Frequency-domain analysis of the fluorescence lifetime of photosynthetic systems

• Auteur / Autrice : Nicolae Moise
• Direction : Ismaël Moya, Mihail-Lucian Pascu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences biologiques
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Fluorimétrie de phase et de modulation

Hétérogénéité

Chlorophylle

Rendement quantique

Changement conformationnel

Résumé

A la différence de la fluorescence des molécules isolées, la fluorescence des systèmes photosynthétiques in vivo se caractérise par un rendement quantique variable avec l'éclairement en fonction de la capacité du système à convertir l'énergie. Nous avons développé deux nouveaux instruments basés sur la technique de fluorimétrie de phase et de modulation (FPM) dans le domaine 30-500 MHz. Ils permettent la mesure des changements de la durée de vie de fluorescence qui accompagnent la variation du rendement quantique. La FPM a permis d'obtenir pour la première fois une décomposition directe des hétérogénéités de fluorescence pendant une induction complète de fluorescence. Malgré cette hétérogénéité, une quasi-proportionnalité entre la durée de vie moyenne et le rendement de fluorescence a été mis en évidence. Des hypothèses sur la structure et le fonctionnement du PSII ont donc été proposées pour concilier les deux aspects de l'émission de la fluorescence chlorophyllienne in vivo: hétérogène structurellement et homogène cinétiquement. Nous avons prouvé, sur la base d'un modèle cinétique à trois compartiments, que l'hétérogénéité de la fluorescence est due à la compartimentation de l'énergie d'excitation dans les antennes. Le troisième compartiment, un complexe chlorophylle protéine faiblement lié à l'antenne du PSII, a été trouvé responsable pour le changement conformationnel rapide pendant la phase thermique de l'induction de fluorescence. Il se manifeste en lumière modérée par un déplacement transitoire vers le bleu du maximum rouge à 685 nm du spectre de fluorescence est traduit un fort déséquilibre de l'appareil photosynthétique dans les premières secondes d'illumination. La mesure de la durée de vie de fluorescence peut être utilisée avec succès pour étudier à distance l'organisation et le fonctionnement de l'appareil photosynthétique, pour y détecter précocement un disfonctionnement et pour estimer de façon directe le rendement quantique absolu de la fluorescence.

Contrary to the chlorophyll fluorescence in solution, the fluorescence of photosynthetic systems in vivo is characterized by a variable quantum yield, which depends on the system's capacity to convert the excitation energy. Based on the phase and modulation fluorometry (PMF) technique, we developed two newly instruments in the 30-500 MHz range, which measure the fluorescence lifetime changes during the fluorescence induction with a millisecond sampling rate. The multi-frequency PMF allowed us to obtain for the first time a direct decomposition of fluorescence heterogeneities during a complete fluorescence induction upon a dark to light transition in leaves. In spite of this heterogeneity, a quasi-proportionality between the average lifetime and quantum yield during the fluorescence induction was obtained. Therefore, proposals to reconcile the two aspects of the chlorophyll fluorescence emission in-vivo, heterogeneous structure and homogeneous kinetics were made. We proved, on the basis of a kinetic model with three compartments, that the heterogeneity of the fluorescence is due to the compartmentation of the excitation energy in the antenna of PSII. The third compartment, a loosely connected chlorophyll-protein complex located on the minor antenna or on the reaction center of PSII, was also found to be responsible for the fast conformational change during the thermal phase of the fluorescence induction. A transitory blue shift of the red maximum at 685 nm of the chlorophyll fluorescence spectrum strongly sustains our hypothesis. The fast conformational change observed during the thermal phase is different from the conformational change due to the aggregation of the antenna as photoregulation mechanism. The multi-frequency PMF proved to be a new and powerful methodological approach for the analysis of the variable fluorescence and excitation energy dynamics of the photosynthetic apparatus.