Thèmes de recherche

Comprendre l'acclimatation de la photosynthèse à l'environnement

Motivés par l’avancée des connaissances scientifiques, nos thèmes de recherche peuvent répondent à des besoins potentiels en agronomie, en écologie, en sélection végétale, en bioénergie ou en biotechnologies vertes. En effet, une expertise scientifique en photosynthèse intégrée est nécessaire pour inventer des solutions d’adaptation ou d’atténuation au changement climatique, pour comprendre l’acclimatation des plantes et des écosystèmes face à l’augmentation du CO2 et de la température et pour mieux quantifier les contributions des plantes et des microalgues aux cycles biogéochimiques.

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Ce thème aborde le processus d’acclimatation à la lumière chez les organismes photosynthétiques en utilisant la génétique moléculaire et le phénotypage comparatif. Le facteur ape1, ainsi que d’autres facteurs d’acclimatation à la lumière sera étudié simultanément chez quatre organismes modèles (Arabidopsis, Chlamydomonas, Synechocystis et Synechococcus). Pour ce faire, nous travaillons en collaboration entre chercheurs de différentes compétences : les plantes, la biochimie et la microscopie seront dirigées par le professeur Stefano Caffari (BIAM/LGBP, BIAM). Corinne Cassier-Chauvat (CNRS, iB2C, Saclay)  dirigera pour sa part les travaux sur les cyanobactéries et le métabolisme photosynthétique. Ces travaux seront enrichis par une étude « -omique » plus large et plus globale de la réponse au stress liée à l’acclimatation à la lumière. Nous utiliserons également des mesures biophysiques pour caractériser l’importance physiologique de ces facteurs de régulation de la photosynthèse. Au cœur du projet l’analyse structure-fonction d’APE1 et l’étude de ses interactions moléculaires permettra de caractériser un mécanisme moléculaire qui intègre différents facteurs d’acclimatation à la lumière.

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Le mécanisme d’activation de la kinase Stt7 par le cytochrome b6f était mal compris car les connaissances indiquaient que le domaine kinase de Stt7 était situé du côté stromal de la membrane (site Qi) alors que le signal d’activation était censé provenir du côté luminal de la membrane (site Qo). Nos récentes avancées dans la compréhension de ce mécanisme nous ont permis de révéler que le déclenchement de la kinase Stt7 pour phosphoryler les protéines LHCII se fait via une interaction directe avec le complexe cytochrome b6f dans le compartiment stromal (Dumas, 2017 & 2018). Cette découverte élargit nos horizons car nous avons maintenant identifié des résidus clés du cyt b6f impliqués dans l’interaction avec Stt7.

Ce projet se poursuit actuellement en utilisant la technique de Phos-tag SDS PAGE pour mesurer l’état de phosphorylation de la protéine kinase Stt7 chez diverses souches de référence ou affectées par des mutations ciblées.

La régulation de l’ouverture des pores stomatiques est un processus clé qui régit un compromis « constitutif » auquel la plante doit faire face dans la nature : limiter les pertes en eau dues à la transpiration diurne et nocturne tout en permettant la diffusion du CO2 dans la feuille pour l’assimilation photosynthétique. Malgré l’importance de la fermeture des stomates la nuit pour préserver la santé des plantes et limiter les pertes en eau dans l’écosystème, on ne sait toujours pas si cette réponse stomatique à l’obscurité est simplement une conséquence passive de l’absence de stimulus lumineux, ou un processus actif recrutant d’autres mécanismes de fermeture des stomates ou impliquant des événements de signalisation indépendants.

En utilisant un crible basé sur l’imagerie IR, nous avions isolé le mutant ost2, (ost pour stomates ouverts) et une classe de nouveaux mutants d’Arabidopsis qui maintiennent les stomates ouverts toute la nuit que nous avions nommés opal pour « open all night long » (Costa et al 2015). Sur la base de leurs réponses phénotypiques à l’ABA et au CO2, nous avons proposé que ces mutants soient affectés sur des régulations spécifiques de la fermeture des stomates à l’obscurité. En d’autres termes, ce n’est pas seulement le manque de lumière qui régit la fermeture des stomates à l’obscurité. La caractérisation génétique et moléculaire de ces mutants a été entreprise. La caractérisation d’opal2 nous a conduit à l’identification d’un candidat moléculaire impliqué dans le métabolisme chloroplastique du carbone de la cellule de garde (travail en cours). Par ailleurs, une collaboration avec A. Hetherington (Bristol Univ., UK) sur opal5 nous a permis de confirmer le rôle clé de l’actine de la cellule de garde dans la réponse stomatique à la lumière/obscurité (Isner et al. 2017).

Par ailleurs, les travaux récents entrepris sur les réponses stomatiques et transpiratoires à la lumière et à l’obscurité, à l’ABA, au CO2 et au déficit en vapeur d’eau atmosphérique chez différents mutants stomatiques et chez différentes espèces de plantes, nous conduisent à proposer que l’alimentation en eau des différents tissus du mésophylle soit régulée par l’amplitude du flux transpiratoire en tant que tel. Dans ce contexte, nous avons travaillé sur le développement de nouveaux outils non-invasifs basés sur la spectroscopie THz qui nous permettent d’aborder expérimentalement la dynamique et la distribution de l’hydratation des tissus mésophiles.

Comment optimiser la photosynthèse pour améliorer les rendements agricoles ?

À l’horizon 2030, le projet CAPITALISE débouchera sur un plan d’action durable en matière d’environnement. Il ambitionne ainsi d’améliorer l’efficacité photosynthétique de 10 % dans différents types environnements. Dans le cadre des programmes du CEA, nous proposons ainsi d’identifier les traits originaux liés aux taux de chlorophylle à partir de lignées mutantes de tomates, d’orge et de maïs. Ces facteurs permettront d’augmenter l’efficacité de l’utilisation de la lumière en optimisant le « tuning » de la chlorophylle sur la base de l’exploitation de la variation naturelle. Ces travaux seront réalisés en collaboration avec Roberta Croce professeur a Vrije Universitat d’Amrsterdam aux Pays-Bas.

Projet H2020 CAPITALISE : Combining Approaches For Photosynthetic Improvement To Allow Increased Sustainability In European agriculture

Plus d’info https://www.capitalise.eu/

https://www.horizon2020.gouv.fr/cid73300/comprendre-horizon-2020.html

Responsable d'équipe

Constitution de l'équipe

3 chercheurs, 2 ingénieurs, 2 doctorants, 1 post-doctorant

Mots clés

Genetics; metabolism; Chlamydomonas; Arabidopsis; Barley; Tomato; Maize; abiotic stress; CO2; structure-function; biophysics; photo; chloroplast; mito-respiration; electron transport; stomates; translational approaches; photoprotection; Chlamydomonas; eco-physiology; Synthetic biology; climate change