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    A bi-phasic model of chloroplast biogenesis during de-etiolation in "Arabidopsis thaliana"
    (Neuchâtel, 2020)
    La structure et la fonction du chloroplaste sont uniques en nature. Le chloroplaste est l’organelle dans lequel s’effectuent la photosynthèse et la fixation du carbone qui soutient la vie. Les réactions photosynthétiques dépendantes de la lumière se produisent au niveau du système interne membranaire du chloroplaste appelé thylakoïdes. Une classe spécifique de lipides (galactolipides) constitue la majorité de la membrane thylacoïdienne où des protéines et les pigments (chlorophylle et caroténoïdes) sont assemblés en photosystèmes.
    Les plantules cultivées à l’obscurité développent un phénotype jaune typique de la carence en chlorophylle et contiennent le précurseur du chloroplaste appelé etioplaste. L’exposition à la lumière déclenche la transition d’étioplaste en chloroplaste (biogénèse du chloroplaste) et donc l’apparition de la photosynthèse. La biogénèse du chloroplaste coïncide avec la formation de la membrane thylacoïdienne. La formation de thylakoïdes est un processus complexe qui consiste en l’accumulation progressive et concertée de lipides et de protéines qui s’organisent dans une structure bien définie en moins de 100 heures. Les mécanismes de la formation de thylakoïdes restent largement inconnus et représentent une question clé dans la façon dont une plante se développe en organisme photosynthétique. Dans ma thèse, j’ai étudié la formation de thylakoïdes sur une période de temps de la biogénèse du chloroplaste dans le système modèle Arabidopsis thaliana. La reconstruction tridimensionnelle (3D) des chloroplastes à des moments précis a été réalisée à l’aide de la technologie de microscopie électronique « serial block face –scanning electron microscopy (SBF-SEM) ». Des données quantitatives sur le nombre de chloroplastes, leur volume ainsi que la surface de l’enveloppe et de la membrane thylakoïdienne ont été collectées en parallèle avec des données biochimiques concernant les composants protéiques et lipidiques de la membrane thylacoïdienne. Plus précisément, une analyse protéomique à des moments précis pendant la de-etiolation a permis d’identifier plus de 5000 protéines, dont 1112 étaient des protéines plastidiales. Ces données, combinées avec l’analyse quantitative par immunodétection, ont fourni des informations sur la régulation temporelle des protéines associées à la photosynthèse, tandis que l’analyse lipidomique des 12 principaux galactolipides a révélé une régulation différentielle des galactolipides selon leur voie de biosynthèse (voies dites procaryotique et eucaryotique). La combinaison de données (ultra)structurales et biochimiques a révélé deux phases distinctes de la biogénèse du chloroplaste c’est-à-dire la « phase d’établissement de la structure », pendant laquelle la photosynthèse devient opérationnelle, suivie par la « phase de prolifération des chloroplastes » qui se produit en même temps que l’expansion cellulaire. Enfin, j’ai développé un modèle mathématique décrivant l’expansion de la surface thylacoïdienne pendant la dé-étiolation.
    Abstract The structure and the function of the chloroplast is unique in nature. It is the organelle in which photosynthesis and life-sustaining carbon fixation takes place. The photosynthetic light reactions occur at the internal membrane system of the chloroplast called thylakoids. A specific class of lipids (galactolipids) constitutes the majority of thylakoid membrane where photosynthetic proteins and pigments (chlorophyll and carotenoids) are assembled into photosystems. Seedlings grown in the dark develop a yellow phenotype typical of the chlorophyll deficiency, and contain the precursor of the chloroplast called etioplast. Light exposure triggers etioplast to chloroplast transition (chloroplast biogenesis) and hence the onset of photosynthesis. The chloroplast biogenesis coincides with the formation of the thylakoid membrane. Thylakoid formation is a complex process which consists of the gradual and concerted accumulation of lipids and proteins that organize into a well-defined structure within a matter of less than 100 hours. The mechanisms of thylakoid formation remain largely unknown and represent a key question in how a plant develops into a photosynthetic organism.
    In my thesis, I studied thylakoid formation over a time course of chloroplast biogenesis in the Arabidopsis thaliana model system. Three-dimensional (3D) reconstruction of chloroplasts at specific time points was carried using serial block face-scanning electron microscopy technology (SBF-SEM). Quantitative data of chloroplast number, volume as well as envelope and thylakoid membrane surface were collected in parallel with biochemical data regarding protein and lipid components of the thylakoid membrane. Specifically, a proteomics analyses at specific time points of de-etiolation identified more than 5000 proteins of which 1112 were plastid proteins. These data combined with quantitative immunoblots, provided information on the temporal regulation of photosynthesis-associated proteins while the lipidomics analysis of the 12 major galactolipids revealed a differential regulation of the pro- and eukaryotic galactolipid biosynthetic pathways. The combination of (ultra)structural and biochemical data revealed two distinct phases of chloroplast biogenesis i.e. “Structure Establishment Phase” during which photosynthetic activity was first established followed by the “Chloroplast Proliferation Phase” which occurred in concomitance with cell expansion. Finally, I developed a mathematical model describing the gradual expansion of the thylakoid surface during chloroplast biogenesis.