Thèse soutenue

Photoactivation du PSII et régulation du transport d'électron photosynthétique chez Marchantia polymorpha : étude de l'homéostasie du manganèse et caractérisation des isoformes de la Plastid Terminal Oxidase (PTOX)

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Auteur / Autrice : Marine Messant
Direction : Andrew GallAnja Krieger-Liszkay
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Chimie
Date : Soutenance le 10/03/2023
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
référent : Faculté des sciences d'Orsay
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Michaël Hodges
Examinateurs / Examinatrices : Xenie Johnson, Marion Eisenhut, Sylvain Merlot
Rapporteurs / Rapporteuses : Xenie Johnson, Marion Eisenhut

Résumé

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L'évolution des organismes photosynthétiques a été marquée par de grands bouleversements (colonisation terrestre, développement des racines, des vaisseaux, des graines) pour aboutir à l'apparition des angiospermes.La photosynthèse est au cœur du métabolisme primaire des organismes photosynthétiques et a elle aussi fait l'objet de certains changements au cours de l'évolution. Elle permet de produire de l'énergie sous forme d'ATP et de NADPH à partir de l'énergie lumineuse. Pour cela, la réaction d'oxydation de l'eau, catalysée par le cluster de manganèse ( Mn4CaO5) est nécessaire. Le cluster de Mn est le seul biocatalyseur sur Terre capable de catalyser la production d'oxygène à partir de CO2. Son assemblage dépendant de la lumière, nommé photoactivation, est obligatoire pour la maturation du photosystème II (PSII). La photosynthèse est protégée et régulée par de nombreux mécanismes lui permettant de faire face aux changements environnementaux. Parmi eux, la famille des protéines PTOX (Plastid Terminal Oxidase) permet la protection du photosystème II.Le but de cette thèse est d'étudier deux mécanismes conservés à travers l'évolution de la lignée verte en caractérisant une plante modèle émergente : Marchantia polymorpha. Sa place dans l'évolution, entre les algues et les angiospermes, en fait un organisme idéal puisque l'apparition des angiospermes est marquée par la perte de nombreuses protéines régulatrices, y compris au niveau de la photosynthèse.Dans un premier temps, la photoactivation du PSII in vivo et in vitro a été étudiée. La culture de Marchantia dans des conditions d'excès et de carence en Mn a mis en évidence une atteinte au niveau du métabolisme pour le premier et de la photosynthèse pour la seconde. Ensuite, des PSII isolés d'épinards dépourvus de cluster ont été étudiés par Résonance Paramagnétique Électronique de Haut champs et des méthodes dérivés pour mettre en évidence les différents intermédiaires de la photoactivation et pour déterminer les ligands du premier Mn(II) fixé au PSII. D'autre part, la culture de Marchantia à l'obscurité, rendue possible grâce à une voie de biosynthèse de la chlorophylle indépendante de la lumière, a permis le suivi de la photoactivation in vivo en fonction du temps. La microscopie super-résolution a montré la dynamique des thylakoïdes pendant la photoactivation et la mise en place du flux d'électron.Dans une seconde partie, la régulation du transport d'électrons photosynthétique et en particulier la fonction des protéines PTOX a été abordée. Une approche phylogénétique a montré que Marchantia possède deux isoformes de PTOX dont la première est similaire à l'unique PTOX des angiospermes (PTOXa) alors que la seconde ressemble aux deux isoformes présents chez les algues vertes (PTOXb). Un simple mutant de chaque isoforme a été obtenu et caractérisé. Puis, un double mutant a été généré pour la première fois. Leur caractérisation a montré que les PTOX protègent contre la photoinhibition du photosystème I. Enfin, une analyse in silico a été menée sur les séquences protéiques de nombreux organismes photosynthétiques afin de déterminer des pistes concernant leur évolution en particulier sur la partie Nter des PTOX de type algue.Pour finir, une réflexion théorique sur la dynamique des membranes et des complexes photosynthétiques au cours de la mise en place de différents mécanismes de protection de la chaîne a été menée.En conclusion, Marchantia polymorpha est une plante modèle très importante pour l'avenir. Elle est facile à analyser et sa place dans l'évolution de la lignée verte permettra d'élargir la vision de la recherche sur la photosynthèse.