Étude de l'effet du rayonnement ultraviolet-B (UVB; 280-320 nm) sur la protéine D1 impliquée dans le cycle de réparation du photosystème II de communautés phytoplanctoniques naturelles

Dans le contexte actuel de la diminution de la couche d'ozone (O³), une meilleure compréhension de l'effet du rayonnement ultraviolet-B (UVB; 280-320 nm) sur les producteurs primaires marins est primordiale. À la base de la chaîne alimentaire, ces organismes photo synthétiques jouent en effet un rôle essentiel quant à l'équilibre des maillons supérieurs de la chaîne trophique et contribuent de surcroît à la fixation du CO₂, principal gaz responsable du réchauffement climatique. Étant donné leur position stratégique près de la surface dans la colonne d’eau leur permettant de capter l'énergie lumineuse nécessaire à la photosynthèse, ces organismes peuvent parfois être soumis aux radiations dommageables du rayonnement UVB. Le rayonnement UVB peut causer des dommages tant au niveau cellulaire qu'au niveau métabolique chez les organismes phytoplanctoniques. Le centre réactionnel (CR) du photosystème II (PSII) est particulièrement vulnérable au rayonnement UVB qui peut l'inactiver, inhiber le transport d'électrons et mener à la dégradation d'une protéine constitutive essentielle, la protéine D1. La synthèse de nova de cette protéine et sa réintégration au CR du PSII assure le maintien de la capacité photochimique et constitue le cycle de réparation du PSII. L'effet du rayonnement UVB sur ce cycle de réparation du PSII a été particulièrement étudié chez des espèces spécifiques de cyanobactéries, de phytoplancton, de macroalgues et même chez les plantes. Le récent développement d’anticorps globaux permettant la détection de la protéine D1 chez plusieurs espèces à la fois nous a permis d'étudier l'effet du rayonnement UVB sur la protéine D1 de communautés phytoplanctoniques naturelles. Pour d'atteindre cet objectif, des expériences de terrain ont été effectuées avec des assemblages phytoplanctoniques provenant des eaux côtières d'un milieu tropical (Ubatuba, Brésil), de deux milieux tempérés (Rimouski, Canada et Ushuaia, Sud de l'Argentine) et d'un milieu polaire (Île Observatorio, Antarctique). Les résultats issus de ces travaux de recherche ont permis de mettre en évidence la variabilité latitudinale existant au sein des réponses phytoplanctoniques lors de l'exposition au rayonnement UVB. L'étude à long terme (7 à 10 jours) de chacune de ces communautés phytoplanctoniques a également permis de mettre en lumière la variabilité temporelle existant dans la réponse photosynthétique d'un assemblage phytoplanctonique donné. Le second chapitre de cette thèse présente les résultats issus d'une première étude visant à étudier l'effet de l'augmentation du rayonnement UVB sur le cycle de réparation du PSII impliquant la protéine D1 de communautés phytoplanctoniques naturelles provenant de deux sites tempérés et d'un site tropical. À chacun des sites visités, des expériences en mésocosmes ont été effectuées pour une période de sept à dix jours. Lors de ces expériences, deux traitements de lumière ont été testés. Certains mésocosmes étaient soumis à la lumière naturelle ambiante alors que d’autres étaient soumis à la lumière naturelle ambiante additionnée d'une forte dose de rayonnement UVB correspondant à une déplétion d'O₃ locale de 60%. Afin d'examiner l'effet du rayonnement UVB sur la protéine D1, des incubations de courte durée (≤ 3 h) ont été effectuées à la surface de certains de ces mésocosmes. Ces incubations ont été effectuées en absence ou en présence de lincomycine, un inhibiteur de synthèse des protéines encodées dans le chloroplaste telle que la protéine D1. Les effets du rayonnement UVB sur le PSII ont été déterminés en utilisant la fluorescence in vivo de la chlorophylle a (en observant plus particulièrement la réponse du rendement quantique maximal de la photosynthèse (Fv/Fm) dont la diminution est un indice de photo inhibition) alors que la protéine D1 a été détectée par immunochimie. Les résultats de ces incubations ont démontré que lorsque la synthèse de la protéine D1 était bloquée par la lincomycine (absence de réparation du PSU), les pools de protéine D1 ainsi que les valeurs de Fv/Fm ont chuté de façon similaire sous les deux traitements de lumière étudiés. Par contre, en présence de synthèse active de protéine D1 (présence de réparation du PSII), les pools de protéine D1 ont chuté plus rapidement sous le traitement de lumière additionné d'une forte dose de rayonnement UVB comparativement au traitement de lumière ambiante alors que le Fv/Fm s'est maintenu sous les deux traitements de lumière étudiés. Ces résultats montrent donc que le rayonnement UVB n'augmente pas directement le dommage à la protéine D1 mais entrave plutôt sa biosynthèse ce qui affecte la réparation du PSII. Le maintien du FvlFm sous le traitement de lumière additionné d’une forte dose de rayonnement UVB malgré les pools réduits de D1 suggère une acclimatation des CRs restants ou une récupération lors de la période d'exposition à l'obscurité imposée avant la mesure du Fv/Fm. Au niveau latitudinal, la dégradation nette de la protéine D1 était plus rapide au site tropical qu'aux sites tempérés. Cette différence s'explique, entre autres, par les fortes irradiances prévalant à ce site et permettant une dégradation rapide de la protéine D1 et ce, malgré la température élevée de l'eau qui favorise les activités enzymatiques accélérées et donc un processus de réparation accru. Le troisième chapitre de cette thèse présente les résultats issus d'une seconde étude visant à étudier l’effet du rayonnement UVB local sur le cycle de réparation du PSII mais impliquant cette fois-ci la protéine D1 de communautés phytoplanctoniques naturelles provenant de l’Antarctique. Bien que semblable à la première étude, celle-ci n'a pas été effectuée sur des communautés phytoplanctoniques isolées dans des mésocosmes mais bien sur des communautés phytoplanctoniques échantillonnées à la surface de la colonne d'eau. L'ajout de rayonnement UVB à l'aide de lampes étant techniquement impossible à ce site polaire, les communautés phytoplanctoniques ont plutôt été exposées à la lumière naturelle ambiante et à la lumière naturelle ambiante sans la majorité des longueurs d’ondes comprises dans la gamme du rayonnement UVB . Des incubations de surface de courte durée (60 à 100 min) ont été effectuées lors de journées ensoleillées et d'une journée nuageuse. Comme lors de l'étude précédente, certains échantillons ont été incubés en présence de lincomycine afin de bloquer la synthèse de la protéine D1 alors que d'autres échantillons ont été incubés en absence de lincomycine afin de servir d’échantillons contrôles. Les volumes utilisés lors de ces incubations étant généralement trop petits pour permettre la collecte des quantités importantes d'eau nécessaires à la détection de la protéine D1, celle-ci n'a pu être détectée qu'en une seule occasion à ce site. Les résultats des incubations effectuées à ce site polaire ont montré que lorsque la synthèse de la protéine D1 était bloquée avec la lincomycine des diminutions importantes du FvlFm se sont produites lors des journées ensoleillées mais non lors de la journée nuageuse. À l'instar de la première étude, ces résultats montrent qu’en absence de synthèse de la protéine Dl , la majorité de la photoinhibition se produit suite à l'exposition du phytoplancton à la lumière visible (PAR) et/ou au rayonnement ultraviolet-A (UV A) sans effet significatif du rayonnement UVB. En présence de synthèse active de la protéine D1, cependant, la suppression du rayonnement UVB n'a eu que peu d'effet sur le FvfFm lorsque le phytoplancton provenait d'une colonne d'eau peu stratifiée, sans couche de mélange bien définie, mais a diminué la photo inhibition lorsque le phytoplancton provenait d'une couche de mélange plus profonde (13 m) que la profondeur de pénétration du 1 % du UVB (à 305 nm; 10 m). Les résultats de cette seconde étude confirment donc que le UVB a plus d'effet sur le processus de réparation du PSII, et donc sur la synthèse de la protéine D1 , que sur la dégradation comme telle de cette protéine, à la différence que pour ce site polaire, la sensibilité du phytoplancton à l'exposition au rayonnement UVB de surface était influencée par son passé lumineux lequel est, en partie du moins, influencé par la structure verticale de la colonne d'eau. Le quatrième chapitre de cette thèse présente les résultats issus d’une troisième étude visant à étudier l’influence du statut nutritionnel sur la sensibilité du phytoplancton, et particulièrement de la D1, au rayonnement UVB. Cette étude a été effectuée chez les mêmes communautés phytoplanctoniques des sites tempéré (Rimouski, Canada) et tropical (Ubatuba, Brésil) décrites pour la première étude. Des incubations de surface d'une journée ont été effectuées à chacun des sites plusieurs fois pendant la durée des expériences en mésocosmes. Certains sacs d'incubation ont été incubés en présence de NO₃⁻, de PO₄³⁻ et de Si(OH)₄ alors que d’autres, servant de contrôles, ont plutôt été incubés suite à l'ajout de pol - et de Si(OH)4 seulement. En plus de la détermination de plusieurs paramètres photo synthétiques (Fv/Fm , PSIl , qP et NPQ), la protéine D1 de même que la grande sous-unité de l'enzyme ribulose-1 ,5-bisphosphatase carboxylase-oxygénase (RuBisCO LSU) ont été détectées par immunochimie. Les résultats de ces incubations ont montré qu'à mesure que les concentrations de NO₃⁻ devenaient limitantes à l'intérieur des mésocosmes, le phytoplancton tempéré devenait de plus en plus sensible au rayonnement UVB. Cette sensibilité s'est, entre autres, manifestée par des diminutions du Fv/Fm, des pools de D1 et de RuBisCO LSU. Lors de cette période de limitation en sels nutritifs, l'ajout de NO₃⁻, en plus des autres nutriments lors des incubations, n'a pas eu d'effet bénéfique sur les pools de protéine D1 mais a contribué, bien que non significativement, à maintenir des pools plus importants de RuBisCO LSU, à diminuer significativement la pression sur le PSU et à diminuer la photoinhibition. Contrairement au ph

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