Thèse Année : 2024

NPQ in pennate diatoms : a simple phenomenon and tool to probe multi-level orchestration of photosynthetic regulations

Le NPQ chez les diatomées pennées : un phénomène simple et un outils pour étudier l'orchestration des régulations de la photosynthèse

Résumé

Research on photosynthesis in marine microalgae has traditionally relied on models derived from studies of green organisms such as Arabidopsis and Chlamydomonas. However, these models do not fully account for the distinctions between primary and secondary endosymbionts. This divergence is evident in the study of non-photochemical quenching (NPQ) of chlorophyll a fluorescence, a key regulatory mechanism that protects photosystem II from excess light. In pennate diatoms, NPQ strictly depends on two key molecular components: the deepoxidized xanthophyll pigment diatoxanthin and Lhcx family proteins, with Lhcx1 being the major constitutive one. Despite the clear link between NPQ and diatoxanthin, several conflicting models of diatom NPQ exist, often unnecessarily borrowing the complexity of models from green organisms. This thesis has two main objectives. First, the study aims to understand the nature and mechanism of NPQ in the model pennate diatom Phaeodactylum tricornutum by examining the roles of diatoxanthin and Lhcx1. Second, it aims to provide a comprehensive understanding of the NPQ regulatory module: how NPQ influences the photosynthetic electron transfer chain and how this, in turn, affects NPQ. In the first part of the study, 14 strains of Phaeodactylum tricornutum, including the wild type and 13 transgenic lines with variable Lhcx1 expression, were grown under two non-stressful light conditions. Diatoxanthin levels were modulated using short-term light stress, which allowed the creation of Lhcx1-diatoxanthin matrices. These matrices demonstrated that NPQ is proportional to the product of Lhcx1 concentration and the proportion of diatoxanthin in the xanthophyll pool. This suggests that the interaction between diatoxanthin and Lhcx1, probably through diatoxanthin binding to Lhcx1, forms a uniform Stern-Volmer quencher responsible for NPQ. Furthermore, the photosynthetic unit of pennate diatoms appears to follow a “lake” model, with discrepancies in the NPQ-photochemistry relationship potentially arising from unaccounted variables, such as cellular heterogeneity. The second part of the thesis builds on these results to develop a “photoprotection dial” using various Lhcx1 mutants and adjusting high light exposure. This approach allows exploring how NPQ influences the photochemical phase of photosynthesis while holding other conditions constant. The results showed clear relationships between NPQ and the redox state of the photosynthetic electron transport chain, photoinhibition, and cyclic electron flow. Non-photochemical losses in photosystem II were found to be linearly correlated with cyclic electron flow and inversely correlated with photoinhibition. This approach is considered a preliminary step toward understanding the broader orchestration of photosynthetic regulatory modules, which represents a frontier in photosynthesis research. It allowed exploring how photosynthetic signals impact gene expression at a genome-wide scale, revealing that approximately half of the genes responded to high light conditions in a Lhcx1 (or NPQ)-dependent manner. Clustering these genes based on time of high light exposure and photoprotective capacity provided insights into groups with invariant expression (e.g., housekeeping and cell cycle genes), those significantly influenced by photoprotection (e.g., proteasomes, ribosomes, and photoprotection-related genes), and those regulated by light independently of Lhcx1 (e.g., genes related to light absorption and photosynthetic complexes). Finally, a novel non-invasive method, based on the electrochromic shift of photosynthetic pigments, was developed to measure the absolute value of the proton motive force and its division into its electrical and osmotic components, ΔpH. This will facilitate studies of how the photosynthetic electron transfer chain affects the quantities and activities of molecular actors involved in NPQ via ΔpH, thus closing the loop of the NPQ regulatory module.
Les recherches sur la photosynthèse des microalgues marines s'appuient traditionnellement sur des modèles dérivés d'études sur les plantes et microalgues vertes. Cependant, ces modèles ne distinguent pas entre endosymbiotes primaires et secondaires. Cette divergence est particulièrement criante dans l'étude de l'extinction non photochimique (NPQ) de la fluorescence de la chlorophylle a, un mécanisme de régulation essentiel qui protège le photosystème II de l'excès de lumière. Chez les diatomées pennées, le NPQ dépend strictement de deux composants moléculaires: le pigment xanthophylle déépoxydé diatoxanthine (DT) et les protéines de la famille Lhcx. Malgré le lien évident entre le NPQ et DT chez les diatomées, plusieurs modèles contradictoires existent, souvent basé sur des modèles provenant d'organismes verts, inutilement complexes. Cette thèse vise à atteindre deux objectifs principaux. Premièrement, l'étude vise à comprendre la nature et le mécanisme du NPQ chez la diatomée pennée modèle Phaeodactylum tricornutum en examinant les rôles de la DT et de Lhcx1. Deuxièmement, elle vise à fournir une compréhension globale de la manière dont le NPQ influence la chaîne de transfert d'électrons photosynthétique et comment celle-ci, à son tour, affecte le NPQ. Dans la première partie de l'étude, 14 souches de Phaeodactylum tricornutum, dont le sauvage et 13 lignées transgéniques avec une expression variable de Lhcx1, ont été étudiées. Les niveaux de DT ont été modulés par un stress lumineux de courte durée, permettant de créer des matrices Lhcx1-DT. Ces matrices ont démontré que le NPQ est proportionnel au produit de la concentration de Lhcx1 et de DT dans le pool de xanthophylles. Cela suggère que l'interaction entre la DT et Lhcx1, probablement par la liaison de la DT à Lhcx1, forme un quencheur Stern-Volmer homogène responsable du NPQ. De plus, l'unité photosynthétique des diatomées pennées semble suivre un modèle dit «lake», et les divergences dans la relation NPQ-photochimie proviennent potentiellement de variables non prises en compte, telles que l'hétérogénéité cellulaire. La deuxième partie de la thèse s'appuie sur ces résultats pour développer un «contrôleur de photoprotection » en utilisant divers mutants Lhcx1. Cette approche permet d'explorer comment le NPQ influence la photochimie de la photosynthèse tout en maintenant les autres conditions constantes. Les résultats ont montré des relations claires entre le NPQ et d'autres processus photosynthétiques. Notamment, le NPQ était corrélée linéairement au flux cyclique d'électrons et inversement à la photoinhibition. Cette approche peut être considérée comme une étape préliminaire vers la compréhension de l'orchestration plus large des modules régulateurs de la photosynthèse, qui représente une frontière dans la recherche sur la photosynthèse. Elle a permis d'explorer la manière dont les signaux photosynthétiques impactent l'expression des gènes à l'échelle du génome, révélant qu'environ la moitié des gènes réagissaient à des conditions de forte luminosité de manière dépendante du NPQ. Le regroupement de ces gènes en fonction de l'exposition à la lumière et du NPQ déployé a permis de distinguer les groupes à expression invariante (e.g. cycle cellulaire), ceux significativement influencés par la photoprotection (e.g. ribosomaux et liés à la photoprotection) et ceux régulés strictement par la lumière (e.g. liés à l'absorption de la lumière).Enfin, une nouvelle méthode non invasive a été développée pour mesurer la valeur absolue de la force motrice du proton et sa division en ses composantes électriques et osmotiques, ΔpH. Cette nouvelle méthode, basée sur le déplacement électrochromique des pigments photosynthétiques, facilitera les études sur la manière dont la chaîne électronique photosynthétique affecte les quantités et les activités des acteurs moléculaires impliqués dans le NPQ via le ΔpH, bouclant ainsi la boucle de rétro-action entre le NPQ et la photosynthèse.
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Identifiants

  • HAL Id : tel-04918415 , version 1

Citer

Dany Croteau. NPQ in pennate diatoms : a simple phenomenon and tool to probe multi-level orchestration of photosynthetic regulations. Microbiology and Parasitology. Sorbonne Université, 2024. English. ⟨NNT : 2024SORUS446⟩. ⟨tel-04918415⟩
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