Photoactivation du PSII et régulation du transport d'électron photosynthétique chez Marchantia polymorpha : étude de l'homéostasie du manganèse et caractérisation des isoformes de la Plastid Terminal Oxidase (PTOX)

Photoactivation of PSII and regulation of photosynthetic electron transport in Marchantia polymorpha : study of manganese homeostasis and characterization of Plastid Terminal Oxidase (PTOX) isoforms

• Auteur / Autrice : Marine Messant
• Direction : Andrew Gall, Anja Krieger-Liszkay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 10/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Michaël Hodges
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xenie Johnson, Marion Eisenhut, Sylvain Merlot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xenie Johnson, Marion Eisenhut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie à super-résolution

Mots clés libres

Homéostasie du Manganèse

Photoactivation

Plastid Terminal Oxidase

Photosystème II

Marchatia polymorpha

Résonance Paramagnétique Electronique

Microscopie Super-Résolution

Manganese Homeostasis

Photoactivation

Plastid Terminal Oxidase

Photosystem II

Marchantia polymorpha

Electronic Paramagnetic Resonance

Super-Resolution Microscopy

Résumé

L'évolution des organismes photosynthétiques a été marquée par de grands bouleversements (colonisation terrestre, développement des racines, des vaisseaux, des graines) pour aboutir à l'apparition des angiospermes.La photosynthèse est au cœur du métabolisme primaire des organismes photosynthétiques et a elle aussi fait l'objet de certains changements au cours de l'évolution. Elle permet de produire de l'énergie sous forme d'ATP et de NADPH à partir de l'énergie lumineuse. Pour cela, la réaction d'oxydation de l'eau, catalysée par le cluster de manganèse ( Mn4CaO5) est nécessaire. Le cluster de Mn est le seul biocatalyseur sur Terre capable de catalyser la production d'oxygène à partir de CO2. Son assemblage dépendant de la lumière, nommé photoactivation, est obligatoire pour la maturation du photosystème II (PSII). La photosynthèse est protégée et régulée par de nombreux mécanismes lui permettant de faire face aux changements environnementaux. Parmi eux, la famille des protéines PTOX (Plastid Terminal Oxidase) permet la protection du photosystème II.Le but de cette thèse est d'étudier deux mécanismes conservés à travers l'évolution de la lignée verte en caractérisant une plante modèle émergente : Marchantia polymorpha. Sa place dans l'évolution, entre les algues et les angiospermes, en fait un organisme idéal puisque l'apparition des angiospermes est marquée par la perte de nombreuses protéines régulatrices, y compris au niveau de la photosynthèse.Dans un premier temps, la photoactivation du PSII in vivo et in vitro a été étudiée. La culture de Marchantia dans des conditions d'excès et de carence en Mn a mis en évidence une atteinte au niveau du métabolisme pour le premier et de la photosynthèse pour la seconde. Ensuite, des PSII isolés d'épinards dépourvus de cluster ont été étudiés par Résonance Paramagnétique Électronique de Haut champs et des méthodes dérivés pour mettre en évidence les différents intermédiaires de la photoactivation et pour déterminer les ligands du premier Mn(II) fixé au PSII. D'autre part, la culture de Marchantia à l'obscurité, rendue possible grâce à une voie de biosynthèse de la chlorophylle indépendante de la lumière, a permis le suivi de la photoactivation in vivo en fonction du temps. La microscopie super-résolution a montré la dynamique des thylakoïdes pendant la photoactivation et la mise en place du flux d'électron.Dans une seconde partie, la régulation du transport d'électrons photosynthétique et en particulier la fonction des protéines PTOX a été abordée. Une approche phylogénétique a montré que Marchantia possède deux isoformes de PTOX dont la première est similaire à l'unique PTOX des angiospermes (PTOXa) alors que la seconde ressemble aux deux isoformes présents chez les algues vertes (PTOXb). Un simple mutant de chaque isoforme a été obtenu et caractérisé. Puis, un double mutant a été généré pour la première fois. Leur caractérisation a montré que les PTOX protègent contre la photoinhibition du photosystème I. Enfin, une analyse in silico a été menée sur les séquences protéiques de nombreux organismes photosynthétiques afin de déterminer des pistes concernant leur évolution en particulier sur la partie Nter des PTOX de type algue.Pour finir, une réflexion théorique sur la dynamique des membranes et des complexes photosynthétiques au cours de la mise en place de différents mécanismes de protection de la chaîne a été menée.En conclusion, Marchantia polymorpha est une plante modèle très importante pour l'avenir. Elle est facile à analyser et sa place dans l'évolution de la lignée verte permettra d'élargir la vision de la recherche sur la photosynthèse.

The evolution of photosynthetic organisms was marked by great upheavals (land colonisation, development of roots, vessels, seeds) to lead to the appearance of the angiosperms that we know today.Photosynthesis is at the heart of the primary metabolism of photosynthetic organisms and was also affected by evolutionary events. Photosynthesis allows the production of energy in the form of ATP and NADPH using light energy. For this, the oxidation reaction of water catalysed by the manganese (Mn) cluster (Mn4CaO5) is necessary. The Mn cluster is the only biocatalyst on Earth able to catalyse oxygen production from CO2. Its light-dependent assembly, termed photoactivation, is mandatory for photosystem II (PSII) maturation. Photosynthesis is protected and regulated by many mechanisms allowing it to cope with environmental changes. Among them, the family of PTOX proteins (Plastid Terminal Oxidase) allows the protection of photosystem II by preventing the generation of reaction oxygen species (ROS).The Aim of this thesis is to study two mechanisms conserved through the evolution of the green lineage by characterising an emerging model plant: Marchantia polymorpha. Its place in evolution, between algae and angiosperms, makes it an ideal organism since the appearance of angiosperms was marked by the loss of many regulatory proteins, including at the photosynthesis level.First, the photoactivation of PSII in vivo and in vitro was studied. The culture of Marchantia under Mn excess and deficiency conditions revealed an attack on the level of the metabolism for the first and of the photosynthesis for the second. Then, PSII isolated from spinach devoid of clusters were studied by High-Field Electron Paramagnetic Resonnance and derivative methods to highlight the different photoactivation intermediates and to determine the ligands of the first Mn(II) bound to the PSII. On the other hand, growing Marchantia in the dark, enabled by a light-independent chlorophyll biosynthesis pathway, allowed in vivo tracking of the photoactivation as a function of time. Super-resolution microscopy follows the dynamics of thylakoids during photoactivation and the establishment of electron flow.In a second part, the regulation of photosynthetic electron transport, in particular the function of PTOX proteins was discussed. A phylogenetic approach showed that Marchantia has two isoforms of PTOX, the first of which is similar to the unique PTOX of angiosperms (PTOXa) while the second resembles the two isoforms present in green algae (PTOXb). A single mutant of each isoform was obtained and characterised. Then, a double mutant was generated for the first time. Their characterisation showed that PTOX protects against photosystem I photoinhibition. Finally, an in silico analysis was carried out on the protein sequences of many photosynthetic organisms in order to determine leads concerning their evolution, in particular on the Nter part of the alga-type PTOX.Finally, a theoretical reflection on the dynamics of membranes and photosynthetic complexes during the establishment of different protection mechanisms of the photosynthetic chain was carried out.To conclude, Marchantia polymorpha is a powerful plant model for the future. It's easy to analyse and its place in green lineage evolution will broaden the vision of photosynthetic research.