Soutenance de thèse de Marie CHAZAUX

La chaîne photosynthétique de transfert d’électrons, située dans les membranes des thylakoïdes, fournit aux plantes et aux algues phototrophes l’énergie nécessaire à leurs besoins métaboliques. Deux photosystèmes (PSII et PSI) et leurs antennes collectrices d’énergie (LHCII et LHCI) permettent la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique, stockée sous forme de NADPH et d’ATP, et utilisée ensuite pour le métabolisme cellulaire. Les mécanismes d’acclimatation de la photosynthèse permettent d’ajuster l’apport énergétique à la demande métabolique. Certains de ces mécanismes et leurs acteurs moléculaires sont toujours mal compris ou inconnus. Deux cribles génétiques chez l’algue verte Chlamydomonas reinhardtii ont permis d’identifier PBCP (homologue à la phosphatase des sous-unités cœur du PSII) et APE1 (Acclimation of Photosynthesis to the Environment 1). Les phosphatases impliquées dans la déphosphorylation des sous-unités cœur du PSII et des antennes sont inconnues chez Chlamydomonas. La caractérisation du mutant pbcp et d’un second mutant (pph1) avec un homologue chez Arabidopsis montre que les transitions d’état nécessitent les deux phosphatases. Les transitions d’état permettent l’allocation réversible des antennes au PSII ou au PSI. Chez les plantes, elles ont un rôle exclusivement en faible lumière pour équilibrer l’apport énergétique entre photosystèmes, tandis que chez Chlamydomonas, les transitions d’état ont également un rôle en forte lumière. PPH1 semble spécifiquement impliquée dans le mouvement des antennes, tandis que PBCP pourrait avoir un rôle additionnel en forte lumière. La connaissance de la spécificité des phosphatases pourrait permettre de disséquer ces mécanismes et de comprendre leurs rôles physiologiques. Le criblage qui a permis l’identification d’APE1 était basé sur l’utilisation d’une souche sans Rubisco (ΔrbcL), incapable de fixer le carbone atmosphérique, et qui met en place de nombreux mécanismes d’acclimatation. Une quinzaine de candidats incapables de réduire l’activité du PSII ont été isolés, parmi lesquels le mutant ape1. L’analyse biophysique du double mutant ΔrbcL ape1 a permis de mettre en évidence que le flux linéaire est plus important chez le double mutant, expliquant son isolation dans notre crible. APE1 est une protéine des thylakoïdes de 25 kDa très abondante, qui interagit avec les sous-unités cœur du PSII. En son absence, l’organisation des photosystèmes et des thylakoïdes est différente et la photoinhibition du PSII est accélérée, mais APE1 n’est pas directement impliquée dans la biogenèse ou la réparation du PSII. Un rôle pour APE1 est suggéré dans l’organisation et le réarrangement des photosystèmes dans les membranes des organismes photosynthétiques, influant sur l’acclimatation à la lumière. Mots clef : Photosynthèse, Acclimatation, Chlamydomonas, Phosphatase, Transitions d’état, Flux cyclique

To fulfill their energy requirements, photoautotrophic plants and algae rely on a photosynthetic electron transfer chain embedded in the thylakoid membrane of the chloroplast. Two photosystems (PSII and PSI) and their associated light-harvesting antennae (LHCII and LHCI) mediate the conversion of light energy into chemical energy. The chemical energy that is stored in ATP and NADPH fuels cell metabolism. Acclimation mechanisms at the level of the thylakoid membrane allow for adjustments of the energy supply to the metabolic demand. Some of these mechanisms are still unknown or poorly understood. Two genetic screens in the green algae Chlamydomonas reinhardtii have allowed the identification of PBCP (homologue to PSII Core Phosphatase in Arabidopsis) and APE1 (Acclimation of Photosynthesis to the Environment 1). In both cases, large mutant libraries were generated by insertional mutagenesis and screened by changes to their chlorophyll fluorescence kinetics using in vivo imaging. I led the characterization of these two mutants during my thesis. The phosphatases involved in the dephosphorylation of PSII core subunits and of the antennae are still unknown in Chlamydomonas. Characterization of the pbcp mutant, as well as a second phosphatase mutant (pph1) with a homologue in Arabidopsis showed a requirement for both in state transitions, a mechanism which allows the reversible allocation of the antennae to PSII or PSI. In plants, state transitions have a role exclusively in limiting light to balance the energy between photosystems, while in Chlamydomonas they have other roles in high light. PPH1 seems to be specifically involved in antennae movement, while PBCP could have an additional role in high light. The knowledge of the specificity of the phosphatases could facilitate the characterization of these mechanisms and the understanding of their physiologic roles. The screen which allowed the identification of APE1 was based on the use of a Rubisco-less mutant (ΔrbcL), unable to fix atmospheric CO2, a context where general acclimation mechanisms are revealed. About fifteen mutants were isolated that were unable to down-regulate PSII activity, amongst these we identified ape1. Biophysical analysis of ΔrbcL ape1 showed that linear electron flow is increased, explaining its isolation in our screen. APE1 is an abundant, 25 kDa thylakoid transmembrane protein that interacts with the PSII core. In its absence, there is a different organization of the photosystems and of the thylakoid membrane and there is an accelerated photoinhibition of PSII, but APE1 is not directly involved in PSII repair or biogenesis. We hypothesize a role for APE1 in organization and rearrangement of the photosystems in the membrane of photosynthetic organisms that has repercussions on regulation of the light acclimation process. Key words: Photosynthesis, Acclimation, Chlamydomonas, Phosphatase, State transitions, Cyclic electron flow