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Séminaire


Soutenance de thèse

Etude des mécanismes de dissipation de l’excès d’énergie au cours de la photosynthèse chez la microalgue Chlamydomonas reinhardtii

Du 27/04/2017 au 27/04/2017
Frédéric Chaux (SBVME/LB3M)

​Conférencier : Frédéric Chaux (SBVME/LB3M)

Résumé

La photosynthèse oxygénique est le processus par lequel les végétaux capturent la lumière du soleil et assimilent le CO2 atmosphérique. La domestication de la photosynthèse, notamment chez les microalgues, représente un enjeu grandissant car elle pourrait permettre de mieux tirer parti de l'énergie solaire via la production de ressources biologiques telles que les biocarburants. Dans le milieu naturel, la photosynthèse est soumise à des conditions fluctuantes d'éclairement : des mécanismes de régulations complexes sont impliqués dans son bon fonctionnement. Il a été suggéré que la productivité maximale de la photosynthèse en régime non-fluctuant soit restreinte par certains de ces mécanismes. L'objectif de cette thèse a été d'examiner, en utilisant la microalgue eucaryote Chlamydomonas reinhardtii comme modèle biologique, les contributions relatives, les interactions fonctionnelles et l'impact sur l'efficacité de la photosynthèse de certains de ces mécanismes. Nous avons principalement porté notre attention sur : le flux cyclique d'électrons (CEF) autour du Photosystème I (PSI) impliquant les protéines PGR5 et PGRL1, la dissipation thermique au niveau des antennes du PSII (NPQ) impliquant la protéine LHCSR3, ainsi que la photoréduction de l'oxygène. Dans une courte revue bibliographique, nous avons proposé que ces mécanismes de régulation des transferts d'électrons concourent de manière coordonnée à la photoprotection du PSI.

Afin d'explorer les contributions respectives du NPQ et du CEF au contrôle de la photosynthèse en réponse à un fort éclairement, nous avons comparé les comportements du mutant npq4, déficient pour LHCSR3, du mutant pgrl1, déficient pour PGRL1, et du double mutant pgrl1 npq4 à ceux de la souche de type sauvage. Les expériences ont été réalisées à l'aide d'un système expérimental constitué de photobioréacteurs instrumentés menés en mode turbidostat, permettant la mesure des taux de croissance et d'assimilation du CO2. Nous avons mis en évidence que le NPQ et le CEF peuvent se substituer l'un à l'autre pour maintenir l'assimilation de CO2 et protéger le PSI au cours de l'acclimatation en forte lumière. Nous avons également montré que ces mécanismes ne limitent pas la productivité photosynthétique dans ces conditions non-limitantes en CO2 et en lumière. Afin de mettre en évidence de nouveaux facteurs de régulations, deux approches génétiques ont ensuite été mises en place. D'une part, une banque de mutants a été générée à partir du mutant pgrl1 par insertion aléatoire dans le génome nucléaire, puis criblée sur la fluorescence de la chlorophylle. D'autre part, nous avons étudié l'implication de la flavoprotéine à centre Fe-Fe (FlvB) dans le fonctionnement de la photosynthèse en caractérisant des mutants d'insertion (flvB). Les mesures d'échanges d'oxygène indiquent que FlvB est impliquée dans un flux considérable d'électrons vers l'oxygène lors de transitions de l'obscurité à la lumière. A partir de mesures spectroscopiques, nous avons proposé que la photoréduction de l'oxygène dépendant de FlvB, en permettant notamment la formation d'un gradient de protons et la protection du PSI, est cruciale en lumière fluctuante pour le fonctionnement de la photosynthèse et pour la croissance des microalgues.

Abstract

Oxygenic photosynthesis is the process by which plants capture sunlight and assimilate atmospheric CO2. Photosynthesis domestication is an issue of growing interest, especially in microalgae, because it could make better use of solar energy through the production of biological resources such as biofuels. In natural conditions, photosynthesis is subject to fluctuating light: complex regulatory mechanisms are involved in its proper functioning. It has been suggested that the maximum productivity of photosynthesis under a non-fluctuating regime may be restricted by some of these mechanisms. The aim of this thesis was to examine relative contributions, functional interactions and impacts on the photosynthetic efficiency of some of these mechanisms, using the eukaryotic microalga Chlamydomonas reinhardtii as a biological model. The following mechanisms have been investigated: cyclic electron flow (CEF) around Photosystem I (PSI) involving PGR5 and PGRL1 proteins, heat dissipation at the PSII antennas (NPQ) involving the LHCSR3 protein, and photoreduction of oxygen. In a short bibliographic review, we proposed that these mechanisms of electron transfer regulation act in a coordinated manner to ensure PSI photoprotection.

In order to explore the respective contributions of NPQ and CEF to the control of photosynthesis in response to high light, we compared the behavior of the npq4 mutant, deficient for LHCSR3, the pgrl1 mutant, deficient for PGRL1, and the double mutant pgrl1 npq4 to that of the wild-type strain. The experiments were carried out using an experimental set-up of instrumented photobioreactors operated in turbidostat mode, enabling us to measure growth and CO2 assimilation rates. We show that NPQ and CEF can substitute for each other to maintain the CO2 assimilation and to protect PSI during acclimation to high light. We also disclose that these mechanisms do not limit photosynthetic productivity under these conditions of both non-limiting CO2 and light. In order to evidence new regulatory factors, two genetic approaches were then implemented. First, a mutant library was generated from the pgrl1 mutant by random insertion into the nuclear genome and then screened on chlorophyll fluorescence. Second, we questioned the involvement of the flavodiiron protein FlvB in the function of photosynthesis by characterizing insertion mutants (flvB). Oxygen exchange measurements indicate that FlvB is involved in a massive flow of electrons towards oxygen during transitions from darkness to light. Based on spectroscopic measurements, we propose that FlvB-dependent oxygen photoreduction, by allowing formation of proton gradient and PSI photoprotection, is crucial for photosynthesis functioning and growth under fluctuating light regimes in microalgae. 

Infos Pratiques

​La soutenance aura lieu au CEA Cadarache, amphithéâtre du bât 120 à partir de 14h.

Pour les extérieurs, merci de contacter Najat Comte au 04 42 25 27 53 pour les formalités d'entrée sur le centre.

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