productivité des plantes. J’ai aussi démontré que, sous nos conditions expériemntales, l’espèce de CMA G. irregulare a été observée dans tous les sites (pollués et non-pollués), tandis que le G. mosseae n’a été observé en abondance que dans les sites contaminés. Par conséquent, j’ai étudié le rôle de ces deux espèces (G. irregulare et G. mosseae) dans l'absorption du Cd par le tournesol cultivé dans des sols amendés avec trois différents niveaux de Cd en serre. Les résultats indiquent que les espèces de CMA ont un potentiel différent pour atténuer la toxicité des ML dans les plantes hôtes, selon le niveau de concentration en Cd. En conclusion, mes travaux suggèrent que le G. irregulare est une espèce potentiellement importante pour la phytoextration du Cd, alors que le G. mosseae pourrait être une espèce appropriée pour phytostabilisation du Cd et du Zn.

L'enrichissement par la plantation sous couvert : les facteurs qui influencent le développement de plants de feuillus durant la phase d'établissement

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Antiobesity and antidiabetic activity of P. balsamifera, its active Salicortin, and L. laricina, medicinal plants from the traditional pharmacopoeia of the James Bay Cree

La prévalence de l’obésité, du diabète de type 2, et du syndrome métabolique, sont à la hausse chez les Cris d’Eeyou Istchee (CEI-Nord du Québec). Ces problèmes sont aggravés par leur diète non traditionnelle, leur sédentarité, ainsi que par une résistance culturelle aux produits pharmaceutiques. Afin de développer des traitements antidiabétiques culturellement adaptés, notre équipe a effectué une enquête ethnobotanique qui a identifié 17 plantes provenant de la pharmacopée traditionnelle des CEI. À partir des études de criblage effectuées in vitro, deux plantes parmi les 17 ont attiré notre attention. Populus balsamifera L. (Salicaceae) pour ses propriétés anti-obésité et Larix laricina K. Koch (Pinaceae) pour ses propriétés antidiabétiques. P. balsamifera et son composé actif salicortin ont inhibé l’accumulation de triglycérides durant l’adipogénèse dans les adipocytes 3T3-L1. L. laricina a augmenté le transport de glucose et l’activation de l’AMPK dans les cellules musculaires C2C12, l’adipogénèse dans les 3T3-L1 et a démontré un fort potentiel découpleur (propriété anti-obésité). Les objectifs de cette thèse sont d'évaluer les potentiels anti-obésité et antidiabétique et d’élucider les mécanismes d'action de P. balsamifera, salicortin, et L. laricina chez la souris C57BL/6 rendue obèse par une diète riche en gras (HFD). Les souris ont été soumises pendant huit (étude préventive) ou seize semaines (étude traitement) à une HFD, ou à une HFD dans laquelle P. balsamifera, salicortin, ou L. laricina a été incorporé soit dès le départ (prévention), ou dans les 8 dernières des 16 semaines d'administration de HFD (traitement). iv Les résultats démontrent que P. balsamifera (dans les deux études) et salicortin (évalué dans l’étude traitement) diminuent: le poids corporel, le gras rétropéritonéal, la sévérité de la stéatose et l’accumulation de triglycérides hépatique (ERK impliqué), les niveaux de glycémie et d'insuline, et le ratio leptine/adiponectine. Dans les deux études, P. balsamifera a significativement réduit la consommation de nourriture mais cet effet coupe-faim nécessite d’être approfondi. Dans l'étude préventive, P. balsamifera a augmenté la dépense énergétique (hausse de la température à la surface de la peau et de l’activation de la protéine découplante-1; UCP-1). Les voies de signalisation activées par P. balsamifera et par salicortin (de façon plus modeste) sont impliquées dans: la production de glucose hépatique (Akt), l’expression de Glut4 dans le muscle squelettique, la captation du glucose et du métabolisme des lipides (Akt dans le tissu adipeux), la différenciation des adipocytes (ERK et PPARg), l’inflammation dans le foie (IKKαβ), et l'oxydation des acides gras dans le muscle, le foie, ou le tissu adipeux (PPARa et CPT-1). D’autre part, L. laricina a également diminué les niveaux de glycémie et d’insuline, le ratio leptine/adiponectine, le gras rétropéritonéal et le poids corporel. Ces effets ont été observés en conjonction avec une augmentation de la dépense énergétique: hausse de température à la surface de la peau (prévention) et amélioration de la fonction mitochondriale et de la synthèse d'ATP (traitement). En conclusion, l’utilisation de P. balsamifera, salicortin et L. laricina comme des traitements alternatifs et culturellement adaptés aux CEI représente une contribution importante dans la prévention et le traitement de l’obésité et du diabète.

Bioassay-guided fractionation of Larix laricina du Roi, and antidiabetic potentials of ethanol and hot water extracts of seventeen medicinal plants from the traditional pharmacopeia of the James Bay Cree

Nous avons utilisé une approche ethnobotanique pour identifier des espèces de plantes utilisées par les Cris afin de traiter les symptômes du diabète de type 2. Larix laricina du Roi (L. laricina) a récemment été identifiée comme une des meilleures plantes qui a stimulé le transport de glucose dans les cellules C2C12 et fortement potentialisé la différenciation des 3T3-L1 en indiquant une sensibilité potentiellement accrue à l’insuline. Ensuite, ces études de criblage ont été effectuées sur des extraits éthanolique (EE) en utilisant une série de bioessais in vitro. Cependant, les préparations traditionnelles des plantes sont souvent faites avec l’eau chaude. Le but de cette thèse de doctorat était d’isoler les principes actifs de L. laricina par un fractionnement guidé par l’adipogenèse; d’évaluer et de comparer l’activité et les mécanismes antidiabétiques des EE et des extraits aqueux (HWE) de ces 17 plantes. Pour le fractionnement de L. laricina, on a isolé plusieurs composés connus et identifié un nouveau composé actif cycloartane triterpene, qui a amélioré fortement l’adipogenèse et a été responsable en partie de l’activité adipogénique (potentiellement similaire à l’effet sensibilisateur à l’insuline des glitazone) de l’extrait éthanolique issu de l’écorce de L. laricina. Pour le métabolisme lipidique, nos résultats ont confirmé que 10 parmi les 17 EE ont augmenté la différenciation des adipocytes alors que 2 extraits seulement l’ont inhibée. Les HWE ont montré une faible activité adipogénique ou antiadipogénique. Les EE de R. groenlandicum et K. angustifolia ont le PPAR γ (peroxisome proliferator-activated receptor γ), le SREBP-1 (sterol regulatory element binding protein-1) et le C/EBP (CCAAT-enhancer binding proteins) α, alors que ceux de P. balsamifera et A. incana les ont inhibés. L’effet inhibiteur de P. balsamifera a également été prouvé d’avoir impliqué l’activation de la protéine kinase activée par l’AMP (AMPK). Les EE et HWE de R. groenlandicum ont stimulé les mêmes facteurs de transcription alors que les extraits aqueux d’autres plantes sélectionnées ont perdu ces effets en comparaison avec leurs extraits éthanoliques respectifs. L’analyse phytochimique a également identifié le groupe des espèces actives et inactives, notamment lorsque les espèces ont été séparées par famille de plante. Finalement concernant l’homéostasie de glucose, nos résultats ont confirmé que plusieurs EE ont stimulé le transport de glucose musculaire et inhibé l’activité de la glucose-6-phosphatase (G6Pase) hépatique. Certains des HWE ont partiellement ou complètement perdu ces activités antidiabétiques par rapport aux EE, tandis qu’une seule plante (R.groenlandicum) a juste conservé un potentiel similaire entre les EE et HWE dans les deux essais. Dans les cellules musculaires, les EE de R.groenlandicum, A. incana et S. purpurea ont stimulé le transport de glucose en activant la voie de signalisation de l’AMPK et en augmentant le niveau d’expression des GLUT4. En comparaison avec les EE, les HWE de R.groenlandicum ont montré des activités similaires; les HWE de A. incana ont complètement perdu leur effet sur tous les paramètres étudiés; les HWE de S. purpurea ont activé la voie de l’insuline au lieu de celle de l’AMPK pour augmenter le transport de glucose. Dans les cellules H4IIE, les EE et HWE des 5 plantes ont activé la voie de l’AMPK, et en plus les EE et HWE de 2 plantes ont activé la voie de l’insuline. La quercétine-3-O-galactoside et la quercétine 3-O-α-L-arabinopyranoside ont été identifiées comme des composés ayant un fort potentiel antidiabétique et donc responsables de l'activité biologique des plantes HWE actifs avec le transport du glucose. En conclusion, on a isolé plusieurs composés connus et identifié un nouveau triterpène actif à partir du fractionnement de L. laricina. Nous avons fourni également une preuve directe pour l'évaluation et la comparaison d'une action analogue à l'insuline ou insulino-sensibilisateur des EE et HWE de plantes médicinales Cris au niveau de muscle, de foie et de tissus adipeux. Une partie de leur action peut être liée à la stimulation des voies de signalisation intracellulaire insulino-dépendante et non-insulino-dépendante, ainsi que l’activation de PPARγ. Nos résultats indiquent que les espèces de plantes, les tissus ou les cellules cibles, ainsi que les méthodes d'extraction sont tous des déterminants significatifs de l'activité biologique de plantes médicinales Cris sur le métabolisme glucidique et lipidique.

Sustainability of Medicinal Plants in Kerala Economic Considerations in Domestication and Conservation of Forest Resources

The present study on the sustainability of medicinal plants in Kerala economic considerations in domestication and conservation of forest resources. There is worldwide consensus on the fact that medicinal plants are important not only in the local health support systems but in rural income and foreign exchange earnings. Sustainability of medicinal plants is important for the survival of forest dwellers, the forest ecosystem, conserving a heritage of human knowledge and overall development through linkages. More equitable sharing of the benefits from commercial utilization of the medicinal plants was found essential for the sustainability of the plants. Cultivation is very crucial for the sustainability of the sector. Through a direct tie-up with the industry, the societies can earn more income and repatriate better collection charges to its members. Cultivation should be carried out in wastelands, tiger reserves and in plantation forests. In short, the various players in the in the sector could find solution to their specific problems through co-operation and networking among them. They should rely on self-help rather than urging the government to take care of their needs. As far as the government is concerned, the forest department through checking over- exploitation of wild plants and the Agriculture Dept. through encouraging cultivation could contribute to the sustainable development of the medicinal plant sector.