Approches quantitatives d’imagerie pour explorer les cellules photosynthétiques

Quantitative imaging methods to investigate photosynthetic cells

• Auteur / Autrice : Clarisse Uwizeye
• Direction : Denis Falconet, Giovanni Finazzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie végétale
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physiologie cellulaire végétale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Breton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Falconet, Giovanni Finazzi, Samuel Zeeman
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cécile Raynaud, Benjamin Engel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Organites -- Formation

Symbiose

Phytoplancton d'eau douce

Phytoplancton marin

Morphométrie

Mots clés libres

Imagerie 3D

Fib-Sem

Analyses morphométriques

Phytoplancton

Photosymbiose

Organites

3D imaging

Fib-Sem

Morphometric analyses

Phytoplankton

Photosymbiosis

Organelles

Résumé

Le phytoplancton est le groupe de micro-organismes photosynthétiques (microalgues et cyanobactéries) vivant en suspension dans les eaux marines et douces. Grâce à la photosynthèse, le phytoplancton produit de grandes quantités d'oxygène indispensable à la vie marine et terrestre. Les microalgues marines sont également des organismes prometteurs pour les applications biotechnologiques (alimentation humaine et animale, biocarburants). En raison de leur importance écologique et économique, l'étude des réponses du phytoplancton aux défis environnementaux (y compris ceux induits par l'activité humaine et le réchauffement climatique) est un domaine de recherche en plein développement. L'activité du phytoplancton est influencée par les changements dans la stratification verticale de la colonne d'eau qui module, en fonction de la température, la disponibilité de l'énergie lumineuse ainsi que l'apport de nutriments aux cellules du phytoplancton. En raison de la disponibilité de la lumière et des nutriments, les cellules du phytoplancton ont évolué vers différents modes de vie : autotrophie (activité photosynthétique), mixotrophie (utilisation simultanée de la photosynthèse et de l’utilisation ? de sources de carbone extérieures pour la croissance) et photosymbiose (interactions symbiotiques avec des cellules animales).Dans cette thèse, j'ai étudié les réponses physiologiques des cellules du phytoplancton aux changements environnementaux au niveau cellulaire et sous-cellulaire. Pour atteindre cet objectif, j'ai mis au point un processus d'imagerie complet permettant d'effectuer des analyses morphométriques quantitatives de cellules entières d'algues représentatives à la fois d'espèces à succès écologique et de modèles de laboratoire. Le protocole commence avec l’acquisition de séries d’images hautes résolutions soit par FIB-SEM (Focused Ion Beam - Scanning Electron Microscopy) ou SBF-SEM (Serial Block Facing – Scanning Electron Microscopy). Le protocole d'analyse d'images 3D développé dans ce travail permet d'obtenir des modèles tridimensionnels à haute résolution de cellules entières permettant la réalisation d'analyses quantitatives. Grâce à ces outils, j'ai pu imager l'adaptation du phytoplancton à diverses conditions environnementales révélant ainsi : 1) le changement de taille et de morphologie des plastes et des mitochondries lors de l'acclimatation à la lumière dans les diatomées, 2) le changement dans l'interaction des organites chez Nannochloropsis lors de l'acclimatation aux nutriments, 3) les changements morphologiques qui surviennent lors de la photosymbiose dans l’algue Phaeocystis.Ces travaux révèlent plusieurs scénarios d'acclimatation du phytoplancton au niveau cellulaire et subcellulaire. J'ai également pu valider l'utilisation de ce protocole chez les plantes dans une étude sur la biogenèse des chloroplastes lors de la dé-étiolation des cotylédons d’Arabidopsis.

Phytoplankton is the group of photosynthetic microorganisms (microalgae and cyanobacteria) living in suspension in marine and fresh waters. Through photosynthesis, phytoplankton produce large amounts of the oxygen essential for marine and terrestrial life. Marine microalgae are also promising organisms for biotechnological applications (human and animal food, biofuels). Because of their ecological and economic importance, the study of the phytoplankton responses to environmental challenged (including the ones induced by human activity and global warming) is a developing field of research. Phytoplankton activity is influenced by changes in the vertical stratification of the water column, which modulate light energy availability as well as nutrient supply to phytoplankton cells in a temperature-dependent manner. Based on light and nutrient availability, phytoplankton cells have evolved different lifestyles: autotrophy (photosynthetic activity), mixotrophy (simultaneous use of photosynthesis and respiration of exogenous carbon sources for growth) and photosymbiosis (symbiotic interactions with animal cells).In this thesis, I have studied the physiological responses of phytoplankton cells to environmental changes at the cellular and subcellular levels. To achieve this goal, I have developed a complete imaging workflow to perform quantitative morphometric analyses of entire algal cells, representatives of ecologically-successful and laboratory-model microalgal species. The protocol starts with FIB-SEM (Focused Ion Beam - Scanning Electron Microscopy) or SBF-SEM (Serial Block Facing – Scanning Electron Microscopy), to acquire high-resolution images. By implementing the 3D image analysis protocol, it is possible to obtained high-resolution whole cells models in three dimensions, suitable to perform quantitative analyses. Thanks to these tools, I have been able to image the adaptation of phytoplankton to various environmental conditions: i. changes in the size and morphology of plastids and mitochondria during light acclimation in diatoms, ii. changes in organelles interaction during nutrient acclimation in Nannochloropsis, iii. morphological changes occurring during photosymbiosis in Phaeocystis.Overall, this work reveals several scenarios of phytoplankton acclimation at both the cellular and subcellular levels. I have also validated the use of this protocol in plants in a study on chloroplast biogenesis during de-etiolation in Arabidopsis. of plastids.