Mécanismes physiologiques et moléculaires impliqués dans la survie de Fragilariopsis cylindrus (diatomée polaire) à une période d’obscurité prolongée

Physiological and molecular mechanisms involved in the survival of Fragilariopsis cylindrus (polar diatom) to prolonged darkness

• Auteur / Autrice : Théo Sciandra
• Direction : Chris Bowler, Marcel Babin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 22/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Université Laval (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie de l'École normale supérieure (Paris ; 2010-....) - Laboratoire de recherche international Takuvik (Québec, Canada)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacqui Shykoff
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Maréchal, Benoît Schoefs, Connie Lovejoy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Maréchal, Benoît Schoefs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Obscurité

Stratégies de survie (biologie)

Diatomées

Mots clés libres

Diatomée polaire

Obscurité prolongée

Survie

Cytométrie en flux

Réserves de carbone

Métabolisme

Polar diatom

Prolonged darkness

Survival

Flow cytometry

Carbon reserves

Metabolism

Résumé

Les zones polaires sont caractérisées par des conditions environnementales extrêmes dont les variations mettent à rude épreuve les capacités d’acclimatation des organismes sessiles et planctoniques marins. L’un des grands défis rencontrés par les organismes autotrophes est de survivre dans aux longs mois d’hiver privés de lumière. Au printemps, les microalgues (eucaryotes majoritairement unicellulaires) ayant survécu forment d’importantes efflorescences (blooms) qui supportent la production estivale du reste du réseau trophique. Les diatomées, particulièrement bien adaptées aux zones océaniques turbulentes riches en nutriments, dominent la production primaire aux pôles. Elles sont souvent les premières à initier les efflorescences printanières, illustrant leur extraordinaire capacité à survivre à la nuit polaire, mais également à reprendre leur croissance après une très longue période d’inactivité. Bien qu’étudiés à de nombreuses reprises par le passé, les processus impliqués dans leur survie sont encore aujourd’hui mal connus.Le projet Green Life in the Dark, au sein duquel cette thèse a été réalisée, a pour but d’élucider les mécanismes physiologiques et génétiques impliqués dans la survie des diatomées pendant et juste après la nuit polaire. Pour ce faire, des cultures de Fragilariopsis cylindrus (diatomée polaire pennée) ont été soumises en laboratoire à quatre périodes d’obscurité longues d’un à cinq mois, chacune suivie d’une période de ré-illumination. F. cylindrus domine souvent la production des blooms en Arctique et en Antarctique. Elle peut par ailleurs croître attachée sous la glace, et dans la colonne d’eau, faisant d’elle une représentante pertinente des diatomées polaires. Son génome a également été publié.Nous nous sommes premièrement attelés à tester l’intérêt de l’utilisation de la cytométrie en flux dans l’étude de la survie. Cette technique a permis de suivre les variations de différents paramètres physiologiques des cultures au niveau de la cellule, une première dans ce champ de recherche.Les résultats ont permis d’illustrer l’importance de prendre en considération les potentielles variations interindividuelles au sein d’une population de cellules lors d’une acclimatation longue à l’obscurité. Après plusieurs semaines sans lumière, deux sous-populations dérivant de la population initiale ont pu être détectées, et leurs caractéristiques physiologiques étudiées. Trois causes de mortalité ont pu être identifiées.Les grands réservoirs de molécules riches en carbone (sucres, lipides et protéines) permettent de stocker les photosynthétats. L’utilisation de ces réserves permet aux organismes de compenser un déficit d’apports énergétiques exogènes, en fournissant les métabolites nécessaires au fonctionnement de la cellule. Associée à un ralentissement du métabolisme, cette stratégie est utilisée par certaines diatomées pour survivre à la nuit polaire. Cependant, les mécanismes sous-jacents restent mal compris. Le second objectif de cette thèse était donc, grâce une double approche, de suivre la gestion du métabolisme de F. cylindrus à l’obscurité. Premièrement, en étudiant la régulation de la transcription des voies métaboliques associées aux grands compartiments de carbone, puis en suivant les variations de la taille et de la nature de ces derniers. Les analyses ont permis de confirmer la dégradation de différents stocks de carbone accumulés avant l’obscurité, ainsi que le ralentissement métabolique attendu. Les données de transcriptomique ont notamment permis de souligner l’importance des voies de dégradation de certains acides aminés ramifiés ou aromatiques. L’analyse des différentes familles de molécules a montré que les lipides et carbohydrates de réserve ont été dégradés à court et moyen termes, alors que les protéines, biomasse fonctionnelle, ont été recyclées dans un second temps, probablement pour pallier la diminution d’énergie provenant d’autres compartiments.

The polar regions are characterized by extreme environmental conditions whose variations challenge the acclimation capabilities of marine sessile and planktonic organisms. One of the major challenges faced by autotrophic organisms is to survive in darkness during the long winter months. In the spring, the surviving microalgae (mostly unicellular eukaryotes) form large blooms that support the rest of the food web for summer production. Diatoms, particularly well adapted to turbulent nutrient-rich oceanic zones, dominate primary production at the poles. They are often the first to initiate spring blooms, illustrating their extraordinary ability to survive the polar night, but also to resume growth after a very long period of inactivity. Although studied many times in the past, most of the processes involved in survival remain poorly understood.The Green Life in the Dark project, in which this thesis was carried out, aims at elucidating the physiological and genetic mechanisms involved in the survival of diatoms during and just after the polar night. To do so, cultures of Fragilariopsis cylindrus (polar pennate diatom) were subjected in the laboratory to four periods of darkness lasting from one to five months, each followed by a period of re-illumination. F. cylindrus often dominates bloom production in the Arctic and Antarctic. It can also grow attached under the ice and in the water column, making it a relevant representative of polar diatoms. Its genome has also been published.We first set out to test the value of using flow cytometry in the study of survival. This technique allowed us to follow the variations of different physiological parameters of the cultures at the single-cell level, a first in this field of research. The results illustrated the imperatoris, matreque Galla.importance of considering the potential inter-individual variations occurring within a population of cells during a long acclimation to darkness. After several weeks in the dark, two subpopulations derived from the initial population were observed and their physiological characteristics studied. Three causes of mortality were identified.The large reservoirs of carbon-rich molecules (sugars, lipids and proteins) are used to store photosynthates. The use of these reserves allows organisms to compensate for a deficit in exogenous energy supply, by providing the metabolites necessary for the functioning of the cell. Associated with a slowing down of the metabolism, this strategy is used by some diatoms to survive the polar night. However, the underlying mechanisms remain poorly understood. The second objective of this thesis was therefore, through a dual approach, to follow the managment of the metabolism of F. cylindrus in the dark. First, by studying the regulation of the transcription of metabolic pathways associated with large carbon compartments, and then by following the variations of the size and nature of the latter. Analyses confirmed the degradation of different carbon stocks accumulated before darkness, as well as the expected metabolic slowdown. The transcriptomic data allowed to underline the importance of the degradation pathways of some branched and aromatic amino acids. The analysis of the different families of molecules showed that reserve lipids and carbohydrates were degraded in the short and medium term, while proteins, the functional biomass, were recycled in a second phase, probably to compensate for the decrease in energy from other compartments.