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Martino Tomizioli

Identification de nouveaux facteurs de la régulation de la photosynthèse



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Publié le 20 octobre 2014


Thèse soutenue le 20 octobre 2014 pour obtenir le grade de Docteur de l'Université de Grenoble - Spécialité : Biologie Végétale

Résumé :
Chez les eucaryotes, la photosynthèse a lieu dans le chloroplaste, un organite spécifique de la cellule végétale et caractérisé par différents compartiments : (i) l'enveloppe, la double membrane qui délimite le chloroplaste ; (ii) le stroma, phase aqueuse principalement composée de protéines solubles et (iii) un système membranaire interne, les thylacoïdes, qui contiennent les c​omplexes photosynthétiques. Les thylacoïdes forment un réseau tridimensionnel continu incluant un espace aqueux appelé lumen et sont différenciés en deux domaines physiques distincts : des empilements de vésicules de membrane (appelés granas ou BBY) et des extensions de membrane simple (lamelles stromales). Les complexes majeurs de la photosynthèse ne sont pas distribués de manière égale dans cette membrane à cause de contraintes électrostatiques et stériques. Ainsi, le photosystème I et l’ATP-synthétase sont enrichis dans les granas, le photosystème II dans les lamelles stromales alors que d’autres complexes, comme le cytochrome b6f, auraient une répartition équivalente entre granas et lamelles stromales. Pour faire face aux variations environnementales de lumière (en qualité et quantité), les plantes ont développé des processus pour moduler leur capacité d’absorption et d’utilisation de la lumière par les photosystèmes, processus regroupés sous le terme de « quenching non photosynthétique ou NPQ ». Dans le cadre de ma thèse, je me suis intéressé à deux composants du NPQ, les états de transition et la dissipation sous forme de chaleur (partie qE).
Le premier objectif de ma thèse a été d’identifier de nouveaux acteurs impliqués dans les transitions d’état et ceci en étudiant la relocalisation de protéines au sein des sous-compartiments des thylacoïdes par une approche protéomique. En effet, il a été montré que certaines antennes collectrices de lumière sont réorganisées dans les membranes photosynthétiques lors des transitions d’état. Jusqu’à présent, aucune description exhaustive de la composition et distribution des protéines dans les sous-compartiments de thylacoïdes n’avait été réalisée. J’ai donc dans un premier temps développé des protocoles de purification des sous-compartiments des thylacoïdes (granas et lamelles stromales) à partir de chloroplastes de plantes sauvage d’Arabidopsis thaliana. Ensuite, grâce à une approche d’analyse protéomique semi-quantitative, nous avons pu déterminer la localisation d’environ 300 protéines des thylacoïdes. Les résultats suggèrent que  la localisation de complexes photosynthétiques est beaucoup plus dynamique que celle jusqu’alors proposée. En effet, même s’ils sont préférentiellement identifiés dans un sous-compartiment, certains complexes photosynthétiques présentent une double localisation qui était inattendue. De plus, la composition en sous-unités de ces complexes diffère selon leur localisation, dans les granas et dans les lamelles stromales, suggérant l’existence de processus de régulation de la photosynthèse jusqu’alors insoupçonnés. Cette approche a ensuite été appliquée sur des plantes mutantes d’Arabidopsis affectées dans les transitions d’état afin d’effectuer une analyse protéomique différentielle et identifier des protéines pouvant être impliquées dans ce processus d’adaptation.
En parallèle, je me suis intéressé au phénomène qui permet aux plantes de dissiper les excès d'énergie lumineuse sous forme de chaleur (composante qE du NPQ). L’activation de ce mécanisme n’est pas constitutive et nécessite la formation d'un gradient de pH entre le stroma et le lumen des thylacoïdes (ΔpH). L'objectif de l'étude a été d’identifier des acteurs pouvant contrôler la formation de ce gradient de pH. Pour cela, nous nous somme focalisés sur le rôle d’un transporteur de potassium récemment caractérisé, TPK3. Grâce à des approches biophysiques et biochimiques, nous avons démontré que TPK3 est impliqué, in vivo, dans la modulation des deux composantes de la force proton motrice (pmf), le gradient de pH (ΔpH) et la différence de potentiel (ΔΨ). En contrôlant la répartition de la force proton motrice, TPK3, contrôle aussi la formation du NPQ et permet ainsi une utilisation correcte de la lumière en dissipant l’excès d’énergie et en évitant ainsi que la chaîne photosynthétique ne soit endommagée.

Jury :
Présidente : Mme Christelle Breton
 Rapporteur : M. Michael Schroda
Rapporteur : M. Christophe Robaglia
Examinateur : M. Wojciech Majeran
Directeur de thèse : M. Giovanni Finazzi
Co-directrice de thèse : Mme Daphné Seigneurin-Berny

Mots-clés :
Photosynthèse, chloroplaste, protéomique, sous-compartiments des thylacoïdes, transitions d’état

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