Applicability of a distributed watershed pollution model in a data-poor environment in Santa Catarina State, Brazil

Intensification of agricultural production without a sound management and regulations can lead to severe environmental problems, as in Western Santa Catarina State, Brazil, where intensive swine production has caused large accumulations of manure and consequently water pollution. Natural resource scientists are asked by decision-makers for advice on management and regulatory decisions. Distributed environmental models are useful tools, since they can be used to explore consequences of various management practices. However, in many areas of the world, quantitative data for model calibration and validation are lacking. The data-intensive distributed environmental model AgNPS was applied in a data-poor environment, the upper catchment (2,520 ha) of the Ariranhazinho River, near the city of Seara, in Santa Catarina State. Steps included data preparation, cell size selection, sensitivity analysis, model calibration and application to different management scenarios. The model was calibrated based on a best guess for model parameters and on a pragmatic sensitivity analysis. The parameters were adjusted to match model outputs (runoff volume, peak runoff rate and sediment concentration) closely with the sparse observed data. A modelling grid cell resolution of 150 m adduced appropriate and computer-fit results. The rainfall runoff response of the AgNPS model was calibrated using three separate rainfall ranges (< 25, 25-60, > 60 mm). Predicted sediment concentrations were consistently six to ten times higher than observed, probably due to sediment trapping along vegetated channel banks. Predicted N and P concentrations in stream water ranged from just below to well above regulatory norms. Expert knowledge of the area, in addition to experience reported in the literature, was able to compensate in part for limited calibration data. Several scenarios (actual, recommended and excessive manure applications, and point source pollution from swine operations) could be compared by the model, using a relative ranking rather than quantitative predictions.

Linking microtubules to the activation of CDC42 in fission yeast

Cell polarity is an essential property of most cell types and relies on a dynamic cytoskeleton of actin filaments and microtubules. In rod-shaped S. pombe cells microtubules are organized along the length of the cell and transport polarity factors to cell tips to regulate cell polarity. An important cell polarity factor is the protein Tea4, which is responsible for correct cell morphogenesis and bipolar growth. During my research I confirmed the known transport mechanism of Tea4 and I also showed alternative localization and anchoring mechanisms at the cell ends. Tea4 contains a conserved SH3 domain, the function of which was unknown and my results show that the SH3 domain of Tea4 is essential for Tea4 function in vivo. First, cells with tea4SH3 mutations show aberrant cell shapes and monopolar growth patterns similar to tea4A and in addition SH3 domain is important for proper localization of multiple cell polarity proteins. Second, I showed that Tea4 associates with Type 1 Phosphatase Dis2 through both its SH3 domain and an RVxF motif. Tea4 also binds the DYRK kinase Pomi through its SH3 domain. In addition Tea4 is proposed to promote the local dephosphorylation of Pomi by Dis2 to induce the formation of a cortical gradient from cell ends essential for cell size homeostasis. Polarized growth is also controlled by cell tip-localized Cdc42. This Rho- family GTPase is activated by the Guanine Exchange Factors Gef1 and Scd1 and inactivated by the Rho GTPase Activating Protein Rga4. In this study, I investigated the mechanisms of how Tea4 promotes Cdc42 activation. My work suggests that Tea4 promotes the local exclusion of Rga4, which in turn allows the accumulation of active Cdc42, which may result in growth. Exclusion of Rga4 by Tea4 is likely to be mediated by Dis2-dependent dephosphorylation. These results suggest a molecular pathway that links the microtubule- associated factor Tea4 with Cdc42 to promote cell polarization and morphogenesis. - La polarité cellulaire est une propriété essentielle de la plupart des types cellulaires et s'appuie sur une dynamique des cytosquelettes d'actine et de microtubules. Dans les cellules en forme de bâtonnet de S. pombe les microtubules sont alignés selon l'axe longitudinal de la cellule et les facteurs de polarité transportés aux extrémité cellulaires afin de réguler la polarité cellulaire. Un facteur important de polarité cellulaire est la protéine Tea4, qui est responsable de la morphogenèse des cellules et leur croissance bipolaire. Au cours de mes recherches, j'ai confirmé les mécanismes connus de transport de Tea4 et j'ai aussi mis en évidence d'autres mechanismes de localisation et d'ancrage de Tea4 aux extrémités cellulaires. Tea4 contient un domaine SH3 conservé, dont la fonction était inconnue et mes résultats montrent que le domaine SH3 est essentiel pour la fonction de Tea4 in vivo. Tout d'abord, les cellules avec des mutations tea4sm ont des formes aberrantes et leur croissance est monopolaire de manière similaire au mutant tea4A. De plus ce domaine SH3 est important pour la localisation correcte de plusieurs protéines de polarité cellulaire. Deuxièmement, j'ai montré que Tea4 s'associe avec la Phosphatase de Type-1 Dis2 par son domaine SH3 et un motif RVxF. Tea4 se lie également la kinase DYRK Pomi par son domaine SH3. De plus, Tea4 pourrait favoriser la déphosphorylation locale de Pomi par Dis2 afin d'induire la formation d'un gradient cortical de Pomi essentiel pour l'homéostasie de la longueur des cellules. La croissance polarisée est également contrôlée par la protéine Cdc42 localisée aux extrémités cellulaires. Cette GTPase de la famille de Rho GTPase est activée par les facteurs échange de guanine Gef1 et Scd1 et inactivée par la protéine "Rho GTPase activating" Rga4. Dans cette étude, j'ai étudié les mécanismes d' activation de Cdc42 par Tea4. Mes résultats suggèrent que Tea4 favorise l'exclusion locale de Rga4, ce qui permet l'accumulation de Cdc42 active, nécessaire à la croissance. L' exclusion de Rga4 par Tea4 est vraisemblablement médiée par une déphosphorylation Dis2- dépendente. Ces résultats suggèrent une voie moléculaire qui lie le facteur associé aux microtubules Tea4 à Cdc42 pour promouvoir la polarisation cellulaire et la morphogenèse. - Cell polarity is important for several essential biological functions such as generation of distinct cell fates during development and function of differentiated cells. Defective cell polarity has been related to uncontrolled cell division and subsequently to cancer initiation. Cell polarity depends on a functional cytoskeleton that consists of actin filaments and microtubules, which maintains cell shape, helps cellular motion, enables intracellular protein transport and plays a vital role in cell division. A component of cytoskeleton is microtubules that regulate cell polarization in diverse cell types. During my research, I worked with Schizosaccharomyces pombe, also named fission yeast, a powerful unicellular model organism that allows combination of genetic, biochemical and microscopic analysis for the proper study of cell polarity. Microtubule-associated protein Tea4 is transported to cell tips where it is thought to organize polarized growth. I showed that Tea4 and its evolutionarily conserved SH3 domain play an important role for maintenance of fission yeast cells shape and growth. Furthermore, Tea4 is responsible for the proper localization of multiple polarity proteins and acts as a mediator to control the local activity of an essential polarity regulator called Cdc42. Thus, my results provide a better understanding of the molecular mechanisms that regulate cell polarity. - La polarité cellulaire est importante pour plusieurs fonctions biologiques essentielles telles que la différenciation cellulaires au cours du développement et de la fonction de cellules différenciées. Les défauts de la polarité cellulaire ont été liés à des divisions cellulaires incontrôlées et à l'initiation de tumeur. La polarité cellulaire dépend d'un cytosquelette fonctionnel, qui maintient la forme des cellules, aide à la migration cellulaire, permet le transport intracellulaire des protéines et joue un rôle essentiel dans la division cellulaire. Un composant du cytosquelette est constitué de microtubules qui régissent la polarisation cellulaire dans divers types cellulaires. Au cours de mes recherches, j'ai travaillé avec Schizosaccharomyces pombe, appelé également levure fissipare, un modèle unicellulare puissant qui permet la combinaison de différentes d'approches expérimentales: génétiques, biochimiques et microscopiques pour l'étude de la polarité cellulaire. La protéine Tea4 associée aux microtubules est transportée aux extrémités cellulaires où elle organise la croissance polarisée. J'ai montré que Tea4 et son domaine conservé SH3 jouent un rôle important pour le maintien de la forme des cellules de levure et leur croissance. De plus, Tea4 est responsable de la localisation correcte de multiples facteurs de polarité et agit comme un médiateur pour contrôler l'activité locale d'un régulateur de polarité essentiel appelé Cdc42. Ainsi, mes résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui régulent la polarité cellulaire.

Insulin resistance in adult cardiomyocytes undergoing dedifferentiation: role of GLUT4 expression and translocation.

Myocardium undergoing remodeling in vivo exhibits insulin resistance that has been attributed to a shift from the insulin-sensitive glucose transporter GLUT4 to the fetal, less insulin-sensitive, isoform GLUT1. To elucidate the role of altered GLUT4 expression in myocardial insulin resistance, glucose uptake and the expression of the glucose transporter isoforms GLUT4 and GLUT1 were measured in adult rat cardiomyocytes (ARC). ARC in culture spontaneously undergo dedifferentiation, hypertrophy-like spreading, and return to a fetal-like gene expression pattern. Insulin stimulation of 2-deoxy-D-glucose uptake was completely abolished on day 2 and 3 of culture and recovered thereafter. Although GLUT4 protein level was reduced, the time-course of unresponsiveness to insulin did not correlate with altered expression of GLUT1 and GLUT4. However, translocation of GLUT4 to the sarcolemma in response to insulin was completely abolished during transient insulin resistance. Insulin-mediated phosphorylation of Akt was not reduced, indicating that activation of phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) was preserved. On the other hand, total and phosphorylated Cbl was reduced during insulin resistance, suggesting that activation of Cbl/CAP is essential for insulin-mediated GLUT4 translocation, in addition to activation of PI3K. Pharmacological inhibition of contraction in insulin-sensitive ARC reduced insulin sensitivity and lowered phosphorylated Cbl. The results suggest that transient insulin resistance in ARC is related to impairment of GLUT4 translocation. A defect in the PI3K-independent insulin signaling pathway involving Cbl seems to contribute to reduced insulin responsiveness and may be related to contractile arrest.

Pom1 regulates the assembly of Cdr2-Mid1 cortical nodes for robust spatial control of cytokinesis.

Proper division plane positioning is essential to achieve faithful DNA segregation and to control daughter cell size, positioning, or fate within tissues. In Schizosaccharomyces pombe, division plane positioning is controlled positively by export of the division plane positioning factor Mid1/anillin from the nucleus and negatively by the Pom1/DYRK (dual-specificity tyrosine-regulated kinase) gradients emanating from cell tips. Pom1 restricts to the cell middle cortical cytokinetic ring precursor nodes organized by the SAD-like kinase Cdr2 and Mid1/anillin through an unknown mechanism. In this study, we show that Pom1 modulates Cdr2 association with membranes by phosphorylation of a basic region cooperating with the lipid-binding KA-1 domain. Pom1 also inhibits Cdr2 interaction with Mid1, reducing its clustering ability, possibly by down-regulation of Cdr2 kinase activity. We propose that the dual regulation exerted by Pom1 on Cdr2 prevents Cdr2 assembly into stable nodes in the cell tip region where Pom1 concentration is high, which ensures proper positioning of cytokinetic ring precursors at the cell geometrical center and robust and accurate division plane positioning.

The Arabidopsis PHYTOCHROME KINASE SUBSTRATE2 protein is a phototropin signaling element that regulates leaf flattening and leaf positioning.

In Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), the blue light photoreceptor phototropins (phot1 and phot2) fine-tune the photosynthetic status of the plant by controlling several important adaptive processes in response to environmental light variations. These processes include stem and petiole phototropism (leaf positioning), leaf flattening, stomatal opening, and chloroplast movements. The PHYTOCHROME KINASE SUBSTRATE (PKS) protein family comprises four members in Arabidopsis (PKS1-PKS4). PKS1 is a novel phot1 signaling element during phototropism, as it interacts with phot1 and the important signaling element NONPHOTOTROPIC HYPOCOTYL3 (NPH3) and is required for normal phot1-mediated phototropism. In this study, we have analyzed more globally the role of three PKS members (PKS1, PKS2, and PKS4). Systematic analysis of mutants reveals that PKS2 (and to a lesser extent PKS1) act in the same subset of phototropin-controlled responses as NPH3, namely leaf flattening and positioning. PKS1, PKS2, and NPH3 coimmunoprecipitate with both phot1-green fluorescent protein and phot2-green fluorescent protein in leaf extracts. Genetic experiments position PKS2 within phot1 and phot2 pathways controlling leaf positioning and leaf flattening, respectively. NPH3 can act in both phot1 and phot2 pathways, and synergistic interactions observed between pks2 and nph3 mutants suggest complementary roles of PKS2 and NPH3 during phototropin signaling. Finally, several observations further suggest that PKS2 may regulate leaf flattening and positioning by controlling auxin homeostasis. Together with previous findings, our results indicate that the PKS proteins represent an important family of phototropin signaling proteins.

Morphometry and acetylcholinesterase activity of the myenteric plexus of the wild mouse Calomys callosus

The myenteric plexus of the digestive tract of the wild mouse Calomys callosus was examined using a histochemical method that selectively stains nerve cells, and the acetylcholinesterase (AChE) histochemical technique in whole-mount preparations. Neuronal density was 1,500 ± 116 neurons/cm2 (mean ± SEM) in the esophagus, 8,900 ± 1,518 in the stomach, 9,000 ± 711 in the jejunum and 13,100 ± 2,089 in the colon. The difference in neuronal density between the esophagus and other regions was statistically significant. The neuron profile area ranged from 45 to 1,100 µm2. The difference in nerve cell size between the jejunum and other regions was statistically significant. AChE-positive nerve fibers were distributed within the myenteric plexus which is formed by a primary meshwork of large nerve bundles and a secondary meshwork of finer nerve bundles. Most of the nerve cells displayed AChE activity in the cytoplasm of different reaction intensities. These results are important in order to understand the changes occurring in the myenteric plexus in experimental Chagas' disease

Dietary sodium intake induced myenteric neuron hypertrophy in Wistar rats

In the present study we investigated the effect of salt intake on myenteric neuron size of the colon of adult male Wistar rats. The animals were placed on either a high-salt (HS; 8%; 12 animals) or a low-salt diet (LS; 0.15%; 12 animals) for 15 or 52 weeks and blood pressure was measured. The sizes of myenteric neurons of the distal colon from both groups were measured. No difference in neuron size was observed between the HS and LS groups after 15 weeks. After 52 weeks on HS, neuron size was increased (P<0.005) when compared with the LS group. The rats also presented hypertension, which was significantly different at 52 weeks (142 ± 11 vs 119 ± 7 mmHg). These results suggest that a long time on an HS diet can significantly increase myenteric nerve cell size.

Insulin impairs the maturation of chondrocytes in vitro

The precise nature of hormones and growth factors directly responsible for cartilage maturation is still largely unclear. Since longitudinal bone growth occurs through endochondral bone formation, excess or deficiency of most hormones and growth factors strongly influences final adult height. The structure and composition of the cartilaginous extracellular matrix have a critical role in regulating the behavior of growth plate chondrocytes. Therefore, the maintenance of the three-dimensional cell-matrix interaction is necessary to study the influence of individual signaling molecules on chondrogenesis, cartilage maturation and calcification. To investigate the effects of insulin on both proliferation and induction of hypertrophy in chondrocytes in vitro we used high-density micromass cultures of chick embryonic limb mesenchymal cells. Culture medium was supplemented with 1% FCS + 60 ng/ml (0.01 µM) insulin and cultures were harvested at regular time points for later analysis. Proliferating cell nuclear antigen immunoreactivity was widely detected in insulin-treated cultures and persisted until day 21 and [³H]-thymidine uptake was highest on day 14. While apoptosis increased in control cultures as a function of culture time, terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick end labeling (TUNEL)-labeled cells were markedly reduced in the presence of insulin. Type II collagen production, alkaline phosphatase activity and cell size were also lower in insulin-treated cultures. Our results indicate that under the influence of 60 ng/ml insulin, chick chondrocytes maintain their proliferative potential but do not become hypertrophic, suggesting that insulin can affect the regulation of chondrocyte maturation and hypertrophy, possibly through an antiapoptotic effect.

The role of Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II and calcineurin in TNF-α-induced myocardial hypertrophy

We investigated whether Ca2+/calmodulin-dependent kinase II (CaMKII) and calcineurin (CaN) are involved in myocardial hypertrophy induced by tumor necrosis factor α (TNF-α). The cardiomyocytes of neonatal Wistar rats (1-2 days old) were cultured and stimulated by TNF-α (100 μg/L), and Ca2+ signal transduction was blocked by several antagonists, including BAPTA (4 µM), KN-93 (0.2 µM) and cyclosporin A (CsA, 0.2 µM). Protein content, protein synthesis, cardiomyocyte volumes, [Ca2+]i transients, CaMKIIδB and CaN were evaluated by the Lowry method, [³H]-leucine incorporation, a computerized image analysis system, a Till imaging system, and Western blot analysis, respectively. TNF-α induced a significant increase in protein content in a dose-dependent manner from 10 µg/L (53.56 µg protein/well) to 100 μg/L (72.18 µg protein/well), and in a time-dependent manner from 12 h (37.42 µg protein/well) to 72 h (42.81 µg protein/well). TNF-α (100 μg/L) significantly increased the amplitude of spontaneous [Ca2+]i transients, the total protein content, cell size, and [³H]-leucine incorporation in cultured cardiomyocytes, which was abolished by 4 µM BAPTA, an intracellular Ca2+ chelator. The increases in protein content, cell size and [³H]-leucine incorporation were abolished by 0.2 µM KN-93 or 0.2 µM CsA. TNF-α increased the expression of CaMKIIδB by 35.21% and that of CaN by 22.22% compared to control. These effects were abolished by 4 µM BAPTA, which itself had no effect. These results suggest that TNF-α induces increases in [Ca2+]i, CaMKIIδB and CaN and promotes cardiac hypertrophy. Therefore, we hypothesize that the Ca2+/CaMKII- and CaN-dependent signaling pathways are involved in myocardial hypertrophy induced by TNF-α.

Effect of hepatocyte growth factor and angiotensin II on rat cardiomyocyte hypertrophy

Angiotensin II (Ang II) plays an important role in cardiomyocyte hypertrophy. The combined effect of hepatocyte growth factor (HGF) and Ang II on cardiomyocytes is unknown. The present study was designed to determine the effect of HGF on cardiomyocyte hypertrophy and to explore the combined effect of HGF and Ang II on cardiomyocyte hypertrophy. Primary cardiomyocytes were isolated from neonatal rat hearts and cultured in vitro. Cells were treated with Ang II (1 µM) alone, HGF (10 ng/mL) alone, and Ang II (1 µM) plus HGF (10 ng/mL) for 24, 48, and 72 h. The amount of [³H]-leucine incorporation was then measured to evaluate protein synthesis. The mRNA levels of β-myosin heavy chain and atrial natriuretic factor were determined by real-time PCR to evaluate the presence of fetal phenotypes of gene expression. The cell size of cardiomyocytes was also studied. Ang II (1 µM) increased cardiomyocyte hypertrophy. Similar to Ang II, treatment with 1 µM HGF promoted cardiomyocyte hypertrophy. Moreover, the combination of 1 µM Ang II and 10 ng/mL HGF clearly induced a combined pro-hypertrophy effect on cardiomyocytes. The present study demonstrates for the first time a novel, combined effect of HGF and Ang II in promoting cardiomyocyte hypertrophy.

Significance of DNA base excision repair in the maintenance of mitochondrial function in Saccharomyces cerevisiae /

Mitochondria have an important role in cell metabolism, being the major site of ATP production via oxidative phosphorylation (OXPHOS). Accumulation of mtDNA mutations have been linked to the development of respiratory dysfunction, apoptosis, and aging. Base excision repair (BER) is the major and the only certain repair pathway existing in mitochondria that is in responsible for removing and repairing various base modifications as well as abasic sites (AP sites). In this research, Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) BER gene knockout strains, including 3 single DNA glycosylase gene knockout strains and Ap endonuclease (Apn 1 p) knockout strain were used to examine the importance of this DNA repair pathway to the maintenance of respiratory function. Here, I show that individual DNA glycosylases are nonessential in maintenance of normal function in yeast mitochondria, corroborating with previous research in mammalian experimental models. The yeast strain lacking Apn 1 p activity exhibits respiratory deficits, including inefficient and significantly low intracellular ATP level, which maybe due to partial uncoupling of OXPHOS. Growth of this yeast strain on respiratory medium is inhibited, but no evidence was found for increased ROS level in Apn 1 p mitochondria. This strain also shows an increased cell size, and this observation combined with an uncoupled OXPHOS may indicate a premature aging in the Apnlp knockout strain, but more evidence is needed to support this hypothesis. However, the BER is necessary for maintenance of mitochondrial function in respiring S.cerevisiae.

Characterization of microalgae native to Quebec for biofuel production.

La production de biodiésel par des microalgues est intéressante à plusieurs niveaux. Dans le premier chapitre, un éventail de pour et contres concernant l’utilisation de microalgues pour la production de biocarburant sont ici révisés. La culture d’algues peut s'effectuer en utilisant des terres non-arables, de l’eau non-potable et des nutriments de base. De plus, la biomasse produite par les algues est considérablement plus importante que celle de plantes vasculaires. Plusieurs espèces on le contenu lipidique en forme de triacylglycérols (TAGs), qui peut correspondre jusqu'à 30% - 40% du poids sec de la biomasse. Ces proportions sont considérablement plus élevées que celui des huiles contenues dans les graines actuellement utilisées pour le biodiésel de première génération. Par contre, une production pratique et peu couteuse de biocarburant par des microalgues requiert de surpasser plusieurs obstacles. Ceci inclut le développement de systèmes de culture efficace à faible coût, de techniques de récupération requérant peu d’énergie, et de méthodes d’extraction et de conversion de l’huile non-dommageables pour l’environnement et peu couteuses. Le deuxième chapitre explore l'une des questions importantes soulevées dans le premier chapitre: la sélection d'une souche pour la culture. Une collection de souches de microalgues d'eau douce indigène au Québec a été établi et examiné au niveau de la diversité physiologique. Cette collection est composée de cent souches, que apparaissaient très hétérogènes en terme de croissance lorsque mises en culture à 10±2 °C ou 22±2 °C sur un effluent secondaire d’une usine municipale de traitement des eaux usées (EU), défini comme milieu Bold's Basal Medium (BBM). Des diagrammes de dispersion ont été utilisés pour étudier la diversité physiologique au sein de la collection, montrant plusieurs résultats intéressants. Il y avait une dispersion appréciable dans les taux de croissance selon les différents types de milieux et indépendamment de la température. De manière intéressante, en considérant que tous les isolats avaient initialement été enrichis sur milieu BBM, la distribution était plutôt symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, suggérant que l’enrichissement sur BBM n’a pas semblé biaiser la croissance des souches sur ce milieu par rapport aux EU. Également, considérant que les isolats avaient d’abord été enrichis à 22°C, il est assez surprenant que la distribution de taux de croissance spécifiques soit aussi symétrique autour de la ligne d’iso-croissance, avec grossièrement des nombres égaux d’isolats de part et d’autre. Ainsi, l’enrichissement à 22°C ne semble pas biaiser les cellules vers une croissance à cette température plutôt que vers 10°C. Les diagrammes de dispersion obtenus lorsque le pourcentage en lipides de cultures sur BBM ont été comparées à des cultures ayant poussé sur EU soit à 10°C ou 22°C rendent évident que la production de lipides est favorisée par la culture sur EU aux deux températures, et que la production lipidique ne semble pas particulièrement plus favorisée par l’une ou l’autre de ces températures. Lorsque la collection a été examinée pour y déceler des différences avec le site d’échantillonnage, une analyse statistique a montré grossièrement que le même degré de diversité physiologique était retrouvé dans les échantillons des deux différents sites. Le troisième chapitre a poursuivi l'évaluation de la culture d'algues au Québec. L’utilisation de déchets industriels riches en nutriments minéraux et en sources de carbone pour augmenter la biomasse finale en microalgues et le produit lipidique à faible coût est une stratégie importante pour rendre viable la technologie des biocarburants par les algues. Par l’utilisation de souches de la collection de microalgues de l’Université de Montréal, ce rapport montre pour la première fois que des souches de microalgues peuvent pousser en présence de xylose, la source de carbone majoritairement retrouvée dans les eaux usées provenant des usines de pâte et papier, avec une hausse du taux de croissance de 2,8 fois par rapport à la croissance photoautotrophe, atteignant jusqu’à µ=1,1/jour. En présence de glycérol, les taux de croissance atteignaient des valeurs aussi élevées que µ=1,52/jour. La production lipidique augmentait jusqu’à 370% en présence de glycérol et 180% avec le xylose pour la souche LB1H10, démontrant que cette souche est appropriée pour le développement ultérieur de biocarburants en culture mixotrophe. L'ajout de xylose en cultures d'algues a montré certains effets inattendus. Le quatrième chapitre de ce travail a porté à comprendre ces effets sur la croissance des microalgues et la production de lipides. Quatre souches sauvages indigènes ont été obersvées quotidiennement, avant et après l’ajout de xylose, par cytométrie en flux. Avec quelques souches de Chlorella, l’ajout de xylose induisait une hausse rapide de l’accumulation de lipide (jusqu’à 3,3 fois) pendant les premières six à douze heures. Aux temps subséquents, les cellules montraient une diminution du contenu en chlorophylle, de leur taille et de leur nombre. Par contre, l’unique membre de la famille des Scenedesmaceae avait la capacité de profiter de la présence de cette source de carbone sous culture mixotrophe ou hétérotrophe sans effet négatif apparent. Ces résultats suggèrent que le xylose puisse être utilisé avant la récolte afin de stimuler l’augmentation du contenu lipidique de la culture d’algues, soit en système de culture continu ou à deux étapes, permettant la biorestauration des eaux usées provenant de l’industrie des pâtes et papiers. Le cinquième chapitre aborde une autre déché industriel important: le dioxyde de carbone et les gaz à effet de serre. Plus de la moitié du dioxyde de carbone qui est émis dans l'atmosphère chaque jour est dégagé par un processus stationnaire, soit pour la production d’électricité ou pour la fabrication industrielle. La libération de CO2 par ces sources pourrait être atténuée grâce à la biorestauration avec microalgues, une matière première putative pour les biocarburants. Néanmoins, toutes les cheminées dégagent un gaz différent, et la sélection des souches d'algues est vitale. Ainsi, ce travail propose l'utilisation d’un état de site particulier pour la bioprospection de souches d'algues pour être utilisé dans le processus de biorestauration. Les résultats montrent que l'utilisation d'un processus d'enrichissement simple lors de l'étape d'isolement peut sélectionner des souches qui étaient en moyenne 43,2% mieux performantes dans la production de biomasse que les souches isolées par des méthodes traditionnelles. Les souches isolées dans ce travail étaient capables d'assimiler le dioxyde de carbone à un taux supérieur à la moyenne, comparées à des résultats récents de la littérature.

Characterization of the role of Drosophila JAK/STAT signalling in cellular proliferation

Der Janus Kinase / signal transducer and activator of transcription (JAK/STAT) Signal- transduktionsweg wird für viele Entwicklungsvorgänge benötigt und spielt eine zentrale Rolle bei der Hämatopoese und bei der Immunantwort. Obwohl der JAK/STAT-Signalweg in den vergangenen Jahren Gegenstand intensiver Forschung war, erschwert die Redundanz des Signalwegs bei Wirbeltieren genetische Untersuchungen zur Identifizierung derjenigen Mechanismen, die den JAK/STAT-Signalweg regulieren. Der JAK/STAT-Signaltransduktionsweg ist evolutionär konserviert und ebenfalls bei der Taufliege Drosophila melanogaster vorhanden. Im Gegensatz zu Wirbeltieren ist der Signaltransduktionsweg von Drosophila weniger redundant und beinhaltet folgende Hauptkomponenten: den Liganden Unpaired (Upd), den Transmembranrezeptor Domeless (Dome), die einzige JAK-Tyrosinkinase Hopscotch (hop), sowie den Transkriptionsfaktor STAT92E. In der vorliegenden Arbeit wird die Rolle des JAK/STAT-Signalwegs bei der zellulären Proliferation mithilfe der Modellsysteme der Flügel- und der Augen-Imaginalscheiben von Drosophila charakterisiert. "Loss-of-function"- und "Gain-of-function"-Experimente zur Verminderung beziehungs-weise Erhöhung der Signalaktivität zeigten, dass der JAK/STAT-Signalweg eine Rolle bei der zellulären Proliferation der Flügel-Imaginalscheiben spielte, ohne die Zellgröße oder Apoptose zu verändern. Bei der Flügelentwicklung während des zweiten und des frühen dritten Larvalstadiums war die Aktivität des JAK/STAT-Signalwegs sowohl notwendig für die zelluläre Proliferation als auch hinreichend, um Überproliferation anzutreiben. Allerdings änderte sich während der späten dritten Larvalstadien die JAK/STAT-Signalaktivität, sodass endogene STAT92E-Mengen einen anti-proliferativen Effekt im gleichen Gewebe aufwiesen. Weiterhin reichte die ektopische Aktivierung des JAK/STAT-Signalwegs zu diesem späten Entwicklungszeitpunkt aus, um die Mitose zu inhibieren und die Zellen in der Phase G2 des Zellzyklus zu arretieren. Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass der JAK/STAT-Signalweg sowohl pro-proliferativ in frühen Flügelscheiben als auch anti-proliferativ zu späten Stadien der Flügelscheiben-Entwicklung wirken kann. Dieser späte anti-proliferative Effekt wurde durch einen nicht-kanonischen Mechanismus der STAT92E-Aktivierung vermittelt, da späte hop defiziente Zellverbände im Vergleich zu Wildtyp-Zellen keine Veränderungen im Ausmaß der zellulären Proliferation aufwiesen. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine während der Larvalstadien exprimierte dominant-negative und im N-Terminus deletierte Form von STAT92E (?NSTAT92E) nicht für den anti-proliferativen Effekt verantwortlich ist. Diese Tatsache ist ein weiteres Indiz dafür, dass das vollständige STAT92E den späten anti-proliferativen Effekt verursacht. Um Modulatoren für die von JAK/STAT vermittelte zelluläre Proliferation zu identifieren, wurde ein P-Element-basierter genetischer Interaktions-Screen in einem sensibilisierten genetischen Hintergrund durchgeführt. Insgesamt wurden dazu 2267 unabhängige P-Element-Insertionen auf ihre Wechselwirkung mit der JAK/STAT-Signalaktivität untersucht und 24 interagierende Loci identifiziert. Diese Kandidaten können in folgende Gruppen eingeordnet werden: Zellzyklusproteine, Transkriptionsfaktoren, DNA und RNA bindende Proteine, ein Mikro-RNA-Gen, Komponenten anderer Signaltransduktionswege und Zelladhäsionsproteine. In den meisten Fällen wurden mehrere Allele der interagierenden Kandidatengene getestet. 18 Kandidatengene mit übereinstimmend interagierenden Allelen wurden dann zur weiteren Analyse ausgewählt. Von diesen 18 Kandidaten-Loci wurden 7 mögliche JAK/STAT-Signalwegskomponenten und 6 neue Zielgene des Signalwegs gefunden. Zusammenfassend wurde das Verständnis um STAT92E verbessert. Dieses Protein hat die gleiche Funktion wie das STAT3-Protein der Wirbeltiere und treibt die zelluläre Proliferation voran. Analog zu STAT1 hat STAT92E aber auch einen anti-proliferativen Effekt. Ferner wurden 24 mögliche Modulatoren der JAK/STAT-Signalaktivität identifiziert. Die Charakterisierung dieser Wechselwirkungen eröffnet vielversprechende Wege zu dem Verständnis, wie JAK/STAT die zelluläre Proliferation reguliert und könnte bei der Entwicklung von neuartigen therapeutischen Targets zur Behandlung von Krebskrankheiten und Entwicklungsstörungen beitragen.

Estructura i ultraestructura testicular del mascle reproductor porcí (Sus domesticus)

El present treball analitza al microscopi òptic i al microscopi electrònic de transmissió el testicle de Sus domesticus (raça Landrace - varietat anglesa) a partir de mascles reproductors porcins adults i sans. L'objectiu principal de tots els centres d'Inseminació Artificial Porcina i de les Explotacions de Selecció i Multiplicació Porcina és garantir una excel·lent qualitat espermàtica al llarg de la vida reproductiva útil d'un mascle reproductor porcí. Així doncs, un millor coneixement dels patrons estructural i ultraestructural normals del testicle permetrà diagnosticar amb facilitat quina ha estat l'estructura o funció testicular afectada quan s'observa una disminució de la qualitat del semen. Les anàlisis seminals i hormonals són certament crucials en la valoració d'aquests mascles, però, no són totalment informatives de les alteracions testiculars, ja que és necessari conèixer l'organització microscòpica. Diversos estudis sobre testicle han demostrat que els marcadors més sensibles per a l'avaluació de la funció testicular són els següents: (1) la grandària testicular, (2) el gruix i l'organització de la càpsula testicular, (3) el percentatge de túbuls seminífers i de teixit intersticial en el parènquima testicular, (4) el diàmetre dels túbuls seminífers, (5) l'alçada i la composició de cèl·lules germinals de l'epiteli seminífer, (6) el gruix i l'organització de la làmina pròpia i, (7) la morfologia i la grandària de les cèl·lules de Leydig. El primer objectiu concret del present estudi ha estat, per tant, caracteritzar tots aquests paràmetres testiculars en mascles porcins sans i adults. L'organització estructural del testicle i les mesures quantitatives utilitzades com a marcadors no mostren diferències significatives ni entres els mascles porcins (P > 0,01), ni entre el testicle dret i l'esquerre (P > 0,01). Els testicles, de 330,80  16,99 g de pes, estan envoltats per una càpsula, de 2.375,13  246,68 m de gruix, la qual es divideix en tres capes: la túnica vaginalis constitueix l'1,82  0,78 % de la càpsula i està composta per una capa mesotelial externa i una capa interna de teixit conjuntiu dens; la túnica albuginea representa el 37,31  3,27 % i és de teixit conjuntiu dens i, la túnica vasculosa constitueix el 64,24 4,40 % i és de teixit conjuntiu lax. En el parènquima testicular els túbuls seminífers i el teixit intersticial representen el 72,44  2,12 % i el 27,46  2,12 %, respectivament. Els túbuls seminífers, de 226,23  18,08 m de diàmetre, es troben fortament recargolats i empaquetats, i estan compostos per la làmina pròpia i l'epiteli seminífer. La làmina pròpia, de 4-4,5 m de gruix, està formada per la làmina basal i dues capes de cèl·lules peritubulars. L'epiteli seminífer, amb una alçada mitjana de 66,11  10,62 m, és columnar i estratificat amb cèl·lules de Sertoli i diferents generacions d'espermatogònies, espermatòcits i espermàtides. El teixit intersticial és un teixit conjuntiu lax amb abundants cèl·lules de Leydig polièdriques fortament empaquetades (ca. 15 x 12 m). El segon objectiu concret d'aquest estudi ha estat estudiar des del punt de vista morfològic i morfomètric (alçada, longitud, freqüència relativa d'aparició i durada) els estadis del cicle de l'epiteli seminífer en els mascles porcins de la raça Landrace (varietat anglesa), classificats d'acord amb el mètode de la morfologia tubular. Els estadis premeiòtics ( I, II i III) ocupen el 31,9 % del cicle espermatogènic i es caracteritzen, principalment, per la presència de cèl·lules en les fase inicials de la meiosi I. Les primeres etapes de la meiosi I no afecten els paràmetres morfomètrics de l'epiteli seminífer ja que els valors obtinguts per l'alçada de l'epiteli seminífer, la freqüència relativa, la longitud i la durada d'aquests estadis són molt variables. Els estadis meiòtics (IV i V) representen el 16,4 % del cicle espermatogènic i estan constituïts, principlament, per cèl·lules en un estat avançat de la meiosi I i /o cèl·lules en meiosi II. Les últimes fases de la meiosi I i també de la meiosi II tenen lloc ràpidament, la qual cosa resulta en una baixa freqüència relativa d'aparició i, per tant, en una baixa durada dels estadis meiòtics. Els estadis postmeiòtics (VI, VII i VIII) ocupen el 50,6 % del cicle espermatogènic. L'esdeveniment més important que té lloc en aquests estadis és la fase de maduració de l'espermiogènesi. En la fase de maduració, les espermàtides experimenten diverses modificacions morfològiques i estructurals que donen lloc, finalment, als espermatozoides. La complexitat d'aquests processos fa que els estadis postmeiòtics presentin valors més grans de freqüència relativa, longitud i durada. El tercer objectiu concret d'aquest treball ha estat descriure a nivell ultraestructural el procés d'espermiogènesi, i relacionar les transformacions que experimenten les espermàtides en fase d'elongació amb els canvis ultraestructurals que tenen lloc en les diferents cèl·lules que constitueixen el testicle (cèl·lules germinals, de Sertoli i de Leydig, principalment). L'espermiogènesi del mascle porcí de la raça Landrace (varietat anglesa) s'ha dividit en 9 passos que vénen definits per 9 tipus diferents d'espermàtides. Al llarg de l'espermiogènesi no s'observen diferències ultraestructurals significatives (P > 0,01) ni entre els mascles porcins ni entre el testicle esquerre i dret en les cèl·lules que constitueixen el testicle.

Improving flood models using LiDAR: progress and problems

Airborne scanning laser altimetry (LiDAR) is an important new data source for river flood modelling. LiDAR can give dense and accurate DTMs of floodplains for use as model bathymetry. Spatial resolutions of 0.5m or less are possible, with a height accuracy of 0.15m. LiDAR gives a Digital Surface Model (DSM), so vegetation removal software (e.g. TERRASCAN) must be used to obtain a DTM. An example used to illustrate the current state of the art will be the LiDAR data provided by the EA, which has been processed by their in-house software to convert the raw data to a ground DTM and separate vegetation height map. Their method distinguishes trees from buildings on the basis of object size. EA data products include the DTM with or without buildings removed, a vegetation height map, a DTM with bridges removed, etc. Most vegetation removal software ignores short vegetation less than say 1m high. We have attempted to extend vegetation height measurement to short vegetation using local height texture. Typically most of a floodplain may be covered in such vegetation. The idea is to assign friction coefficients depending on local vegetation height, so that friction is spatially varying. This obviates the need to calibrate a global floodplain friction coefficient. It’s not clear at present if the method is useful, but it’s worth testing further. The LiDAR DTM is usually determined by looking for local minima in the raw data, then interpolating between these to form a space-filling height surface. This is a low pass filtering operation, in which objects of high spatial frequency such as buildings, river embankments and walls may be incorrectly classed as vegetation. The problem is particularly acute in urban areas. A solution may be to apply pattern recognition techniques to LiDAR height data fused with other data types such as LiDAR intensity or multispectral CASI data. We are attempting to use digital map data (Mastermap structured topography data) to help to distinguish buildings from trees, and roads from areas of short vegetation. The problems involved in doing this will be discussed. A related problem of how best to merge historic river cross-section data with a LiDAR DTM will also be considered. LiDAR data may also be used to help generate a finite element mesh. In rural area we have decomposed a floodplain mesh according to taller vegetation features such as hedges and trees, so that e.g. hedge elements can be assigned higher friction coefficients than those in adjacent fields. We are attempting to extend this approach to urban area, so that the mesh is decomposed in the vicinity of buildings, roads, etc as well as trees and hedges. A dominant points algorithm is used to identify points of high curvature on a building or road, which act as initial nodes in the meshing process. A difficulty is that the resulting mesh may contain a very large number of nodes. However, the mesh generated may be useful to allow a high resolution FE model to act as a benchmark for a more practical lower resolution model. A further problem discussed will be how best to exploit data redundancy due to the high resolution of the LiDAR compared to that of a typical flood model. Problems occur if features have dimensions smaller than the model cell size e.g. for a 5m-wide embankment within a raster grid model with 15m cell size, the maximum height of the embankment locally could be assigned to each cell covering the embankment. But how could a 5m-wide ditch be represented? Again, this redundancy has been exploited to improve wetting/drying algorithms using the sub-grid-scale LiDAR heights within finite elements at the waterline.