Dans le cadre d’une collaboration internationale , des chercheurs du Laboratoire de physiologie cellulaire et végétale (CNRS / CEA / Université Grenoble Alpes / Inra), de l’Institut de biologie structurale (CNRS / CEA / Université Grenoble Alpes), du Laboratoire d’études des matériaux par microscopie avancée (CEA / Université Grenoble Alpes), et du Laboratoire de physiologie membranaire et moléculaire du chloroplaste (CNRS / UPMC) proposent un modèle structural du processus photosynthétique chez le phytoplancton, en étudiant la diatomée Phaeodactylum tricornutum. Ces résultats ont été publiés le 20 Juin 2017 dans Nature communications.

Les mécanismes de la photosynthèse

La photosynthèse est un mécanisme remarquable de production d’énergie chimique à partir d’énergie lumineuse. Ce processus est possible grâce à deux petites usines photochimiques, appelées photosystèmes I et II. Pour que la photosynthèse puisse avoir lieu, ces deux photosystèmes ne doivent pas être en contact afin d’éviter les courts-circuits. Chez les plantes, ils sont séparés par des structures (image A) qui ne semblent pas exister chez le phytoplancton (image B). D’où, les interrogations des scientifiques : comment le phytoplancton peut-il donc être responsable de la moitié de la photosynthèse sur Terre ?


En haut. À gauche, feuilles de plante. À droite, cellules de la diatomée Phaeodactylum tricornutum en culture.
A – Microscopie électronique d’un chloroplaste de plante montrant l’organisation interne sous forme de « granas » (jaune, riches en photosystème II), et « lamellae » (vert, riches en photosystème I). Ceci n’est pas le cas chez la diatomée (image B).
B – Micrographie d’une cellule de P. tricornutum montrant les membranes photosynthétiques sans granas. Leur reconstitution 3D (image C) met en évidence l’existence de micro-domaines membranaires permettant la séparation physique des photosystèmes I (à l’extérieur, vert) et photosystèmes II (à l’intérieur, jaune). La flèche blanche indique les connexions qui lient les micro-domaines, assurant une efficacité photosynthétique maximale. © Pascal Martinez, CEA_BIG.

Des réponses grâce à l’imagerie cellulaire à haute résolution

En adaptant différentes approches d’imagerie cellulaire à haute résolution appliquées à la diatomée Phaeodactylum tricornutum, les chercheurs ont été en mesure de développer un modèle 3D du système photosynthétique des diatomées (image C). Ils ont ainsi observé l’existence de micro-domaines qui séparent, comme chez les plantes, les deux photosystèmes, permettant une photosynthèse encore plus efficace. L’ensemble de ces résultats explique comment les diatomées produisent chaque jour environ 20 % de l’oxygène libéré sur Terre et pourquoi elles dominent les océans depuis environ 100 millions d’années.

Les chercheurs continuent de développer ce modèle 3D de la photosynthèse chez les diatomées, qui leur permettra notamment de comprendre comment ces organismes unicellulaires s’adapteront aux conséquences des changements climatiques.