Photoadaptive strategies of plankton diatoms
Stratégies d’adaptation des diatomées phytoplanctoniques aux variations de l’intensité lumineuse rencontrées dans leur environnement naturel
Résumé
Diatoms play an important role in the carbon cycle. They contribute up to 40 % of the
oceanic primary production. They are dominant in turbulent waters where the vertical mixing
exposes them to large and rapid changes in light intensity. The collection of solar energy used for
photosynthesis is achieved, in diatoms, by light-harvesting complexes (LHCF) which differ in many
respects from those of higher plants. For the latter, the photoregulatory mechanisms are rather well
known. Such is not the case in diatoms. My thesis project has been to study the adaptation strategies
of planktonic diatoms to changing light. On the short term photoprotection takes place, while for
longer terms, photoacclimation is occurring.
In a first part of my work, we obtained with special culture conditions, cells specifically
enriched in diadinoxanthin (DD). This pigment is involved in a crucial photoprotective mechanism
which consists in a switch of the LCHF function from efficient transfer of the absorbed energy to
the reaction centers, to dissipation of excess energy. This modification is brought by the nonphotochemical
quenching of the chlorophyll fluorescence (NPQ) and regulated by the deepoxidation
of the DD into diatoxanthin (DT) (the so-called xanthophyll cycle). It induces a
decrease in the amount of energy transferred to the photosystem II (PS II) reaction centers. The
comparison between the NPQ and the xanthophyll cycle developed in the cells with different DD
pool sizes led to the conclusion that NPQ is an efficient photoprotective mechanism which is
proportional to the DT pool size. This unique material also provided additional informations on the
molecular mechanisms involved in the NPQ regulation. The LHCF of the two types of cells have
been purified. Their polypeptide composition and pigment content have been analyzed with a
special concern about the localization of the DD and DT molecules.
In a second part of my work, other photoprotective mechanisms have been studied with a
specific interest for the alternative routes of electron transfer which store or utilize the reducing
power generated in excess during high light illumination. We were able to demonstrate the
occurrence of a cyclic electron flow around PS II and also the storage of a reduced compound
during the high light illumination, used later by chlororespiration at lower intensity or in the dark.
These two mechanisms can contribute to photoprotection.
We also studied photoacclimation of planktonic diatoms and more precisely the capacity of
energy dissipation in cells acclimated to high light. In these cells, the correlation between NPQ and
DT is modified. Our results suggest different possible localizations for DT in the thylakoid
membrane and an indirect role for DT in NPQ.
Lastly, we verified that the photoprotective dissipation of energy studied in Phaeodactylum
tricornutum also occurred in several other planktonic diatoms of ecological interest (such as
Thalassiosira weisflogii). These results validate the choice of P. tricornutum as a model organism.
Another aspect of my work concerned the use of fluorescence as a non invasive method to
evaluate the phytoplanktonic content of aquatic ecosystems. A trichromatic fluorometer was
conceived and built in the lab. It was used to follow the dynamics of freshwater planktonic
populations for an early detection of blooms with a special focus on cyanobacteria. The set-up can
be used to discriminate between four phytoplanktonic groups (green algae, diatoms and two types
of cyanobacteria). It is also able to evaluate the physiological state of a whole population. This work
was done in collaboration with the French company Suez-Ondeo Services.
Les diatomées planctoniques ont un rôle prépondérant dans le cycle du carbone puisqu’elles
sont responsables de 40 % de la production primaire océanique. Elles dominent dans les eaux
turbulentes où le mélange vertical les expose à des changements d’intensité lumineuse rapides et
importants. L’absorption de l’énergie lumineuse utilisée pour la photosynthèse est assurée par des
complexes pigments-protéines chlorophylliens (LHCF) qui sont relativement différents de ceux des
plantes vertes. Chez ces dernières, les mécanismes de photorégulation sont assez bien connus,
contrairement aux diatomées. Mon travail de thèse a porté sur les stratégies d’adaptation des
diatomées planctoniques aux variations lumineuses à court terme (la photoprotection) et à long
terme (la photoacclimatation).
Dans un premier temps, nous avons obtenu, grâce à des conditions de cultures particulières,
des cellules spécifiquement enrichies en diadinoxanthine (DD). Ce pigment est impliqué dans un
mécanisme photoprotecteur essentiel qui se manifeste par le passage rapide des LHCF de leur
fonction “normale” de transfert efficace de l’énergie absorbée aux centres réactionnels à une
fonction de dissipation de l’énergie lumineuse. Ce changement fonctionnel est illustré par un
quenching non-photochimique de la fluorescence chlorophyllienne (NPQ) régulé par la déépoxydation
réversible de la DD en diatoxanthine (DT) (cycle des xanthophylles). Il entraîne la
diminution de la proportion d’énergie transmise au centres réactionnels photosystème II (PS II). La
comparaison de la dissipation d’énergie et du cycle des xanthophylles dans les deux types de culture
a permis de démontrer de manière indubitable l’efficacité du NPQ dans la photoprotection. Ce
matériel unique nous a également apporté de précieuses informations sur les mécanismes
moléculaires impliqués dans la régulation du NPQ. Les complexes pigments-protéines ont été
purifiés chez les deux types de cultures. Leur contenu polypeptidique et pigmentaire a été
caractérisé avec une attention toute particulière pour la localisation de la DD.
Dans un second temps, les processus photoprotecteurs autres ont été examinés et un accent
particulier a été donné aux voies alternatives à la voie photosynthétique qui permettent d’utiliser
et/ou de stocker l’énergie en excès. Nous avons mis en évidence l’existence d’un transport cyclique
des électrons au sein du PS II ainsi que le stockage d’un composé réduit à la lumière utilisé ensuite
comme carburant à l’obscurité par la chlororespiration. Ces deux mécanismes sont bien connus pour
contribuer à la photoprotection de la cellule.
Nous avons également étudié la photoacclimatation des diatomées planctoniques en axant
notre approche sur les capacités de photoprotection des diatomées acclimatées à forte intensité
lumineuse. Chez ces algues, la relation entre le cycle de la DD et le développement du NPQ est
modifiée. Ceci suggère plusieurs localisations possibles de la DT au sein de l’appareil
photosynthétique et un rôle indirect de la DT dans le NPQ.
Enfin, nous avons montré que les mécanismes de photoprotection étudiés en détail chez
Phaeodactylum tricornutum poussée dans différentes conditions de lumière existent également à
des degrés divers chez plusieurs autres diatomées planctoniques d’importance écologique (tel que
Thalassiosira weisflogii). Cette comparaison a permis de valider notre choix de P. tricornutum
comme organisme modèle.
Une autre partie de ce travail a consisté à la mise en application pratique de l’observable
qu’est l’émission de fluorescence chlorophyllienne qui a été utilisée dans l’étude de la
photorégulation chez les diatomées. Ceci a abouti à l’élaboration d’un fluorimètre pour le suivi de la
dynamique des peuplements phytoplanctoniques d’eau douce en vue de la détection précoce des
proliférations algales avec une attention pour les cyanobactéries. L’appareil est capable de mesurer
la biomasse, de distinguer entre quatre groupes phytoplanctoniques (algues vertes, diatomées, deux
types de cyanobactéries) et d’évaluer la physiologie du peuplement. Ce travail a été réalisé en
collaboration avec la société Suez-Ondeo Services.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)