Soutenance de thèse de Maureen SAINT-SORNY

Le transport d'électrons photosynthétique produit de l'ATP et du NADPH pour la réduction du CO2 par le cycle de Calvin Benson Bassham. Il est composé du flux principal, le transport linéaire d'électrons, et de voies alternatives de transport d'électrons qui bifurquent les électrons vers des accepteurs autres que le CO2. Ces voies sont photoprotectrices et équilibrent les besoins de la cellule en ATP et en NADPH. Dans un mutant de Chlamydomonas dépourvu de RuBisCO (ΔrbcL), les électrons sont principalement redirigés vers le flux d'électrons cyclique (Johnson et al., 2014). Le flux d'électrons cyclique recycle les électrons autour du PSI et régule le transport linéaire d'électrons par un groupe de mécanismes appelés " contrôle photosynthétique ". L’objectif du projet de cette thèse est d’atteindre une meilleure compréhension de l’intégration du métabolism avec les mécanismes de régulation de la photosynthèse. Nous avons étudié la modulation du flux cyclique d’electrons chez le mutant ΔrbcL dépendemment de la présence d’acétate, et nous avons prouvé que le statut carbone des cellules contrôle cette modulation. Nous avons identifié des métabolites clés qui modulent la connection entre métabolisme et transport d’électrons photosynthétique (Saint-Sorny et al., 2022). Dans le but de trouver des mutants dans les voies de contrôle de la photosynthèse, nous avons utilisé le mutant ΔrbcL comme souche hôte pour générer des doubles mutants. Mon projet s’est concentré sur l'analyse de 7 de ces mutants que nous avons nommé photosynthetic regulatory mechanism (prm) 1-7. L'objectif de ma thèse était d'identifier les cibles moléculaires de ces mutants et d'analyser les répercussions de ces mutations sur le flux d'électrons et le métabolisme photosynthétique. J’ai prouvé que tous les mutants sont liés à un seul locus nucléaire muté, et qu’il n’y a pas d’allélisme entre les mutants. L’indentification des mutations est en cours, et les progrès seront discutées dans ce manuscrit. L’impact des mutations a été étudié à la fois dans les conditions mixotrophiques et phototrophiques, pour analyser respectivement les changements constitutifs et les répercussions des mutations sur le métabolisme photosynthétique. L’analyse du métabolisme des mutants a montré une réorientation du métabolisme en faveur de l’azote au détriment du carbone, et une adaptation différente au manqué d’azote en phototrophie. Le mutant proton gradient regulation 5 (pgr5) a été choisi pour une étude poussée de la répartition des molécules de réserve pendant la carence en azote. Ce mutant a montré une réorientation complète du métabolisme, avec très peu d’amidon accumulé mais une quantité de lipides doublée par rapport à la souche sauvage. Ce phénomène a été observé à la fois en présence et en absence d’acétate. Ce travail de thèse contribuera à l’effort en cours pour domestiquer la photosynthèse des algues pour la production de biomasse, et pour une meilleure compréhension des intéractions complexes entre métabolisme et mécanismes de régulation de la photosynthèse.

Photosynthetic electron transport produces ATP and NADPH for CO2 reduction by the Calvin Benson Bassham cycle. It is composed of the major flux, linear electron transport, and alternative electron transport pathways that bifurcate electrons to acceptors other than CO2. These pathways are photoprotective and balance the cell’s requirements for ATP and NADPH. In a Chlamydomonas mutant devoid of RuBisCO (ΔrbcL), electrons are mostly redirected towards cyclic electron flow (Johnson et al., 2014). Cyclic electron flow recycles electrons around PSI and regulates linear electron transport by a group of mechanisms termed “photosynthetic control”. The objective of this PhD project is to better understand the integration of metabolism with photosynthetic regulatory mechanisms. We have studied CEF modulation in ΔrbcL mutant depending on the presence of acetate, and we have proved that it is controlled by the carbon status of the cell. We identified key metabolites that modulate the connection between metabolism and PET (Saint-sorny et al., 2022). With an aim to find new mutants in photosynthetic control pathways, we used ΔrbcL mutant as a host strain to generate double mutants. My project focussed on the analysis of 7 of these mutants that we named photosynthetic regulatory mechanism (prm) 1-7. The objective of my thesis was to identify the molecular targets in the mutants and to analyze the repercussions of these mutations on electron flow and photosynthetic metabolism. I found that each mutant contains a single mutation linked to the change in photosynthetic electron transport, and that there is no allelism between the mutants. The identification of the mutations is ongoing and the work in progress will be discussed. The impact of a loss of photosynthetic control mechanisms on mixotrophic and phototrophic metabolism were investigated, to analyze both constitutive changes and repercussions on photosynthetic metabolism. Metabolic analysis of the cells shows a rerouting of metabolism in favour of nitrogen at the expense of carbon and a different response to phototrophic nitrogen deprivation. The proton gradient regulation 5 (pgr5) mutant, was chosen for an in depth study into partitioning of reserves molecules during N starvation. The mutant showed a complete rerouting of metabolism, with almost no accumulation of starch but a doubling in lipid production. This was observed both in the presence and absence of acetate. My thesis work will contribute to an ongoing effort to domesticate algal photosynthesis for biomass production and to understand the complex interactions between metabolism and photosynthetic regulatory mechanisms.