PhD Defense Linnea Maria STRANDBERG "To Split or Not to Split Water – Different Aspects of Photosystem II Activity" (eq. Krieger-Liszkay/Müller - B3S dpt)

L’énergie lumineuse et à la vie oxygénique sont liées par la photosynthèse, un processus qui produit des molécules riches en énergie ainsi que de l'oxygène. Au coeur de ce processus se trouve le pho-tosystème II (PSII), qui catalyse l’oxydation de l’eau afin d’alimenter le transport photosynthétique des électrons. Pour optimiser ce flux d’électrons, le PSII doit être finement régulé, protégé contre un éclaire-ment excessif et réparé lorsqu’il est endommagé. Ce-pendant, malgré l’importance cruciale de l’optimisa-tion du fonctionnement du PSII pour le maintien des performances photosynthétiques, plusieurs aspects demeurent mal compris. Ces derniers touchent no-tamment aux mécanismes des réseaux de régulation impliquant l’activité du PSII ainsi qu’aux consé-quences globales de son inhibition. Le travail pré-senté dans cette thèse visait à pallier ce manque en étudiant l’impact du fonctionnement du PSII sur les processus photosynthétiques chez les plantes. La thèse s’articule autour de quatre grand axes : l’impact de la carence en manganèse (Mn) sur la régulation photosynthétique, les mécanismes de quenching de la fluorescence dans des systèmes présentant une al-tération du PSII, les rétroactions régulatrices entre la photorespiration et le PSII, ainsi que l’assemblage du PSII dans des lignées surexprimant la protéine PsbP. Pour étudier ces questions, des mesures de fluores-cence de la chlorophylle a et de spectroscopie d’ab-sorbance ont été réalisées en combinaison avec des approches biochimiques. Les expériences ont été menées sur Arabidopsis thaliana, Nicotiana tabacum et Spinacia oleracea. Les résultats obtenus montrent tout d’abord que la carence en Mn peut affecter différemment la régulation photosynthétique, mais qu’elle entraîne systématiquement une diminution de l’activité du PSII. Deuxièmement, les mécanismes de quenching de la fluorescence sont modifiés chez les plantes présentant différents types d’altération du PSII, avec notamment une augmentation des processus de quenching associés aux états pigments triplets et aux pigments cations. Troisièmement, un lien régulateur entre le PSII et la photorespiration a été mis en évidence, l’accumulation de glycolate modifiant la cinétique du PSII. Enfin, l’assemblage du PSII s’est révélé renforcé dans les lignées surexprimant PsbP. Dans l’ensemble, ces résultats nous permettent de tirer deux conclusions majeures. Premièrement, l’intégrité du PSII influence les mécanismes de régulation, tandis que l’activité du PSII constitue elle-même une cible de la régulation photosynthétique. Deuxièmement, lorsque l’intégrité du PSII est altérée, l’inhibition de l’appareil photosynthétique s’accroît. Finalement, cette étude démontre que la régulation et le maintien du fonctionnement du PSII sont essentiels pour prévenir les dommages à l’appareil photosynthétique, non seulement en protégeant les compartiments photosynthétiques, mais également en assurant l’efficacité des mécanismes de régulation photosynthétique. 

Abstract:
Photosynthesis links light and oxygenic life by producing energy-rich molecules and oxygen. At the core of this process is Photosystem II (PSII), which catalyzes the oxidation of water to drive photosynthetic electron transport. To optimize the electron flow, PSII needs to be well regulated, protected against excessive irradiation, and repaired when damaged. However, despite the importance of optimizing PSII function to maintain photosynthetic performance, several aspects remain unclear. These include mechanisms of regulatory networks that target PSII activity and the overall consequences of PSII inhibition on electron transport. This thesis aimed to address these knowledge gaps by investigating the impact of PSII function on photosynthetic processes in plants. It was divided into four subprojects: the impact of manganese (Mn) deficiency on photosynthetic regulation, fluorescence quenching in PSII-impaired systems, regulatory feedback between photorespiration and PSII, and PSII assembly in PsbP-overexpression lines. These topics were explored by combining chlorophyll a fluorescence and absorbance spectroscopy with biochemical approaches. Experiments were carried out in Arabidopsis thaliana, Nicotiana tabacum and and Spinacia oleracea. The first major finding was that Mn deficiency can have different impacts on photosynthetic regulation, but a pervading consequence is that PSII is impaired. Second, fluorescence quenching was altered in plants with various types of PSII impairment, where enhanced pigment triplet and cation quenching were demonstrated. Third, a regulatory link between PSII and photorespiration was established, based on how the accumulation of glycolate altered PSII kinetics. Finally, PSII assembly was shown to be enhanced in PsbP-overexpression lines. Overall, these results provide two major insights. One, the integrity of PSII has an impact on regulatory mechanisms, while PSII activity is simultaneously a target for photosynthetic regulation. Two, when PSII integrity is reduced, inhibition of the photosynthetic machinery increases. In conclusion, the study demonstrates that regulating and maintaining PSII function is important to prevent damage to the photosynthetic machinery, not only directly by protecting photosynthetic compartments, but also by preserving efficient photosynthetic regulation.