Soutenance de thèse de Adrien BURLACOT

Les organismes photosynthétiques régulent le climat terrestre en utilisant l'énergie lumineuse pour séquestrer le dioxyde de carbone (CO2), processus dans lequels les algues ou les cyanobactéries contribuent massivement dans les écosystèmes aquatiques. Une fixation efficace du carbone par la photosynthèse repose sur un juste équilibre entre la production d'énergie par réactions photochimiques et la consommation d'énergie. Cet équilibre peut être remis en question lors de changements environnementaux brusques, pouvant entraîner de graves dommages oxydatifs. Plusieurs mécanismes de régulation contribuent à limiter ces effets délétères, soit en dissipant l'excès d'énergie, soit en détournant le flux photosynthétique des électrons vers l'oxygène moléculaire (O2). Bien que le potentiel de photoréduction de l'O2 soit important dans les microalgues vertes, leur importance physiologique et les mécanismes moléculaires qui les produisent restent insaisissables. Dans les cyanobactéries, des protéines nommées flavodiiron (FLV) ont été identifiées comme étant les principaux protagonistes de la photoréduction de l’O2. Des gènes FLV ont été identifiés dans le génome des algues vertes, mais n’ont pas encore été caractérisés. Dans cette thèse, nous avons exploré le rôle des FLVs durant la photosynthèse dans la microalgue verte modèle Chlamydomonas reinhardtii. En mesurant les échanges gazeux à l’aide d’un spectromètre de masse à injection par membrane sur des mutants dépourvus de FLVs, nous montrons que les FLVs sont impliqués dans une photoréduction massive d'O2 lors de transitions de l'obscurité à la lumière, et nous montrons que les FLVs sont essentielles à la croissance sous lumière fluctuante. Alors que les FLV cyanobactériennes protégent une nitrogénase sensible à l'O2 dans des cellules hétérocystes, nous montrons que les FLVs algales ne protègent pas l'hydrogénase sensible à l'O2, mais qu'elles sont plutôt en competition avec celle-ci pour l’energie photosynthétique. En mesurant les échanges de monoxyde d’azote (NO) et d'oxyde nitreux (N2O) dans différentes souches et espèces d'algues, nous démontrons l'existence d'une réduction du NO en N2O dépendante de l’activité photosynthètique et médiée par les FLVs. Nous discutons du rôle physiologique des mécanismes décrits et de leur implication dans la régulation de la fixation du CO2 chez les microalgues. L'ensemble de ces données fourni des pistes pour comprendre la disparition des FLVs au cours de l'évolution des plantes à fleurs.

Photosynthetic organisms regulate the earth’s climate by using light energy to sequester carbon dioxide (CO2) a phenomenon to which algae and cyanobacteria substantially contribute in aquatic ecosystems. Efficient carbon fixation by photosynthesis relies on a proper balance between energy production by photochemical reactions and energy consumption, a balance that can be challenged during sudden environmental shifts, possibly resulting in severe oxidative damages. Several regulatory mechanisms contribute to limiting such deleterious effects, either by dissipating excess energy or by diverting the photosynthetic flow of electrons towards molecular oxygen (O2). Although the O2 photoreduction potential is important in green microalgae, both physiological significance and molecular mechanisms remain elusive. In cyanobacteria, flavodiiron proteins (FLVs) are the main protagonists of O2 photoreduction. FLV genes have been identified in green algal genome but are so far uncharacterized. In this thesis, we have explored the role of FLVs during photosynthesis in the model green microalga Chlamydomonas reinhardtii. By measuring gas exchange with a Membrane Inlet Mass Spectrometer on mutants devoid of FLVs, we show that FLVs are involved in a massive O2 photoreduction during aerobic dark to light transition. We further evidence that FLVs are crucial for growth under fluctuating light. While cyanobacterial FLVs have recently been proposed to protect the O2-sensitive nitrogenase in heterocysts cells, we show here that algal FLVs do not protect the O2-sensitive hydrogenase from O2, but rather compete with it for photosynthetic reducing power. Finally, by measuring nitric oxide (NO) and nitrous oxide (N2O) exchange in different algal strains and species, we provide evidence for a light-dependent NO reduction into N2O driven by photosynthesis and mediated by FLVs. We discuss the physiological relevance of the mechanisms described and their involvement in regulating CO2 fixation in microalgae. We finally propose a model explaining the disappearance of FLVs during the evolution of flowering plants.