Thèmes de recherche

ANR PhotoRegul RevelOrg 2021-2025

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.

ANR PhotoRegul 2018-2022

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.

Article: La photosynthèse, une réaction largement méconnue
Vitale pour l’équilibre de notre écosystème, la photosynthèse n’a pas livré tous ses secrets… Mieux la comprendre aiderait à nous adapter au changement climatique, et même à diminuer son impact.

https://lejournal.cnrs.fr/nos-blogs/focus-sciences/la-photosynthese-une-reaction-largement-meconnue

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

ANR HemeMotion 2022-2026

L’avancement des connaissances en bioénergétique est la clé pour identifier les opportunités d’amélioration des performances des enzymes catalytiques impliquées dans la photosynthèse. Nous proposons ici d’élucider le rôle d’un cofacteur présent dans le complexe chloroplastique cytochrome b6f qui manque dans le complexe mitochondrial cytochrome bc1. Étant donné que l’oxygène est produit par la photosynthèse dans le chloroplaste et consommé par la respiration dans la mitochondrie, la tension en oxygène est beaucoup plus élevée dans le premier organite que dans le second. Nous pensons que l’hème ci est nécessaire dans le chloroplaste pour éviter la formation d’espèces réactives de l’oxygène. Sur la base de nos travaux préliminaires non publiés (nouveaux mutants dirigés, nouveaux spectrophotomètres résolus en temps, nouvelles chambres de mesure), nous pensons pouvoir montrer le mécanisme moléculaire de réduction et de protonation concertées de la quinone évitant l’état nocif de semi-quinone. Cela relativiserait les ambitions que nous avons faites pour rendre la photosynthèse plus robuste et plus efficace.

ANR CyanoFlow 2024-2028

Les cyanobactéries ont été les premiers organismes à évoluer la photosynthèse oxygénique et ils sont les ancêtres de tous les chloroplastes. Les cyanobactéries sont des organismes attractifs pour les stratégies de biotechnologie verte visées à rediriger la photosynthèse vers produits à haut valeur ajouté. Ils sont aussi des systèmes bioénergétiques très intéressants, en étant les seuls organismes ou la respiration aérobique et la photosynthèse oxygénique ont lieu dans le même compartiment cellulaire. Comment ces deux voies biologiques majeures coexistent et interagissent reste largement inexploré. Nous étudions les connections, synergies et régulation de photosynthèse et respiration dans des cyanobactéries model utilisant une combinaison de génétique moléculaire, biochimie, imagerie in vivo et méthodes biophysiques non-invasifs. Nous voulons investiguer comment les flux d’électrons sont régulés au niveau moléculaire. 

En corrélant la quantification des flux d’électrons avec l’architecture moléculaire de la chaine de transport, nous visons à mieux comprendre les mécanismes de co-régulation entre photosynthèse et respiration et comment ils affectent l’efficacité de conversion de l’énergie lumineuse dans les cyanobactéries.

Ce travail bénéficie d’une aide de l’Etat gérée par l’ANR au titre de France 2030 portant la référence ANR-23-PEFX-003

Dans un contexte mondial marqué par l’urgence climatique et la nécessité d’atteindre la neutralité carbone, les écosystèmes terrestres font face à des défis majeurs, notamment les impacts négatifs du changement climatique sur la séquestration du dioxyde de carbone (CO2) par la photosynthèse. Dans ce cadre, émergent des enjeux cruciaux liés à la recherche de solutions agricoles visant à atténuer ces impacts et à favoriser l’adaptation des cultures, tout en maintenant une forte productivité. GREENSCALE propose une approche novatrice axée sur la réduction du besoin en azote des cultures, tout en maintenant le carbone, comme stratégie d’atténuation. Le coeur de l’hypothèse du projet repose sur la régulation du contenu en chlorophylle [Chl] chez les plantes, un processus naturel influant sur l’acclimatation de la photosynthèse aux conditions environnementales. L’objectif est de tester l’idée qu’un ajustement spécifique de la chlorophylle b et de ses complexes protéiques associés peut réduire l’assimilation d’azote du sol, diminuer la température du couvert végétal et l’évapotranspiration, sans compromettre l’assimilation du CO2 en conditions de lumière non limitante.

Cette initiative repose sur un partenariat innovant entre des chercheurs de l’INRAE, du CNRS, du CEA et d’ARVALIS, avec pour ambition d’approfondir la compréhension des interactions entre la nutrition azotée et la photosynthèse, sur le cycle carbone-azote dans le sol, de développer des modèles à l’échelle du champ et de l’environnement. En utilisant des variétés d’orge non-OGM à différents contenus en chlorophylle, GREENSCALE explore les réponses biologiques de ces cultures à la sécheresse et à l’azote. Sur la base de résultats obtenus sur la variabilité induite en chlorophylle, le projet vise à améliorer la précision des modèles de surfaces continentales, en particulier sur la variabilité naturelle observée pour les terres agricoles et les prairies.

Les résultats attendus orienteront les futurs programmes d’amélioration des plantes, ouvrant ainsi la voie à des pratiques agricoles plus durables et résilientes face aux défis environnementaux et aux exigences de production céréalières. Au-delà de son impact sur l’agriculture, GREENSCALE s’inscrit dans une perspective plus large de structuration de la recherche intégrée en photosynthèse en France. En agissant comme un pont entre les recherches moléculaires et cellulaires sur la photosynthèse d’une part, et les approches environnementales et agronomiques d’autre part, le projet vise à favoriser la collaboration entre différentes spécialités scientifiques et à intégrer des approches complémentaires, dépassant ainsi les limites des disciplines individuelles. Ainsi, GREENSCALE se positionne comme une initiative novatrice, alliant recherche de pointe, collaboration inter-institutionnelle et engagement en faveur de solutions agricoles durables et résilientes face aux défis environnementaux mondiaux.

Lien vers FairCarboN: https://www.pepr-faircarbon.fr/projets/projets-laureats-de-l-appel-a-projets-faircarbon/greenscale

Lien vers le fil d’actualité LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/green-scale-983699313/