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RG-I and AGP, but not XG, are associated to the building of the peculiar mechanical properties of tension wood. Hardwood trees produce tension wood (TW) with specific mechanical properties to cope with environmental cues. Poplar TW fibers have an additional cell wall layer, the G-layer responsible for TW mechanical properties. We investigated, in two poplar hybrid species, the molecules potentially involved in the building of TW mechanical properties. First, we evaluated the distribution of the different classes of non-cellulosic polysaccharides during xylem fiber differentiation, using immunolocalization. In parallel, G-layers were isolated and their polysaccharide composition determined. These complementary approaches provided information on the occurrence of non-cellulosic polysaccharides during G-fiber differentiation. We found no evidence of the presence of xyloglucan (XG) in poplar G-layers, whereas arabinogalactan proteins (AGP) and rhamnogalacturonan type I pectins (RG-I) were abundant, with an apparent progressive loss of RG-I side chains during G-layer maturation. Similarly, the intensity of immunolabeling signals specific for glucomannans and glucuronoxylans varies during G-layer maturation. RG-I and AGP are best candidate matrix components to be responsible for TW mechanical properties.

Thèse réalisée en partie dans le cadre de l'ANR "Stress in Trees" (ANR-12- BS09-0004); Trees are long-living organisms which develop in a variable environment. During theirformation, they generate a tensile mechanical stress called maturation stress to fulfil essentialbiomechanical functions. In angiosperm species, trees adapt the mechanical state byproducing tension wood with high tensile stresses on the upper side of the leaning stem.Despite considerable research in this field during a number of years, the current knowledge onthe mechanism of the active stress generation in tension wood is still incomplete and needsimprovement.The first part of this study was to advance the understanding on the composition andorganisation of polymers within the secondary cell wall, as well as its orientation during thematuration of tension wood cell wall. Measurements performed on FTIR microscopyindicated that already before G-layer formation, a more ordered structure of carbohydrates atan angle more parallel to the fibre axis exists in tension wood. This was clearly different tothe behaviour of opposite wood. In tension wood, the lignin was more highly oriented in theS2 layer than in opposite wood. With the formation of the S2 layer in opposite wood and theG-layer in tension wood, the orientation signals from the amorphous carbohydrates likehemicelluloses and pectins were different between opposite wood and tension wood. Fortension wood, the orientation for these bands remains the same all along the cell wallmaturation process, probably reflecting a continued deposition of xyloglucan or xylan, withan orientation different to that in the S2 wall, throughout the whole process.The second part of this study was to improve the current knowledge on the matrix behaviourby studying the mesoporosity and its evolution during the building and maturation of tensionwood cell wall. Results on two kinds of tension wood suggested that mesoporosity can alwaysbe detected near cambium zone for both tension and opposite wood. The high porositydecreased gradually with the lignification in the developing cell wall, with an exception intension wood with G-layer. The typical ink-bottle pore and the increase of median pore sizeare observed in both kinds of tension wood, indicating non-G-layer species may share thesame mechanism of tensile stress generation as in tension wood with G-layer.This study aims to contribute an increased understanding on the maturation stress generationin trees and may allow to improve the modelling of matrix behaviour during cell wallmaturation.; Les arbres sont des organismes de grande longévité qui se développent dans unenvironnement variable. Au cours de leur formation, ils génèrent une tension appeléecontrainte de maturation pour remplir des fonctions biomécaniques essentielles. Chez lesangiospermes, les arbres adaptent leur état mécanique par la production de bois de tensionavec de fortes contraintes de traction sur la face supérieure de la tige penchée. Malgré lesrecherches considérables dans ce domaine durant de nombreuses années, les connaissancesactuelles sur le mécanisme de la génération active de contrainte dans le bois de tension sontencore incomplètes et doivent être améliorées.La première partie de cette étude était de faire progresser la compréhension de la compositionet de l'organisation des polymères de la paroi cellulaire secondaire, ainsi que leur orientationau cours de la maturation de la paroi cellulaire du bois de tension. Les mesures effectuées surla microscopie FTIR ont indiqué qu’avant même la formation de la couche G, il existait unestructure d’hydrates de carbone ordonnée à un angle plus parallèle à l’axe de la fibre dans lebois de tension. Ces résultats étaient clairement différents du comportement du bois opposé.Dans le bois de tension, la lignine était plus fortement orientée dans la couche S2 que dans lebois opposé. Avec la formation de la couche S2 dans le bois opposé et de la couche G dans lebois de tension, les signaux d'orientation des hydrates de carbone amorphes tels que leshémicelluloses et les pectines sont différents entre le bois de tension et le bois qui lui estopposé. Pour les bois de tension, l'orientation de ces bandes est la même tout au long duprocessus de maturation de la paroi cellulaire, ce qui reflète probablement un dépôt continu dexyloglucane ou de xylane, avec une orientation différente de celle de la paroi S2 pendant toutle processus.La seconde partie de ce travail était d’améliorer les connaissances actuelles sur lecomportement de la matrice par l'étude de la mésoporosité et de son évolution lors de laconstruction et de la maturation de la paroi cellulaire du bois de tension. Les résultats surdeux types de bois de tension suggèrent que la mésoporosité peut toujours être détectée prèsde la zone de cambium autant pour le bois de tension que pour le bois opposé. La forteporosité diminue progressivement avec la lignification dans la paroi cellulaire endéveloppement, avec une exception pour le bois de tension à couche G. La porosité de typebouteille d’encre et l'augmentation de la taille médiane des pores sont observées dans les deuxtypes de bois de tension, indiquant que les espèces de bois de tension avec et sans couches Gpeuvent partager le même mécanisme de génération de contrainte de traction.Cette étude contribue à une meilleure compréhension de la génération de contraintes dematuration dans les arbres et peut servir de base pour l'amélioration de la modélisation ducomportement de la matrice au cours de la maturation de la paroi cellulaire.

The mechanism of active stress generation in tension wood is still not fully understood. To characterize the functional interdependency between the G-layer and the secondary cell wall, nanostructural characterization and mechanical tests were performed on native tension wood tissues of poplar (Populus nigra x Populus deltoids) and on tissues in which the G-layer was removed by an enzymatic treatment. In addition to the well-known axial orientation of the cellulose fibrils in the G-layer, it was shown that the microfibril angle of the S2-layer was very large (about 36 degrees). The removal of the G-layer resulted in an axial extension and a tangential contraction of the tissues. The tensile stress-strain curves of native tension wood slices showed a jagged appearance after yield that could not be seen in the enzyme-treated samples. The behaviour of the native tissue was modelled by assuming that cells deform elastically up to a critical strain at which the G-layer slips, causing a drop in stress. The results suggest that tensile stresses in poplar are generated in the living plant by a lateral swelling of the G-layer which forces the surrounding secondary cell wall to contract in the axial direction.

Growth stresses, longitudinal MOE in green and air-dry conditions and shrinkage in longitudinal and tangential directions were measured on 96 chestnut small samples characterised on the standing tree by a prestress ranging from a slight compression to a strong tension. On these samples, anatomical observations allowed to determine the content in fibres with a gelatinous layer (G layer). The influence of these atypical fibres on macroscopic wood properties is examined and discussed and their properties in theoretically isolated conditions are determined using a basic model.Fibres with G layer seeming to be the driving force of the strong axial shrinkage of tension wood, an observation of the drying behaviour on the cell wall scale is finalised. Observations with scanning electron microscopy and atomic force microscopy show that, besides its strong transverse shrinkage, the G layer exhibits also a very strong longitudinal shrinkage. A simple modelling approach of with finite elements is proposed to account for the observed phenomena.To obtain the data required for the modelling, two tools are finalised for an estimation of elastic and viscoelastic properties of the cell wall layers. The development of a transmission acoustic microscope and the use of the atomic microscopy in vibrating contact mode allow to envisage the quantitative characterisation of mechanical properties at the cell wall scale in various humidity conditions.; Des mesures de contraintes de croissance, de module élastique aux états saturé et sec, de point de saturation des fibres et de retrait au séchage sont réalisées sur 96 petits échantillons de châtaigner caractérisés dans l'arbre par une précontrainte allant d'une légère compression jusqu'à une forte tension. Sur ces échantillons, des observations anatomiques ont permis de déterminer le pourcentage de fibres à couche gélatineuse (couche G). L'influence de ces fibres atypiques sur les propriétés macroscopiques du bois est examinée et discutée. Les propriétés de ces fibres dans des conditions théoriques isolées sont ensuite déterminées par un modèle simple.Les fibres à couche G semblant être le moteur du fort retrait axial du bois de tension, une observation du comportement au séchage à l'échelle de la paroi cellulaire est mise au point. Des observations en microscopie électronique à balayage et en microscopie à force atomique montrent que, en plus de son fort retrait transverse, la couche G a aussi un très fort retrait longitudinal. Une approche simple de modélisation par éléments finis est proposée pour rendre compte des phénomènes observés.Afin de récolter des données pour la modélisation, deux outils complémentaires sont mis au point pour une estimation des propriétés élastiques et viscoélastiques des couches de la paroi cellulaire. La réalisation d'un microscope acoustique en transmission et l'utilisation de la microscopie atomique en mode contact vibrant permettent d'envisager la caractérisation quantitative des propriétés mécaniques à l'échelle de la paroi dans différentes conditions d'humidité.

Growth stresses, longitudinal MOE in green and air-dry conditions and shrinkage in longitudinal and tangential directions were measured on 96 chestnut small samples characterised on the standing tree by a prestress ranging from a slight compression to a strong tension. On these samples, anatomical observations allowed to determine the content in fibres with a gelatinous layer (G layer). The influence of these atypical fibres on macroscopic wood properties is examined and discussed and their properties in theoretically isolated conditions are determined using a basic model. Fibres with G layer seeming to be the driving force of the strong axial shrinkage of tension wood, an observation of the drying behaviour on the cell wall scale is finalised. Observations with scanning electron microscopy and atomic force microscopy show that, besides its strong transverse shrinkage, the G layer exhibits also a very strong longitudinal shrinkage. A simple modelling approach of with finite elements is proposed to account for the observed phenomena. To obtain the data required for the modelling, two tools are finalised for an estimation of elastic and viscoelastic properties of the cell wall layers. The development of a transmission acoustic microscope and the use of the atomic microscopy in vibrating contact mode allow to envisage the quantitative characterisation of mechanical properties at the cell wall scale in various humidity conditions., Des mesures de contraintes de croissance, de module élastique aux états saturé et sec, de point de saturation des fibres et de retrait au séchage sont réalisés sur 96 petits échantillons de châtaigner caractérisés dans l’arbre par une précontrainte allant d’une légère compression jusqu'à une forte tension. Sur ces échantillons, des observations anatomiques ont permis de déterminer le pourcentage de fibres à couche gélatineuse (couche G). L'influence de ces fibres atypiques sur les propriétés macroscopiques du bois est examiné et discuté. Les propriétés de ces fibres dans des conditions théoriques isolées sont ensuite déterminées par un modèle simple. Les fibres à couche G semblant être le moteur du fort retrait axial du bois de tension, une observation du comportement au séchage à l'échelle de la paroi cellulaire est mise au point. Des observations en microscopie électronique à balayage et en microscopie à force atomique montrent que, en plus de son fort retrait transverse, la couche G a aussi un très fort retrait longitudinal. Une approche simple de modélisation par éléments finis est proposée pour rendre compte des phénomènes observés. Afin des récolter des données pour la modélisation, deux outils complémentaires sont mis au point pour une estimation des propriétés élastiques et viscoélastiques des couches de la paroi cellulaire. La réalisation d'un microscope acoustique en transmission et l'utilisation de la microscopie atomique en mode contact vibrant permettent d’envisager la caractérisation quantitative des propriétés mécaniques à l'échelle de la paroi dans différentes conditions d'humidité.

Background Due to its peculiar properties, tension wood formation constitutes a remarkable adaptation mechanism, that makes possible for the tree to reorientate its axes (stem and branches) in response to environnemental cues. In poplar, tension wood fibres harbour an extra cell wall layer, the G-layer, responsible for the peculiar mechanical properties of tension wood. This G-layer is very thick, most likely devoid of lignins and strongly enriched in highly cristalline cellulose. In addition, cellulose microfibril orientation is almost parallel to the fibre axis. We aim to identify molecular actors responsible for the tensioning of cellulose microfibrils and we choose as candidate, molecules containing complex carbohydrates, such as pectin and the glycosylated part of arabinogalactan proteins. Indeed, a wide array of different carbohydrates has been recently evidenced in the G-layer, suggesting the occurrence of complex polysaccharides other than cellulose within this layer (1, 2).