The role of the LHCX light-harvesting complex protein family in diatom photoprotection

par Lucilla Taddei

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Angela Falciatore et de Marianne Jaubert.

Soutenue le 25-07-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Complexité du vivant (Paris) , en partenariat avec Biologie Computationnelle et Quantitative (laboratoire) .

Le jury était composé de Catherine De Vitry, Leila Tirichine, Alessandra Carbone, Pierre Cardol, Tomas Morosinotto, Bernard Lepetit.

  • Titre traduit

    Rôle des protéines de la famille des antennes collectrices de lumière, LHCX, dans la photoprotection chez les diatomées


  • Résumé

    Les diatomées constituent le principal groupe du phytoplancton dans les océans, contribuant à près de 20% de la production primaire globale. Dans leur environnement très variable, les diatomées sont particulièrement efficaces dans leur capacité à ajuster leur activité photosynthétique en dissipant sous forme de chaleur l’énergie lumineuse absorbée en excès, par un processus appelé le « Non-Photochemical Quenching of chlorophyll fluorescence », (NPQ). Chez la diatomée modèle, Phaeodactylum tricornutum, il a été montré que LHCX1, une protéine proche des antennes photosynthétiques, est impliquée dans le NPQ. Par des approches intrégrées de génétique, biologie moléculaire, biochimie, imagerie des cinétiques de fluorescence et spectroscopie ultrarapide, j’ai étudié le rôle de la famille des LHCX chez P. tricornutum. J’ai tout d’abord pu corréler une expression différentielle des 4 gènes LHCX de P. tricornutum avec différentes dynamiques de NPQ et activités photosynthétiques, dans différentes conditions de lumiére et nutriments. En localisant les LHCX dans les differents complexes photosynthétiques et les différents sites de dissipation d’énergie, j’ai pu proposer un modèle de régulation dynamique du NPQ impliquant à court terme principalement LHCX1 au niveau des centres réactionnels, et une autre isoforme, possiblement LHCX3, au niveau des antennes lors d’un stress lumineux prolongé. Enfin, par le criblage d’une série de mutants potentiellement dérégulés dans leur contenu en LHCXs, j’ai pu identifier des lignées avec un NPQ altéré qui pourront constituer des nouveaux outils de recherche. Dans l’ensemble ce travail de thèse a permis de mettre en évidence la diversification fonctionnelle et l’importance de la famille des LHCX dans la fine modulation des capacités de collecte de lumière et de photoprotection, expliquant sans doute en partie le succès des diatomées dans leur environnement très fluctuant.


  • Résumé

    Diatoms dominate phytoplanktonic communities in contemporary oceans, contributing to 20% of global primary productivity. In their extremely variable environment, diatoms are especially efficient in adjusting their photosynthetic activity by dissipating as heat the light energy absorbed in excess, through a process called “Non-Photochemical Quenching of chlorophyll fluorescence”, (NPQ). In the model diatom Phaeodactylum tricornutum, it has been shown that LHCX1, a photosynthetic antenna-related gene, is involved in the NPQ process. Through integrated approaches of genetics, molecular biology, biochemistry, study of the kinetics of chlorophyll fluorescence yields and ultrafast spectroscopy, I studied the role of the LHCX family in the photoprotection activity of P. tricornutum. I first correlated a differential regulation of the 4 P. tricornutum LHCX genes with different dynamics of NPQ and photosynthetic activity, in different light and nutrient conditions. By localizing the LHCXs in fractioned photosynthetic complexes and the different sites of energy dissipation, I was able to propose a model of dynamic regulation of NPQ capacity involving mainly the LHCX1 in the reaction centers, during short-term high light responses. During prolonged high light stress, the quenching occurs mainly in the antennas, potentially mediated by the LHCX3 isoform. Finally, using photosynthetic parameters, I screened a series of transgenic lines putatively deregulated in their LHCX amount, and I identified lines with altered NPQ, which could represent novel investigation tools. Altogether, this work highlighted the functional diversification and the importance of the LHCX protein family in the fine-tuning of light harvesting and photoprotection capacity, possibly contributing to explain diatoms success in their highly fluctuating environment.


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