Soutenance de thèse de Charlie MATHIOT

La photosynthèse est le point d’entrée majeur de l’énergie et du carbone dans les environnements naturels et les systèmes agricoles. La capture de l’énergie lumineuse et la fixation du CO2 atmosphérique en biomasse sont fonctionnellement liées par le transport photosynthétique d’électrons. Pour optimiser l’efficacité photosynthétique dans un large spectre de niches écologiques, et dans des milieux en constante évolution, les organismes phototrophes détournent une partie de l’énergie récoltée du flux ‘linéaire’ principal vers diverses voies de transfert ‘alternatives’. Leur relatives contributions à l’activité totale de transport d’électrons permettent d’équilibrer constamment la production d’intermédiaire énergétiques aux exigences des processus métaboliques phototrophes. Une étude de cas des interactions fonctionnelles entre le transport photosynthétique d’électrons et l’énergisation du mécanisme de concentration du CO2 (CCM) de Chlamydomonas est d’abord présentée dans une revue bibliographique. Par ailleurs, au cours de ce projet de thèse, nous avons développé de nouvelles méthodes pour l'évaluation non invasive des voies de transfert des électrons par des sondes spectrophotométriques. En étudiant les dynamiques du signal de shift électrochromique (ECS), qui rend compte du potentiel électrochimique des membranes photosynthétiques, nous obtenons tout d'abord une quantification de la vitesse du flux total d'électrons. Nous montrons que si le flux d'électrons initial à la transition obscurité-lumière ne dépend que de l'intensité lumineuse, le flux en régime permanent sature à une valeur maximale après quelques secondes de lumière. En étudiant les facteurs d'efficacité du transfert d'électrons, nous démontrons que le vitesse de flux total d'électrons à l'induction de la photosynthèse est inférieur à celui prédit par la fermeture des centres photochimiques: on observe une disparité entre la quantité de photosystèmes actifs et le flux effectif d'électrons. Après modélisation théorique, nous concluons à la description d'un nouveau mécanisme de désexcitation transitoire de l'énergie lumineuse ; des éléments préliminaires sur sa nature et sa régulation (photosystème cible, et liens avec le ∆pH) sont présentés. Dans un troisième volet, la vitesse du flux total d'électrons est comparé au flux d'électrons linéaire soutenu par le seule PSII, déterminé sur la base des dynamiques du signal de fluorescence de la chlorophylle. Puisque qu’elles sont normalisées sur une unité standard commune (e-.PS-1.s-1), la comparaison des 2 sondes de photosynthèse permet pour la première fois de quantifier le flux d'électrons cyclique autour du PSI, dans un système photosynthétique sans inhibiteurs, et en régime de photosynthèse permanent.

Photosynthesis is the main entry point for energy and carbon in natural environments and agronomic systems. The harvesting of light energy and the assimilation of atmospheric CO2 into biomass are functionally linked by the occurrence of photosynthetic electron transport. To optimize photosynthetic efficiency in a wide range of ecological niches and despite ever-changing medium conditions, phototrophic organisms divert part of the harvested energy from the major ‘linear’ electron flow to a variety of ‘alternative’ transfer pathways. Their differential contributions to the total electron transport activity constantly balance the photosynthetic energy output to the requirements of phototrophic metabolic processes. The case study of the functional interplays between photosynthetic electron transport and the powering of the CO2-concentration mechanism in Chlamydomonas are first presented in an extensive literature review. Additionally, throughout this project, we developed new methods for the non-invasive assessment of electron transfer pathways through spectrophotometric probes. By the study of the dynamics of the electrochromic shift (ECS) signal, reporting for the electrochemical potential across the photosynthetic membranes, we firstly derive a quantification of the rate of total electron flow. We show that the initial electron flow at dark-light transition only depends on light intensity, but the steady-state flow saturates to a maximal value after a few seconds of light. We demonstrate that the rate of total electron flow at photosynthesis induction is lower than predicted by the closure of photochemical centers: a discrepancy between the amount of active photosystems and the electron flow sustained is observed. From theoretical modelling, we conclude at the evidence of a novel mechanism for the transient deexcitation of light energy; preliminary elements on its nature and regulation (photosystem targeted, and links with ∆pH) are presented. In a third effort, the rate of total electron flow is compared with the linear electron flow sustained by the sole PSII, as determined from the dynamics of the chlorophyll fluorescence signal. Owing to their calibration to a standard, common electron flow unit (e-.PS-1.s-1), the comparison between the two probes allows for the first time the quantification of the ‘elusive’ cyclic electron flow around PSI, in a non-inhibited photosynthetic machinery at steady-state photosynthesis.