Дисертації з теми "Photosynthèse – Acclimatation"

Parmi les organismes photosynthétiques aquatiques, les diatomées marines sont responsables du quart de la fixation annuelle du carbone inorganique dans les océans. Les rayonnements ultraviolets (UV) induisent une réduction de productivité de ces micro algues entraînant des effets négatifs aussi bien au niveau économique (conchyliculture) qu'au niveau écologique (cycles biogéochimiques). Ce travail de thèse porte sur l'étude expérimentale de l'acclimatation à court terme aux rayonnements UV de cinq diatomées marines: Amphora coffeaeformis, Entomoneis paludosa, Haslea ostrearia, Odontella aurita et Skeletonema costatum. L'originalité de ce travail réside dans le fait que la dynamique de la phase d'acclimatation a été étudiée chez ces cinq espèces exposées à un stress UV (UV-A et UV-B) de 5 h appliqué au milieu de la photopériode et durant 8 jours consécutifs. Des mesures de fluorescence de la chlorophylle a (fluorimétrie modulée), au cours du traitement UV, ont permis de suivre en continu l'évolution des paramètres photosynthétiques (rendement quantique maximal et effectif, taux relatif maximum de transport des électrons) et de quantifier à la fois les dommages subis au niveau de l'appareil photosynthétique et d'éventuelles réparations. La récupération (en dehors des périodes de stress) au niveau des paramètres mesurés semble être un facteur clef de l'acclimatation. L'utilisation de la lincomycine a permis de montrer que la protéine Dl du photosystème II est une une cible importante des UV et que son taux de renouvellement augmente au fur et à mesure des expositions. L'ensemble des résultats indique que Skeletonema costatum est incapable de s'acclimater aux UV. La quantification des constantes de dommages et de réparation met en évidence les capacités d'acclimatation aux UV des autres diatomées étudiées. Ainsi, Amphora coffeaeformis, Entomoneis paludosa et Haslea ostrearia voient leurs photosystèmes s'acclimater au stress UV grâce aux phénomènes de récupération et de réparation tandis que chez Odontella aurita, la réparation est importante mais l'absence de récupération et de mécanismes de défense et/ou de protection ne permet pas à cette espèce de compenser l'ensemble des dommages subis. Par ailleurs, les diatomées mettent en place des mécanismes de défense et de protection vis à vis des formes réactives de l'oxygène dont la production est augmentée sous traitement UV. Parmi ces mécanismes, l'activité d'enzymes antioxydantes a été suivie durant la phase d'acclimatation. Nos résultats indiquent qu'une réduction globale de ces activités est liée à la sensibilité des diatomées aux UV. La phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPCase) intervient, comme la ribulose bisphosphate carboxylase, dans la fixation du carbone inorganique chez les diatomées. De plus, l'anhydrase carbonique (AC) joue un rôle important dans l'approvisionnement en carbone inorganique chez les diatomées. Afin de déterminer à quel niveau les UV agissent sur ces enzymes (sur l'activité enzymatique ou au niveau de la transcription des gènes), les gènes codant l'a-AC, la B-AC et la PEPCase ont été recherchés chez A. Coffeaeformis. Il a été mis en évidence une séquence partielle de la PEPCase (357 aa) présentant une forte identité avec les PEPCases de plantes supérieures mais formant, avec les séquences connues de deux autres diatomées, un groupe bien distinct. Les premiers essais de quantification des transcrits au cours de 8 jours d'exposition indiquent que les UV induiraient une inhibition de la transcription de la PEPCase chez A. Coffeaeformis. Ces diverses approches ont permis de mettre en évidence des différences de comportements des diatomées vis à vis des rayonnements UV avec un effet majeur au niveau physiologique (photosystème II) et moléculaire (PEPCase)
Among the photosynthetic aquatic organisms, marine diatoms are responsible for a quarter of the annual incorporation of inorganic carbon in the oceans. Ultraviolet radiation (UV) induces a reduction of productivity of these microalgae, which has negative impacts on the economical (shellfish industry) as on the ecologicallevel (biogeochemical cycles). This thesis focuses on the short-term acclimation to UV radiation in five marine diatoms : Amphora coffeaeformis, Entomoneis paludosa, Haslea ostrearia, Odontella aurita and Skeletonema costatum. The originality of this work was the study of the dynamics of the acclimation phase of the different species exposed to UV radiation. The UV stress consisted in 5h exposure to a combination of UV-A and UV-B radiation applied in the middle of the photoperiod, repeated on 8 consecutive days. Measurements of in vivo chlorophyll fluorescence (modulated fluorimetry), during the UV treatment, allowed to continuously record the changes in photosynthetic parameters (maximum quantum efficiency and effective maximum electron transport rate) and to quantify damage at the photosynthetic apparatus and possible repairs. Recovery (after the stress) estimated by means ofmeasured photosynthetic parameters appears to be a key factor for acclimation. The use of lincomycin demonstrated that the Dl PSII protein was a major target of UV radiation and its turn-over rate increased with exposure. The overall results indicated that S. Costatum is un able to acclimate to UV. The quantification of constants of damage and repair illustrated the capabilities of UV acclimation in the other four diatoms. Thus, in A. Coffeaeformis, E. Paludosa and H. Ostrearia, PSII acclimated to the UV stress due to the mechanism of recovery and repair, while in O. Aurita although repair was important, the absence of recovery and mechanisms of defense and / or protection did not allow to compensate for all the damages. In addition, diatoms developed protection mechanisms with respect to the formation of reactive oxygen species whose production increased under UV treatment. Among these mechanisms, the activity of antioxidant enzymes was followed during the acclimation period. Our results indicated that an overall reduction of these activities was correlated with an increase in sensitivity to UV. The phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPCase), like the ribulose bisphosphate carboxylase (RUBISCO), participates in the inorganic carbon sequestration in diatoms. In addition, carbonic anhydrase (CA) plays an important role in the supply of inorganic carbon in diatoms. To determine at which level UV radiation acts on these enzymes (enzyme activity or at the gene transcription level), a-AC and B-AC and PEPCase genes were investigated in A. Coffeaeformis. A partial sequence (357 aa) of PEPCase was determined. It had a strong identity with PEPCases of plants but formed, with the known sequences of two other diatoms, a different group. The first tests of quantification of transcripts during the 8 days of UV exposure indicated that UV inhibited transcription of PEPCase in A. Coffeaeformis. These various approaches have helped to highlight the differences in behavior of diatoms exposed to UV radiation with a major effect at the physiological (PS II) and the molecular (PEPCase) level

Pour comprendre l'hétérogénéité de distribution de l'azote (N) dans la couronne d'un arbre, nous avons étudié le déterminisme, la plasticité et les modalités d'allocation de l'N dans le feuillage du noyer (Juglans regia x nigra) à l'échelle de l'organe (feuille) et/ou de la plante entière. A l'échelle foliaire, nous avons montré que l'allocation de l'N et l'acclimatation photosynthétique sont pilotés par la quantité de rayonnement reçu localement. Nous avons également montré qu'après un changement rapide de conditions d'éclairement, les feuilles de noyer pleinement développées sont capables de s'acclimater aux nouvelles conditions en modifiant leur capacités photosynthétiques dans un délai d'un mois. La plasticité de l'azote foliaire total et de son investissement entre les différentes fonctions photosynthétiques sont responsables de ces modifications de capacités photosynthétiques, mais leur importance relative dépend du type de changement dans le régime radiatif. Au niveau de la plante entière, l'N, alloué principalement sous forme d'acides aminés vers les parties feuillées, est issu de deux sources: les réserves azotées et l'absorption racinaire. Cependant, nous avons montré que l'N issu de la remobilisation représente la majeur partie de l'N total (92-99%) retrouvé dans les pousses feuillées nouvellement formées. La disponibilité en N au niveau racinaire ne modifie pas la quantité totale d'N issu de la remobilisation. Par contre, une forte nutrition azotée diminue la fraction d'N issu de la remobilisation. Ni l'ordre d'émission des feuilles (âge des feuilles) ni le régime radiatif n'affectent le rapport entre l'N issu de la remobilisation et de l'absorption racinaire. Par contre, le régime lumineux influence la quantité totale de l'N présente dans ces entités. Ceci montre que l'N est alloué en fonction de la "force de puits" locale, qui est modulée par le régime radiatif, local quelque soit la source de l'azote
Determinants, plasticity and modalities of nitrogen (N) allocation in foliage of walnut trees (Juglans regia x nigra) at leaf or whole plant scale were investigated. At the leaf scale, we demonstrated that leaf irradiance played a key role in leaf N allocation and photosynthetic acclimation. We have shown that after a sudden change in light regime, fully expanded walnut leaves were able to acclimate their photosynthetic capacities to the new light conditions within one month. This ability was due to concurrent changes in total leaf N and N investment into different photosynthetic functions but its relative importance differed depending of the type of change in light regime. At whole plant level, N allocated to the new shoots arrived from two sources: stored N and N provided by root uptake. However, we found that the major part of total shoot N came from remobilization (92-99%). The current nitrogen availability for root uptake do not affect the absolute amount of N provided by remobilization but affects the fraction of N coming from remobilization. There is no effect of leaf "age" and light regime on the fraction of N coming, from remobilization, recovered in new shoots. However, light regime affects total amount of N in new shoots. This indicates, that at the whole plant level, the allocation of N to the new shoots is dependent on local sink strength, which is modulated by the local light environment

L'influence de l'intensite lumineuse, de l'aeration et de l'enrichissement en gaz carbonique sur la croissance et sur le developpement de vitroplants de bananiers (musa acuminata cv. Petite naine) au cours de la micropropagation a ete etudiee. En phase de croissance, l'accumulation d'ethylene dans le conteneur de culture est le principal responsable du jaunissement des feuilles, des phenomenes d'epinastie, d'une diminution de la surface foliaire et de la concentration en chloropylle. En conditions standard de culture, le premier facteur limitant d'une fixation photosynthetique de gaz carbonique in vitro est la faible intensite lumineuse habituellement employee. Avec une intensite plus elevee, c'est la disponibilite en gaz carbonique qui devient limitante. Un apport de gaz carbonique in vitro stimule la croissance en acclimatation in vivo. L'avance de developpement acquise in vitro avec un apport de gaz carbonique est maintenue

Sous un climat tropical humide, l'augmentation de la température nocturne a été associée à une diminution du rendement chez le riz. Une des hypothèses sous-tendant cette diminution est l'augmentation du taux de respiration nocturne (Rn) diminuant les ressources carbonées disponibles pour la croissance de la plante. La respiration mitochondriale est communément divisée en deux composantes fonctionnelles :- la respiration de maintenance (Rm), qui est associée à toutes les réactions biochimiques requises pour entretenir la biomasse existante. Le taux de Rm doublerait suite à une augmentation de la température ambiante de 10°C (Q10 = 2) ;- la respiration de croissance (Rg), qui est associée à tous les processus impliqués dans la création de biomasse. Cette composante de la respiration est principalement dépendante de la disponibilité en carbohydrates dans la plante, et donc de la photosynthèse.Ce travail de thèse a pour objectifs de (1) déterminer l'effet instantané (sans acclimatation) et sur le long terme (acclimatation) de l'augmentation de la température nocturne, proche de celle prédite par les scénarios climatiques, sur la respiration et la production de biomasse et de grains, (2) évaluer le coût de Rn en terme de biomasse à l'échelle de la plante entière, (3) estimer la respiration de maintenance (Rm) et sa réponse à l'augmentation de la température, et (4) évaluer l'effet de la valeur Q10 sur la modélisation de la production en biomasse. Pour atteindre ces objectifs, trois expérimentations (dont une inexploitable) ont été conduites en serre, deux en chambres de culture et une au champ, à Montpellier (France) et à la station expérimentale de l'IRRI (International Rice Research Institute, Philippines). L'augmentation modérée de la température nocturne de 1.9°C au champ et 3.5°C en chambre de culture de l'initiation paniculaire à maturité, et de 3.8 à 5.4°C en serre du repiquage à maturité, a entraîné l'augmentation significative de Rn (+13 à +35%). Dans le même temps, cette augmentation n'a pas eu d'effet significatif sur la production de biomasse et de grains des écotypes indica et aus, mais la production en grains de l'écotype japonica a été significativement plus faible. Le coût en biomasse de la respiration, en conditions de température nocturne plus élevée, a augmenté légèrement mais n'a pas été associé à une variation significative de la production de biomasse. L'augmentation de la température nocturne sur le long terme (acclimatation) a eu un impact plus faible sur Rn (facteur de 1.14 à 1.67 entre 21 et 31°C) que l'augmentation instantanée (sans acclimatation) (facteur 2.4 entre 21 et 31°C). Le coût quotidien en biomasse de Rm, a été de 0.3 à 1.2% (feuilles complètement développées) et de 1.5 à 2.5% (plantules entières). La Rm a augmenté d'un facteur 1.49 entre 21 et 31°C et représentait environ 33% de la respiration nocturne. Ce facteur est plus faible que l'hypothèse du Q10 = 2 qui surestime les effets de l'augmentation des températures sur Rm.Le modèle d'analyse de sensibilité a montré que la valeur du coefficient Q10 a un rôle significatif dans la prédiction de la production de biomasse dans les modèles de culture. Le rendement simulé diminue de 9% (Q10 = 2) et de 5% (Q10 = 1.5) lorsque la température moyenne journalière augmente de 2°C. Ainsi, prendre en compte l'acclimatation dans la réponse des plantes à l'augmentation des températures est important pour augmenter la précision des modèles. L'augmentation de la précision des modèles passera aussi par l'analyse des variations de la respiration en conditions naturelles
In tropical climate, increasing night temperature was reported to be associated with a decline in grain yield in rice. This can be partly due to an increase in night respiration rate (Rn) which causes a depletion of carbohydrate supply available for plant growth. Mitochondrial respiration is commonly divided in two functional components; - Maintenance respiration (Rm) which is associated with all biochemical reactions required to maintain existing biomass. The rate of this respiration component would double when ambient temperature increase by 10°C (Q10 = 2). - Growth respiration which is associated with all processes involved in establishment of new biomass. This respiration component is mainly driven by carbohydrate supply and thus, by the photosynthesis rate. The present work aims to (1) determine the effects of short-term (without acclimation) and long-term (with acclimation) increase in night temperature similar to that projected by future climate scenarios on vegetative biomass production and grain yield; (2) evaluate, in terms of loss of biomass, the cost of Rn at plant scale; (3) estimate the maintenance respiration rate (Rm) and its response to temperature; and (4) evaluate the impact of Q10 value on biomass production. To achieve these objectives, three experiments (one unexploitable) were conducted in greenhouses, two in growth chambers and one in the field, at Montpellier (France) or at the experimental station of IRRI (International Rice Research Institute). The moderate increase in night temperature from panicle initiation to maturity in the field by 1.9°C and in growth chambers by 3.5°C, and form transplanting to maturity in greenhouse experiments by 3.8 to 5.4°C, did affect significantly Rn that increased by 13 to 35%. In the same time, it did not affect significantly biomass production and grain yield for indica and aus cultivars, whereas grain production decline was observed for japonica. Calculated biomass losses due to increased Rn under increased night temperature were important but were not associated with a change in biomass production or grain yield. Effect of long-term exposure to increased night temperature (acclimation) was smaller (factor 1.14 to 1.67 between 21 to 31°C) than that of short-term exposure (without acclimation) (factor 2.4 between 21 to 31°C). In this work, 0.3 to 1.2% (expanded leaves) and 1.5 to 2.5% (whole seedlings) of existing dry biomass was lost daily to Rm. The Rn was composed by about 33% of Rm, which increased by factor 1.49 between 21 and 31°C. This is below the common assumption of Q10 = 2 that thus overestimates the effect of increasing night temperature on Rm.A model sensitivity analysis showed that the Q10 value is important in the prediction of biomass production in crop models. Yield is expected to decline by 9% (Q10 = 2 assumption) and by 5% (Q10 = 1.5 assumption) with increasing mean daily temperature by 2°C. Thus, taking into account the acclimation response to temperature change is important for models accuracy. Making crop models more accurate requires more knowledge thermal effect on respiration in the field

La photosynthèse oxygénique est bien conservée, des cyanobactéries aux organismes contenant des chloroplastes, tels que les algues et les plantes. Utilisant l'énergie de la lumière, le dioxyde de carbone (CO₂), les minéraux et l'eau, les organismes photosynthétiques assimilent une grande quantité de carbone et d'azote inorganiques pour générer leur biomasse, qui est ensuite distribuée aux organismes hétérotrophes, suggérant qu'ils constituent la base de la chaîne alimentaire. Cependant, ce mécanisme peut produire des espèces réactives de l'oxygène (ROS), qui causent des dommages irréversibles aux protéines à l'appareil photosynthétique, puis réduisant l'efficacité de la photosynthèse. Les organismes photosynthétiques ont donc développé des processus pour diminuer aux ROS générés par la photosynthèse. L'un d'entre eux, appelé acclimatation, permet d'ajuster la composition de l'appareil photosynthétique afin de le rendre tolérant aux conditions fluctuantes. Deux protéines trouvées dans les membranes photosynthétiques à savoir i) d'Acclimatation de la Photosynthèse à l'Environnement 1 (Ape1) et ii) Protéine Luminale Thylakoïdienne 15 (Tlp15), sont conservées et, grâce au criblage génétique, ont été considérées comme impliquées dans le processus d'acclimatation chez la microalgue Chlamydomonas reinhardii et la plante Arabidopsis thaliana. Cependant, le rôle de ces protéines reste inconnu et n'a jamais été étudié chez les cyanobactéries, qui ont développé la photosynthèse oxygénique et sont considérées comme i) l'ancêtre des chloroplastes et ii) cellulaires potentielles pour la production durable de molécules pour la santé et l'énergie. L'objectif de cette thèse est d'analyser le rôle d'Ape1 (Slr0575) et de Tlp15 (Sll1071) chez le modèle cyanobactérien, Synechocystis sp. PCC 6803, qui est génétiquement manipulable et capable de croître en l'absence de photosynthèse grâce au glucose. Tout d'abord, des mutants à délétion des gènes codant ces deux protéines ont été construits en remplaçant par une cassette de résistance aux antibiotiques dans toutes les copies chromosomiques de Synechocystis. Les gènes ape1 et tlp15 sont trouvés dispensables dans les conditions de croissance photoautotrophiques standard. Ensuite, les phénotypes des mutants ont été analysés par des méthodes (croissance dans diverses conditions environnementales et de stress, mesures de l'évolution de l'O₂, tests enzymatiques, quantification des métabolites de certaines molécules carbonées, etc.). Le mutant Δape1 s'est révélé sensible au stress oxydatif (le peroxyde d'hydrogène et la ménadione) et produit plus de ROS que la souche sauvage (WT), suggérant que la protéine Ape1 est impliquée dans la tolérance au stress oxydatif. Le mutant Δtlp15 croît comme la souche WT dans des conditions photoautotrophiques sous diverses intensités lumineuses, mais produit moins d'O₂ que la WT. De manière surprenante, en présence de glucose (conditions mixotrophiques) sous une forte lumière qui favorise le stress oxydatif et la production de méthylglyoxal, le mutant Δtlp15 est capable de croître mais la souche WT ne l'est pas. Ce phénotype est dû à l'absence de tlp15, pas de mutation secondaire, puisque l'introduction du gène tlp15 (complémentation) dans le mutant Δtlp15 rétablit le phénotype WT. Le mutant Δtlp15 s'est également révélé plus tolérant à divers stress oxydatifs et capable de réorganiser les voies du métabolisme du carbone différemment de la souche WT. Une analyse structure-fonction a été réalisée en utilisant la mutagenèse dirigée. Le domaine transmembranaire de Tlp15 et les deux cystéines impliquées dans la formation d'un pont disulfure se sont révélés impliqués dans l'activité de Tlp15. Tous ces résultats suggèrent que Tlp15 participe à un mécanisme de régulation redox impliqué dans le processus d'acclimatation de la photosynthèse. Un modèle intégrant l'ensemble des résultats est proposé
Oxygenic photosynthesis is well-conserved from cyanobacteria to chloroplast-containing organisms such as algae and plants. Using energy from light, carbon dioxide (CO₂), minerals and water, the photosynthetic organisms assimilate a large number of inorganic carbon and nitrogen to generate their biomass to be distributed to the heterotrophic organisms suggesting that they are the base of the food chain. However, the mechanism can lead to the formation of Reactive Oxygen Species (ROS) which causes irreversible damages on proteins, lipids, DNA and photosynthetic apparatus thus decreasing the photosynthesis efficiency. Therefore, photosynthetic organisms had developed various processes to deal with ROS generated directly or indirectly from photosynthesis. Some of them are conserved through the evolution of the green lineage. One of these, named the acclimation, allows adjusting the composition of photosynthetic apparatus in the thylakoid membrane to make them tolerant to fluctuating conditions. Two proteins found in thylakoids, the photosynthetic membranes, i) the Acclimation of Photosynthesis to the Environment 1 protein (Ape1) and the Thylakoid Luminal Protein 15 (TLP15) are conserved through the green lineage and thanks to genetic screening, they were considered to be involved in the acclimation process in the microalga, Chlamydomonas reinhardii, and the plant, Arabidopsis. However, the role of these proteins remained unknown and was never been studied in cyanobacteria that have evolved oxygenic photosynthesis and are considered as i) the ancestor of the chloroplast of eukaryotic photosynthetic organisms, ii) potential cell factories for sustainable production of high added values molecules for health and energy. The objective of this thesis is to analyze the role of Ape1 (Slr0575) and Tlp15 (Sll1071) in the model cyanobacterium, Synechocystis sp. PCC 6803 that is genetically manipulable and is able to grow in the absence of photosynthesis at the expense of glucose. First, single knockout mutants of the genes encoding the two proteins were constructed by replacing their corresponding genes with an antibiotic resistance cassette in all chromosome copies of Synechocystis. ape1 and tlp15 genes were shown to be dispensable in standard photoautotrophic growth. Then the mutant phenotypes were analyzed by a combination of methods (growth in various environmental and stress conditions, O₂ evolution measurements, enzymatic assays, metabolites quantification of some carbonated molecules, etc..). The Δape1 mutant was shown to be sensitive to oxidative stress induced by hydrogen peroxide and menadione and produces more ROS than the wild-type strain (WT) suggesting that APE1 protein is involved in the tolerance to oxidative stress. The Δtlp15 mutant grows as the WT strain in photoautotrophic conditions under various light intensities but produce less O₂ than the WT. Surprisingly, in the presence of glucose (mixotrophic conditions) under high light that promote oxidative stress and methylglyoxal production, the Δtlp15 is able to grow whereas the WT strain is not. This phenotype is due to the absence of tlp15 and not to a secondary mutation since the introduction of tlp15 gene (complementation) in the Δtlp15 restores the WT phenotype. The Δtlp15 mutant was also shown to be more tolerant to various oxidative stresses and is able to reorganize carbon metabolism pathways differently than the WT. A structure function analysis was performed using site-directed mutagenesis. The transmembrane domain of Tlp15 as well as the two cysteines involved in the formation of a disulfide bridge were shown to be involved in the activity of Tlp15. All these results suggest that Tlp15 participates in a redox regulation mechanism involved in photosynthesis acclimation process. A model taking into account all the results is proposed

L'activité photosynthétique foliaire est fonction de la disponibilité en CO2 au niveau de la Rubisco dans le chloroplaste. La disponibilité en CO2 est déterminée par une série de limitations au transfert du CO2 entre l'air ambiant et les sites enzymatiques de la Rubisco, qui sont à l'origine d'un gradient de concentration. La limitation à la diffusion du CO2 dans le mésophylle, d'abord dans le réseau des espaces gazeux intercellulaires puis dans la cellule, contribue de manière très significative à ce gradient. Cette limitation est quantifiée sous la forme d'une conductance au transfert du CO2 : la conductance interne (g-i). Ce travail de thèse a été consacré à l'étude de la diffusion du CO2 dans le mésophylle des plantes ayant un métabolisme photosynthétique de type C3. Nous avons tout d'abord amélioré l'estimation de g-i grâce une méthode d'analyse simultanée des échanges gazeux et de la fluorescence chlorophyllienne. Nous avons ensuite analysé les deux composantes déterminant g-i : la limitation dans les espaces gazeux intercellulaires du mésophylle, et la limitation en phase liquide cellulaire. Nous montrons, grâce à une approche originale d'estimation de g-i dans une atmosphère à base d'hélium, chez le peuplier, le rosier, le chêne vert et le laurier rose, que la totalité de g-i est déterminée par la limitation en phase liquide cellulaire. Enfin, nous avons étudié la variabilité interspécifique et phénotypique de g-i. Nous confirmons l'existence d'une corrélation entre g-i et l'assimilation maximale pour les différentes espèces étudiées (espèces citées ci-dessus, et chez le noyer et le lamier), et nous montrons que la présumée distinction entre ligneux présentant une faible g-i et herbacées présentant une forte g-i n'est pas pertinente. Nous montrons également que chez le noyer, une réponse de g-i accompagne l'acclimatation foliaire à l'environnement lumineux, et proposons une paramétrisation de g-i pour modéliser la photosynthèse
L'activité photosynthétique foliaire est fonction de la disponibilité en CO2 au niveau de la Rubisco dans le chloroplaste. La disponibilité en CO2 est déterminée par une série de limitations au transfert du CO2 entre l'air ambiant et les sites enzymatiques de la Rubisco, qui sont à l'origine d'un gradient de concentration. La limitation à la diffusion du CO2 dans le mésophylle, d'abord dans le réseau des espaces gazeux intercellulaires puis dans la cellule, contribue de manière très significative à ce gradient. Cette limitation est quantifiée sous la forme d'une conductance au transfert du CO2 : la conductance interne (g-i). Ce travail de thèse a été consacré à l'étude de la diffusion du CO2 dans le mésophylle des plantes ayant un métabolisme photosynthétique de type C3. Nous avons tout d'abord amélioré l'estimation de g-i grâce une méthode d'analyse simultanée des échanges gazeux et de la fluorescence chlorophyllienne. Nous avons ensuite analysé les deux composantes déterminant g-i : la limitation dans les espaces gazeux intercellulaires du mésophylle, et la limitation en phase liquide cellulaire. Nous montrons, grâce à une approche originale d'estimation de g-i dans une atmosphère à base d'hélium, chez le peuplier, le rosier, le chêne vert et le laurier rose, que la totalité de g-i est déterminée par la limitation en phase liquide cellulaire. Enfin, nous avons étudié la variabilité interspécifique et phénotypique de g-i. Nous confirmons l'existence d'une corrélation entre g-i et l'assimilation maximale pour les différentes espèces étudiées (espèces citées ci-dessus, et chez le noyer et le lamier), et nous montrons que la présumée distinction entre ligneux présentant une faible g-i et herbacées présentant une forte g-i n'est pas pertinente. Nous montrons également que chez le noyer, une réponse de g-i accompagne l'acclimatation foliaire à l'environnement lumineux, et proposons une paramétrisation de g-i pour modéliser la photosynthèse

Les microalgues ont développé des approches distinctes pour moduler l'absorption de la lumière et son utilisation par leurs photosystèmes en réponse à des stimuli environnementaux. Dans ce rapport de Thèse je présente les différentes stratégies employées par une algue d'eau douce (Chlamydomonas reinhardtii) et une algue marine (Phaeodactylum tricornutum) pour optimiser leur acclimatation à l'environnement.Dans la première partie de ce rapport, je propose un modèle de cellules entières de la diatomée marine Phaeodactylum tricornutum obtenue par analyses spectroscopiques et biochimiques ainsi que par l’obtention d’images par microscopie électronique et reconstitution 3-D. Ce modèle a été utilisé pour répondre aux questions suivantes i. comment est structuré un chloroplaste secondaire pour faciliter les échanges avec le cytosol à travers les quatre membranes qui le délimitent ii. comment sont structurées les membranes photosynthétiques afin d’optimiser l'absorption de lumière et le flux d'électrons et iii. comment les chloroplastes et les mitochondries sont organisés pour optimiser l'assimilation du CO2 par échange ATP / NADPH.La deuxième partie de ce rapport porte sur la régulation de la collection de la lumière et de sa dissipation chez Chlamydomonas grâce à l'étude d'une part du rôle de la perception de la couleur de la lumière et d'autre part du métabolisme sur la dissipation de l'excès de lumière par quenching non photochimique (NPQ). En utilisant des approches biochimiques et spectroscopiques, j'ai mis en évidence un lien moléculaire entre la photoréception, la photosynthèse et la photoprotection chez Chlamydomonas via le rôle du photorécepteur phototropine, démontrant ainsi que le métabolisme, en plus de la lumière, peut aussi affecter ce processus d'acclimatation.En conclusion, ce travail de thèse révèle l'existence et l'intégration des différentes voies de signalisation dans la régulation des réponses photoprotectrices mises en place chez les microalgues marines et d'eau douce
Microalgae have developed distinct approaches to modulate light absorption and utilization by their photosystems in response to environmental stimuli. In this Ph.D Thesis, I characterised different strategies employed by freshwater (Chlamydomonas reinhardtii) and marine algae (Phaeodactylum tricornutum) to optimise their acclimation to the environment.In the first part of this work, I used spectroscopic, biochemical, electron microscopy analysis and 3-dimentional reconstitution to generate a model of the entire cell of the marine diatom Phaeodactylum tricornutum. This model has been used to address the following questions: i. how is a secondary chloroplast structured to facilitate exchanges with the cytosol via its four membranes envelope barrier ii. how have diatoms shaped their photosynthetic membranes to optimise light absorption and downstream electron flow and iii. how the cellular organelles interact to optimise CO2 assimilation via ATP/NADPH exchanges.In the second part, I have focused on the regulation of light harvesting and dissipation in Chlamydomonas by studying the role of perception of light colour and metabolism on excess light dissipation via the Non-Photochemical Quenching of energy (NPQ). Using biochemical and spectroscopic approaches, I found a molecular link between photoreception, photosynthesis and photoprotection in Chlamydomonas via the role of the photoreceptor phototropin on excess absorbed energy dissipation (NPQ) and also demonstrated that besides light, downstream metabolism can also affect this acclimation process.Overall this Ph.D work reveals the existence and integration of different signal pathways in the regulation of photoprotective responses by microalgae living in the ocean and in the land

L'acclimatation au froid est un phénomène qui permet aux plantes exposées à de basses températures positives de pouvoir tolérer ensuite le gel. ElIe est, ici, étudiée chez le pois (Pisum sativum L.) en conditions contrôlées grâce à deux lignées, Champagne tolérante au gel après cette phase d'acclimatation et Térèse sensible même après la phase d'acclimatation. L'analyse du protéome des feuilles, des tiges et des racines de ces lignées a permis l'identification de protéines ayant un rôle potentiel dans l'acclimatation au froid. Pour les feuilles et la base des tiges, la majorité des protéines différentielIement exprimées et identifiées, soit 35% des protéines, participent à la photosynthèse et à la glycolyse (métabolisme primaire). Dans les tiges, 25% des protéines sont des chaperonnes et dans les racines, les protéines de défense représentent 47% des protéines identifiées. Les teneurs en raffinose, saccharose, glucose ainsi qu'en citrate augmentent chez Champagne dans les 3 parties étudiées de la plante lors de l'acclimatation au froid. Ces concentrations restent faibles et à peu près stables chez Champagne non acclimaté et Térèse qu'il ait ou non subi la phase d'acclimatation. Le dosage de ces métabolites a aussi été réalisé chez des lignées recombinantes issues du croisement entre Champagne et Térèse. Ceci a permis la détection de QTL pouvant être explicatifs de l'acclimatation au froid avec, notamment, des QTL de teneur en raffinose qui co-localisent avec des QTL de tolérance au gel présents sur les groupes de liaison 5 et 6. Des PQL ont aussi été recherchés avec l'analyse du protéome des feuilles des lignées recombinantes. Certains co-localisent avec les QTL précédemment détectés. L'ensemble des données fournies par les différentes approches nous permet d'émettre des hypothèses pour expliquer les mécanismes mis en place chez Champagne pour tolérer le gel
CoId acclimation is the process whereby plants, previously exposed to low positive temperatures, are sUbsequently able to tolerate frost. This phenomenon was studied under controlled conditions in pea (Pisum sativum L.) in two Iines: Champagne, frost tolerant after cold acclimation and Terese, frost sensitive even if previously submitted to a cold acclimation period. Leaf, stem and root proteomes were analysed. Thirty five per cent of the identified differentially expressed proteins in leaves and stems during the cold acclimation period were involved in photosynthesis and glycolysis. ln stems, 25% were identified as folding proteins and ir roots, 47% were involved in the defense response. The raffinose, sucrose, glucose and citrate contents increased in Champagne leaves, stems and roots during the cold acclimation. ln contrast, the levels of these compounds were low in non-acclimated Champagne as weil as in Terese submitted to the cold acclimation period or not. Metabolite levels were also determined on the recombinant inbred lines (RIL) resulting from the cross between Champagne and Terese. Subsequent analyses permitted the detection of potential cold acclimation explicative OTL. ln particular, raffinose content QTL were colocalized with frost da mage QTL on the linkage groups 5 and 6. POL were also detected with the study of RtL leaf proteome. A number of these PQL colocalized with the previously detected QTL. The data obtained using these different approaches allowed us to propose hypothezises potentially explaining the mechanisms used by Champagne to tolerate frost

Les plantes alpines sont soumises à des conditions stressantes, avec des températures extrêmes et des rayonnements lumineux et UV intenses. La majorité de ces plantes se développent donc sur une période de végétation courte. Mais quelques exceptions existent : Soldanella alpina et Geum montanum gardent leurs feuilles pendant plusieurs périodes de végétation. Elles sont ainsi confrontées à des variations brutales de leur environnement, en particulier lors des changements de saison, ce qui est source de stress oxydant. Ainsi au printemps, la neige fond et la température foliaire passe rapidement de -10 à 40 ° C couplé à une augmentation de l'intensité lumineuse et lors de l’automne les feuilles, jusqu’alors recouvertes par la végétation alentour et donc acclimatées à l’ombre, doivent faire face à de fortes luminosités. Pour tolérer ces changements rapides, on peut supposer que S. alpina et G. montanum ont développés des stratégies d’acclimatation uniques que j’ai cherché à comprendre au cours de ma thèse.A l’automne comme au printemps, le principal souci pour les feuilles de S.alpina et G.montanum vient du fait qu’elles sont acclimatées à des intensités lumineuses faibles.Nous avons montrée que les feuilles s’acclimatent au changement d’intensité lumineuse par le biais de changements morphologiques et en améliorant leur photoprotection grâce à une augmentation de la concentration en flavonoïdes pour les 23 flavonoïdes majeurs retrouvé dans l’épiderme et le mésophylle des feuilles de S.alpina. Cependant il n’y a pas d’acclimatation de la photosynthèse aux changements d’intensités lumineuses à l’automne : les feuilles confrontées à des lumières fortes n’arrivent pas utiliser la totalité de cette énergie lumineuse. Cet excès d’énergie crée un déséquilibre entre le flux électronique total et le flux électronique utilisé pour les processus photochimique ce qui abouti en un stress oxydant exacerbé, au printemps, quand au stress lumineux s’ajoutent des températures extrêmes. Après avoir réussi à estimer les différents flux électroniques, on constate chez S.alpina et G.montanum l’existence d’un flux d’électrons en excès, non dissipé par la photosynthèse. La dissipation d’énergie sous forme de chaleur et une capacité forte de la valve malate et du système anti-oxydant permettent respectivement de limiter et consommer en partie les électrons en excès
Alpine plants are subject to stressful conditions, with extreme temperatures, intense light, and UV radiation. The majority of these plants therefore develop over a short growing period. But some exceptions exist: Soldanella alpina and Geum montanum keep their leaves during several vegetation periods. They are thus confronted with brutal variations of their environment, in particular during the changes of season, which is a source of oxidative stress. Thus in spring, the snow melts and the leaf temperature quickly goes from -10 to 40 ° C coupled with an increase in light intensity and in autumn the leaves, hitherto covered by the surrounding vegetation and therefore acclimated to shade, have to face strong lights. To tolerate these rapid changes, we can assume that S. alpina and G. montanum have developed unique acclimation strategies that I sought to understand during my thesis.In autumn and spring, the main concern for the leaves of S. alpina and G. montanum comes from the fact that they are acclimated to low light intensities.We have shown that the leaves acclimate to the change in light intensity through morphological changes and by improving their photoprotection thanks to an increase in the concentration of flavonoids for the 23 major flavonoids found in the epidermis and mesophyll of the leaves in S. alpina. However, there is no acclimation of photosynthesis to changes in light intensities in the fall: the leaves confronted with strong lights cannot manage to use all of the light energy. This excess energy creates an imbalance between the total electronic flux and the electronic flux used for photochemical processes which result in exacerbated oxidative stress, in the spring, when in addition to light stress there are extreme temperatures. After having succeeded in estimating the various electronic fluxes, we observe in S. alpina and G. montanum the existence of a flux of excess electrons, not dissipated by photosynthesis. The dissipation of energy in the form of heat and a strong capacity of the malate valve and the antioxidant system allow respectively to limit and partly consume the excess electrons

La régulation de la photosynthèse est cruciale pour les organismes photoautotrophes et est habituellement opérée par la modulation de l'absorption de la lumière ou par la réorientation des électrons vers des puits alternatifs afin de redistribuer l'énergie entre plusieurs voies métaboliques. Parmi les différents mécanismes décrits, le remodelage de l'appareil photosynthétique est crucial dans des conditions de carences nutritives ou de fluctuations de la lumière. Il est bien connu que l'oxyde nitrique (NO) joue un rôle de signalisation dans de nombreuses réponses au stress abiotique, agissant comme second messager et / ou modifiant les protéines cibles par des modifications post-traductionnelles redox. Sa participation a été récemment décrite au cours de la carence en azote chez Chlamydomonas reinhardtii. Ce travail se concentre sur le remodelage de l'appareil photosynthétique lors de la carence en soufre et lors des fluctuations de lumineuses chez Chlamydomonas reinhardtii, avec un intérêt particulier pour la voie de signalisation impliquée dans ces réponses. Tout d'abord, nous avons caractérisé la carence en soufre en conditions d’hétérotrophie ou de photo-autotrophie. En faible lumière ou à l’obscurité, l'inactivation photosynthétique est obtenue grâce à la dégradation spécifique de la Rubisco et du cytochrome b6f et ne se produit qu'en présence de carbone réduit dans le milieu. Nous avons également montré une forte production de NO après le début de la carence, avec des sondes fluorescentes sensibles au NO visualisées par microscopie confocale. Nous fournissons des preuves pharmacologiques que la production de NO intracellulaire régit cette voie de dégradation. En outre, ici, nous fournissons des preuves claires de l’existence d’un circuit régulateur qui contrôle la traduction cytosolique du LHCII en réponse à des changements de quantité de lumière. Ce circuit nécessite la protéine de liaison à l'ARN cytosolique NAB1 pour réprimer la traduction de certains ARNm de LHCII. La nitrosylation spécifique de la Cys-226 diminue l'activité de NAB1 et a été démontrée in vitro et in vivo. La forme moins active et nitrosylée de NAB1 se trouve dans les cellules acclimatées à un apport de lumière limité, ce qui permet l'accumulation de protéines des antennes et la capture efficace de la lumière. En revanche, une intensité lumineuse plus élevée provoque la dénitrosylation de NAB1, activant ainsi la répression de la synthèse des protéines LHCII et diminuant ainsi la pression de la lumière au niveau du PSII. La dénitrosylation de NAB1 est efficacement réalisée par le système thiorédoxine cytosolique in vitro. À notre connaissance, NAB1 est le premier exemple de dénitrosylation induite par un stimulus dans le contexte de l'acclimatation photosynthétique. Dans l’ensemble, nos données suggèrent un rôle pivot pour la signalisation NO dans le contrôle des réponses au stress environnemental
The regulation of photosynthesis is crucial for photoautotrophic organisms and is usually operated by the modulation of light absorption or by redirection of electrons towards alternative sinks, in order to redistribute energy among several metabolic pathways. Between different mechanisms described, the remodeling of the photosynthetic apparatus is crucial under conditions of nutrient starvation or light fluctuations. It is well known that nitric oxide (NO) plays a signaling role in many abiotic stress responses, acting as a second messenger and/or modifying target proteins through redox post translational modifications. Its involvement has been recently described during nitrogen starvation in Chlamydomonas reinhardtii. This work focuses on the remodeling of the photosynthetic apparatus upon sulfur starvation and light fluctuations in Chlamydomonas reinhardtii, with particular interest for the signaling pathway involved in the responses. First we characterized sulfur starvation under heterotrophy and photo-autotrophy. Photosynthetic inactivation under low light and darkness is achieved through specific degradation of Rubisco and cytochrome b₆f and occurs only in the presence of reduced carbon in the medium. We have also shown a strong NO production after the onset of starvation, with NO-sensitive fluorescence probes visualized by confocal microscopy. We provide pharmacological evidence that intracellular NO production governs this degradation pathway using NO scavengers, NO synthesis inhibitors and NO donors. Furthermore, here, we provide clear evidence for a regulatory circuit that controls cytosolic LHCII translation in response to light quantity changes. This circuit requires the cytosolic RNA-binding protein NAB1 to repress translation of certain LHCII mRNAs. Specific nitrosylation of Cys-226 decreases NAB1 activity and could be demonstrated in vitro and in vivo. The less active, nitrosylated form of NAB1 is found in cells acclimated to limiting light supply, which permits accumulation of light harvesting proteins and efficient light capture. In contrast, elevated light supply causes NAB1 denitrosylation, thereby activating the repression of light-harvesting protein synthesis and decreasing the light pressure at the level of PSII. Denitrosylation of NAB1 is efficiently performed by the cytosolic thioredoxin system in vitro. To our knowledge, NAB1 is the first example of stimulus-induced denitrosylation in the context of photosynthetic acclimation. Taken together, our data suggest a pivotal role for NO-signaling in the control of environmental stress responses

L'activité photosynthétique foliaire est fonction de la disponibilité en CO2 au niveau de la Rubisco dans le chloroplaste. La disponibilité en CO2 est déterminée par une série de limitations au transfert du CO2 entre l'air ambiant et les sites enzymatiques de la Rubisco, qui sont à l'origine d'un gradient de concentration. La limitation à la diffusion du CO2 dans le mésophylle, d'abord dans le réseau des espaces gazeux intercellulaires puis dans la cellule, contribue de manière très significative à ce gradient. Cette limitation est quantifiée sous la forme d'une conductance au transfert du CO2 : la conductance interne (gi). Ce travail de thèse a été consacré à l'étude de la diffusion du CO2 dans le mésophylle des plantes ayant un métabolisme photosynthétique de type C3. Nous avons tout d'abord amélioré l'estimation de gi grâce une méthode d'analyse simultanée des échanges gazeux et de la fluorescence chlorophyllienne. Nous avons ensuite analysé les deux composantes déterminant gi : la limitation dans les espaces gazeux intercellulaires du mésophylle, et la limitation en phase liquide cellulaire. Nous montrons, grâce à une approche originale d'estimation de gi dans une atmosphère à base d'hélium, chez le peuplier, le rosier, le chêne vert et le laurier rose, que la totalité de gi est déterminée par la limitation en phase liquide cellulaire. Enfin, nous avons étudié la variabilité interspécifique et phénotypique de gi. Nous confirmons l'existence d'une corrélation entre gi et l'assimilation maximale pour les différentes espèces étudiées (espèces citées ci-dessus, et chez le noyer et le lamier), et nous montrons que la présumée distinction entre ligneux présentant une faible gi et herbacées présentant une forte gi n'est pas pertinente. Nous montrons également que chez le noyer, une réponse de gi accompagne l'acclimatation foliaire à l'environnement lumineux, et proposons une paramétrisation de gi pour modéliser la photosynthèse.

Le changement climatique entraîne un changement profond des régimes thermiques qui a des conséquences importantes sur la croissance des plantes. Toutefois, les effets des températures extrêmes ont été peu étudiés chez espèces fourragères pérennes, et ne sont pas intégrés dans les modèles actuels de prairie. Or ces modèles ont un rôle central à jouer dans le développement de stratégies d'adaptation au changement climatique. Dans ce contexte, cette thèse a cherché à approfondir la compréhension de la réponse de la luzerne et de la fétuque élevée à une large gamme de températures et à améliorer la prise en compte de ces réponses dans le modèle STICS. Un volet de travail expérimental en conditions contrôlées n'a pas permis de mettre en évidence de différences de réponses entre génotypes d'origine contrastées (tempéré/Méditerranéen) pour différents processus de croissance et de développement des deux espèces. En revanche, il est apparu des différences significatives entre les réponses normalisées de différents processus ; l'allongement des tiges en particulier se distinguant nettement des autres processus chez la luzerne. La réponse de la photosynthèse à la température a montré une forte acclimatation à la température de croissance, aussi bien pour des génotypes d'origine tempérée que méditerranéenne. Ces derniers sont apparus plus sensibles aux températures élevées du fait d'une désactivation de la RUBISCO. La modification des formalismes de réponse à la température de la croissance et du développement dans STICS (fonction non linéaire, pas de temps) a eu un fort impact sur le cumul de temps thermique pour des scénarios climatiques « futurs ». Toutefois, du fait de l'effet majoritaire d'autres stress conjoints durant les périodes de stress thermique et d'une rapide saturation du rayonnement intercepté, l'impact sur les projections de production fourragère s'est avéré limité pour les conditions testées. Au total ces résultats suggèrent que les productions fourragères pourraient être moins exposées au stress thermique que les cultures annuelles
Due to climate change, the global average temperature is expected to rise with marked impacts on crop growth. However, extreme temperature's impacts on perennial herbaceous species have received much less attention to date than other crops and aren’t currently implemented in grassland models. Yet, grassland models have a major role to play in defining adaptation options to global warming’s impacts on agriculture. In this context, our aims were to characterise the responses to temperature of two major perennial forage species over a large range of growth temperature and to improve the temperature response formalisms in the STICS model. First, experiment conducted in growth chambers indicated that the responses of normalized developmental rates did not differ between genotypes from contrasting thermal areas (Mediterranean/temperate) within each species. On the other hand, the responses to temperature of normalised rates differed significantly between several of the physiological processes studied; in particular stem elongation rate differed from other developmental rates in alfalfa. Irrespective of cultivar origin, a remarkable acclimation of photosynthesis to growth temperature was observed. Mediterranean genotypes displayed a greater sensitivity of the maximum rate of Rubisco carboxylation to elevated temperatures. Modifications of temperature formalism in the STICS crop model (implementation of nonlinear response, hourly/daily step of response) had a significant impact on thermal time accumulation and crop development for future climate scenarios. However, due to larger effects of water stress and to saturation of radiation interception, impacts on projections of grassland dry matter production were limited. This result suggests that grassland production could be less exposed to thermal stress than annual crops

Le tournesol, culture d'ete pouvant transpirer une grande quantite d'eau, presente toutefois l'aptitude a produire un rendement eleve sous contrainte hydrique. Les conditions qui permettent cette adaptation, ainsi que les mecanismes impliques restent a preciser. L'objectif de la these est l'etude de l'influence de l'intensite et du stade d'application de la contrainte hydrique sur la production, le developpement foliaire, les echanges gazeux et la repartition des produits de la photosynthese dans la plante. Lorsque le deficit hydrique est applique avant l'apparition du bouton floral et qu'il est maintenu jusqu'a maturite, l'efficience de l'eau et l'indice de recolte augmentent. Cette bonne adaptation provient notamment d'une reduction de 50% de la surface foliaire maximale, et d'un meilleur transfert des assimilats, neoformes ou stockes dans les organes de reserve, a destination de l'organe reproducteur. L'augmentation de l'intensite du deficit hydrique n'accroit pas l'aptitude adaptative du tournesol et se traduit par une diminution de l'efficience de l'eau et de l'indice de recolte. Une contrainte hydrique qui apparait lorsque le bouton floral mesure 4 a 5 centimetres ne permet pas a la plante un bon ajustement de la surface foliaire pour limiter les pertes en eau. En outre, la mobilisation des reserves est faible. Aussi, l'indice de recolte n'augmente pas toujours par rapport aux plantes bien alimentees en eau. En revanche, l'efficience de l'eau reste elevee. Les plantes qui subissent un deficit hydrique en phase vegetative tendent a developper une surconsommation d'eau en phase reproductive et l'efficience de l'eau diminue. Toutefois, malgre une faible utilisation des assimilats mis en reserve avant l'anthese, l'indice de recolte est aussi eleve que celui des plantes soumises a une contrainte maintenue jusqu'a maturite. En conclusion, les possibilites d'adaptation du tournesol a la secheresse semblent limitees a l'approche de la floraison. La recherche de varietes tolerant ce type de contrainte pourrait constituer une voie d'amelioration genetique

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.
Dinoflagellates are unicellular eukaryotes found in most aquatic ecosystems of the world. They are major contributors to carbon fixation in the oceans, either as free-living phytoplankton or as symbionts to corals. Dinoflagellates are also infamous because some species can form spectacular blooms called red tides, which can cause serious damage to ecosystems, human health, fisheries and tourism. One of the factors often correlated with algal blooms are increases in nutrients, particularly nitrogen and phosphorus. Nitrate is one of the main components of agricultural runoffs, but also the most abundant bioavailable form of nitrogen in marine environments. Thus, agricultural activities have globally contributed to the magnification of the problems associated with red tides. However, bloom formation and persistence cannot be ascribed to human pollution alone, because other biotic and abiotic factors are at play. Particularly, it is difficult to assess the relative importance of nitrate addition over these other factors, because nitrate metabolism in dinoflagellate is mostly unknown. Filling part of this gap was the main goal of this thesis. I selected Lingulodinium polyedrum as a model for studying nitrate metabolism, because this dinoflagellate can easily be cultured in the lab and a recent transcriptomic survey has provided an almost complete gene catalogue for this species. It is also interesting that some molecular components of the nitrate pathway in this organism have been reported to be under circadian control. Thus, in this project, I used physiological, biochemical, transcriptomic and bioinformatic approaches to enrich our understanding of dinoflagellate nitrate metabolism and to increase our appreciation of the role of the circadian clock in regulating this important primary metabolic pathway. I first studied the particular case of dinoflagellate blooms that occur and persist in conditions of nitrogen depletion. This idea may seems counterintuitive, because nitrogen addition rather than depletion, is generally associated with algal blooms. However, I discovered that when nitrate was added to nitrogen-deficient or nitrogen-sufficient cultures, those that had been acclimated to nitrogen stress were able to survive for about two months at high cell densities, while non-acclimated cells died after two weeks. In conditions of severe nitrogen limitation, cells could survive a little bit more than two weeks by arresting cell division and reducing photosynthetic rates. The incapacity to synthesize new amino acids for these deprived cells in a context of on-going photosynthesis led to the accumulation of reduced carbon in the form of starch granules and lipid bodies. Interestingly, both of these carbon storage compounds were polarized in Lingulodinium cells, suggesting a functional role. The second contribution of my thesis was to identify and characterize the first nitrate transporters in dinoflagellates. I found that in contrast to plants, Lingulodinium had a reduced suite of nitrate transporters and only members of the high-affinity nitrate transporter 2 (NRT2) family were predicted to be functionally relevant in the transport of nitrate. The main transporter was constitutively expressed, which suggested that nitrate uptake in Lingulodinium was mostly a constitutive process rather than an inducible one. I also discovered that nitrate uptake in this organism was light-dependent and not a circadian-regulated process, as previously suggested. Finally, I used RNA-seq to verify if any transcripts involved in the nitrate metabolism of Lingulodinium were under circadian control. Not only did I discovered that there were no daily variations in the level of transcripts involved in nitrate metabolism, but also that there were no changes for any transcripts present in the whole transcriptome of Lingulodinium. This discovery showed that the circadian timer in this species did not require rhythmic transcription to generate biological rhythms, as observed in other eukaryotes.