Rôle du superoxyde dans le processus d'acquisition du fer par le phytoplancton marin

• Auteur / Autrice : Aurélie Godrant
• Direction : Paul Tréguer, T. David Waite
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie marine
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Brest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biochimie marine

Phytoplancton marin

Effets du fer

Superoxyde

Mots clés libres

Superoxide

Iron

Iron limitation

Deplete and replete condition

Phytoplankton

Cyanobacteria

Trichodesmium erythraeum

Ims101

Trichrome

Microplate

Great Barrier Reef

Hydrogen peroxide

Red-CLA

Mcla

Mehler reaction

Iron uptake

Photosynthesis

Chemiluminescence

Reactive oxygen species

Extracellular superoxide production

Trace metal

Growth rate

Monod

Circadian rythm

55Fe

59Fe

Superoxide dismutase

Sod

Xanthine

Xanthine oxidase

Bloom

AUR fluorometric

Horseradish peroxidase

Amplex red

Catalse

Chattonella marina

Thalassiossira oceanica

Superoxyde fer

Limitation en fer

Phytoplancton

Cyanobactérie

Microplaque

Grande Barrière de corail

Peroxyde d'hydrogène

Absorption du fer

Photosynthèse

Chimiluminescence

Espèces de l'oxygène actives

Production extracellulaire de superoxyde

Métaux traces

Taux de croissance

Rythme circadien

Superoxyde dismutase

Résumé

Le rôle clef du fer dans le cycle biogéochimique du carbone et de l’azote dans l’océan a été mis en évidence au cours de la dernière décennie. Une des découvertes majeures récentes en océanographie biologique est la limitation de la croissance du phytoplancton par la disponibilité en fer dans au moins 40% de l’océan mondial. Or, la chimie de cet élément dans l’océan est particulièrement complexe et la forme sous laquelle il est disponible pour le phytoplancton reste encore mal connue. Plusieurs mécanismes sont utilisés par le phytoplancton marin pour améliorer la solubilité du fer en eau de mer et parvenir à absorber les quantités suffisantes en fer nécessaires à leur survie. Un de ces mécanismes implique la production de radicaux superoxyde en milieu extracellulaire, ce qui accroît la bio-disponibilité du fer en eau de mer en réduisant la forme Fe(III) sous forme Fe(II), plus bio-disponible aux cellules de phytoplancton. Les objectifs principaux de ce travail étaient de i) développer une méthode appropriée pour détecter la production de superoxyde en milieu extracellular par n’importe quelle cellule de phytoplancton marin, et ii) examiner la relation entre la production extracellulaire de superoxyde et l’absorption du fer par la cyanobactérie Trichodesmium erythraeum IMS101. Une méthode de détection du superoxyde a été développée, qui utilise du red-CLA ou du MCLA, deux sondes chimiluminescentes spécifiques à la détection du superoxyde, qui ont donné des résultats fiables, même sur de très faibles quantités d’échantillons. En effet, comparée aux autres méthodes employées, la détection de la production du superoxyde par microplaques permet de réduire le volume d’échantillon par 10, et de réduire le temps d’analyse de tréplicats d’un échantillon, d’un blanc et de trois standards à 10 minutes. De plus, cette méthode présente une large gamme de travail avec une limite de détection de 0,076 pmol/s, ce qui lui confère un grand avantage pour le travail sur le phytoplancton marin. Les taux de production de superoxyde en milieu extracellulaire par la cyanobatérie Trichodesmium erythraeum ont été mesurés en condition de laboratoire et allaient de 0,93 à 16,21 pmol/trichome/h. La limitation en fer des cellules de Trichodesmium résultat en une augmentation de ce taux de production, qui a été multiplié par un facteur 2,9 entre les cellules non limitées et les cellules limitées en fer. Il a aussi été montré que la production de superoxyde suivait un rythme diurne avec une forte augmentation du taux de production en milieu du cycle « jour», spécialement marqué pour les cultures maintenues en milieu pauvre en fer. Les taux de production extracellulaire de superoxyde et d’absorption du fer par Trichodesmium ont été mesurés simultanément sur des cultures pré-limitées ou non limitées en fer. Les taux d’absorption étaient 10 fois plus élevés pour les cultures non limitées, sauf lorsqu’un composé réducteur (acide ascorbique) était ajouté. Dans ce cas, les taux d’absorption des deux cultures étaient similaires. De plus, les deux cultures ont montré une plus grande aptitude à absorber le fer lié à des ligands faibles comme le citrate. Dans l’ensemble, les résultats ont montré une relation entre la production de superoxyde et l’absorption de fer par Trichodesmium, mais aucune influence directe entre ces deux processus n’a pu être démontrée. La méthode de détection du superoxyde par microplaque a été utilisée lors de campagnes sur la Grande Barrière de corail en Australie. L’analyse de deux blooms de Trichodesmium a montré de forts taux de production de superoxyde, en cohérence avec les analyses effectuées au laboratoire. De plus, l’utilisation de cette méthode (entre autres) a permis de démontrer une accumulation d’espèces Fe(II) en concentrations biologiquement significatives, quand la concentration en superoxyde dans l’eau de mer était inférieure à 1 nM. Par contre, lorsque cette concentration se trouvait supérieure à 1nM, la plupart des espèces réduites (Fe(II)) étaient réoxidées, ce qui résultait en un fort taux de production de peroxyde d’hydrogène du à la dismutation du superoxyde. Dans l’ensemble, cette étude a permis le développement d’une méthode de détection de la production de superoxyde par le phytoplancton marin en milieu extracellulaire qui peut être utilisée au laboratoire ou en conditions d’étude sur le terrain. Nous avons aussi démontré que les cellules de Trichodesmium erythraeum IMS101 produisent de grandes quantités de superoxyde, en particulier lorsqu’elles sont limitées en fer. L’étude des taux d’absorption du fer par ces même cellules a démontré une forte relation entre ce processus et la production de superoxyde par les cellules: ces résultats sont en accord avec l’hypothèse que le modèle d’absorption du fer par le phytoplancton marin «Fe’» serait fortement influencé par ce type d’organisme capable de modifier l’équilibre redox du milieu présent à la surface des cellules.

It is hypothesised that, under iron limitation, phytoplankton cells develop biochemical mechanisms to increase their iron uptake efficiency with one of these mechanisms involving the production of superoxide in the extracellular environment that increases the bioavailability of iron in seawater by reducing Fe(III) to the more soluble Fe(II). The main objectives of this work were 1) to develop an appropriate method to detect extracellular production of superoxide by marine phytoplankton, and 2) to examine the relationship between extracellular production of superoxide and iron acquisition by Trichodesmium erythraeum. A method to measure superoxyde production is described using red-CLA and MCLA probes, yielding considerable improvement for analysis compared to other available methods. Extracellular superoxide production and iron uptake rates were measured simultaneously on iron replete and iron deplete Trichodesmium erythraeum IMS 101 laboratory cultures : iron starvation leads to a 2. 9-fold increase in superoxide production rate and 10-fold decrease in the iron uptake rate (except when a reducing compound was added) compared to iron replete cultures. Extracellular superoxide production shows a pronounced circadian rythm in iron deplete cultures, but less so in iron replete cultures. Overall, no direct impact of extracellular superoxide production by Trichodesmium is observed, but both processes are shown to be related. Both iron deplete and iron replete cultures demonstrate greater ability to uptake iron bound to weaker iron-binding ligands such as citrate. Application of the method to field studies in the Great Barrier Reef lagoon showed an accumulation of biologically significant concentrations of reduced trace metals including Fe(II) when the concentration of superoxide was lower than 1 nM. When the concentration of superoxide was higher than 1 nM, most of the reduced species were oxidised resulting in high rates of hudrogen peroxide production rates, consistent with laboratory studies. Overall, this thesis permitted the development of a method to detect superoxide production rates by marine phytoplankton cells that could be used routinely in field studies. The observations are in accord with the conclusion that fit the ongoing hypothesis that the extablished Fe' uptake model for phytoplankton would be strongly influenced by such organisms that are able to modify the redox equilibrium of the solution at their cells surface.