Le 09 décembre à 9h dans l'amphi 7 de La Faculté des Sciences et Technologies de Vandoeuvre, Ricardo JOFFE soutiendra ses travaux de thèses dirigés par Yves Jolivet et Anthony Gandin. Ses travaux portent sur : The role of mesophyll conductance in the regulation of photosynthesis under ozone-induced oxidative stress in poplar: ecophysiological, anatomical and biochemical aspects.

Le jury sera composé de: 
Juliette Leymarie - Professeure -  Université Paris Est Créteil, Créteil - Rapporteur
Barbara Baesso Mourra - Associate Professor -  Institute of Research on Terrestrial Ecosystems, Sesto Fiorentino, Italy - Rapporteur
Jérémy Couturier - Maître de conférence - Université de Lorraine, Nancy - Examinateur
Didier Le Thiec - Directeur de recherche - INRAE, Nancy - Examinateur
Samuel Taylor - Associate Professor - University of Lancaster, UK - Examinateur
Tiina Tosens -  Associate Professor - Estonian University of Life Sciences, Tartu, Estonia - Examinatrice

Resumé

L'ozone (O₃) est l'un des polluants atmosphériques les plus nocifs et les plus répandus, qui affecte considérablement la photosynthèse et donc le rendement des cultures et la santé des plantes dans le monde entier. La conductance de diffusion du CO₂ dans le mésophylle des feuilles (g_m) est largement considérée comme un facteur limitant majeur de la photosynthèse dans des conditions de stress ou non. Ce travail vise à étudier les effets du stress oxydatif induit par l'O₃ sur la g_m et à déchiffrer les mécanismes sous-jacents de sa régulation au niveau physiologique, anatomique et biochimique. Plusieurs génotypes de l'arbre modèle Populus × canadensis Moench ont été soumis à une exposition chronique à l'O₃ à 120 ppb pendant 21 jours dans des conditions contrôlées dans des chambres phytotroniques afin d'analyser les échanges gazeux, le pool d'antioxydants et les changements structuraux et ultrastructuraux des feuilles. L'O₃ chronique provoque une diminution substantielle de g_m, qui est un facteur limitant majeur du taux d'assimilation net (A_net), devant la conductance stomatique au CO₂ (g_sc) et de la capacité maximale de carboxylation de l'enzyme Rubisco (V_cmax). Les pools totaux des principaux antioxydants, l'ascorbate et le glutathion, ne sont pas liés au g_m, quant au malondialdehyde (MDA), il pourrait, comme molécule signal, atténuer la diminution du g_m causée par l'O₃. Au niveau ultrastructural, la diminution de g_m serait à mettre en relation avec des caractéristiques subcellulaires, notamment l'épaisseur de la paroi cellulaire et du cytoplasme, l'espacement interchloroplastique ainsi que le rapport entre les chloroplastes exposés et la surface du mésophylle (S_c/S_m). La relation observée entre le g_m et l'anatomie, mais aussi la réponse du g_m à l'O₃, dépendent du génotype chez le peuplier. Enfin lors d’une exposition aigüe à l'O₃ d'un seul génotype à 200 ppb pendant 2x6h avec une période de récupération intermédiaire, les niveaux d'expression de plusieurs anhydrases carboniques (CA) facilitant la diffusion du CO₂ ont été suivis. Dans ces conditions, g_m est très sensible à l'O₃ à court terme mais présente un certain degré de résilience après le stress. La réponse du niveau d'expression de l'α-CA4 au traitement appliqué peut suggérer l'implication des CAs dans la régulation à court terme du g_m. Ce travail souligne l'importance de g_m comme limitation majeure de l'A_net mais aussi la nécessité de sa prise en compte dans une évaluation globale de la photosynthèse. Ces résultats suggèrent également que g_m pourrait être une cible très prometteuse pour l'ingénierie végétale afin d'améliorer le rendement photosynthétique et la résistance au stress des cultures de plein champ et de la biomasse.

Summary

Ozone (O₃) is one of the most harmful and widespread air pollutants considerably affecting photosynthesis and thus crop yields and plant health worldwide. The CO₂ diffusion conductance within leaf mesophyll (g_m) is widely considered to be a major limiting factor of photosynthesis under stress and non-stress conditions. This work aimed to investigate the effects of O₃-induced oxidative stress on g_m and to decipher underlying mechanisms driving its regulation at a physiological, anatomical and biochemical level. A selection of several genotypes of the tree model Populus × canadensis Moench was submitted to chronic O₃ exposure at 120 ppb for 21d under controlled conditions in phytotronic chambers in order to analyse gas exchange, antioxidants pool and leaf structural and ultrastructural traits. Chronic O₃ caused a substantial decrease of g_m, which was thus a major limiting factor of the net assimilation rate (A_net), ahead of stomatal conductance to CO₂ (g_sc) and of the maximum carboxylation capacity of the Rubisco enzyme (V_cmax). Total pools of the main antioxidations ascorbate and glutathione were not related to g_m but the signalling molecule malondialdehyde (MDA) might have mitigated O₃-caused decrease of g_m. On a structural level, this observed decrease was mainly driven by O₃ -induced modifications of subcellular traits, notably cell wall and cytoplasm thickening, inter-chloroplast spacing as well as the ratio of exposed chloroplasts to mesophyll surface area (S_c/S_m). However, the observed relationship between g_m and anatomy but also the g_m response to O₃ were genotype-dependent. The dynamic response of g_m to O₃ was also investigated testing a single genotype during alternating periods of short-term acute O₃ exposure at 200 ppb and recovery. The assumed contribution of biochemical determinants of g_m was analysed by quantifying the expression levels of several potential CO₂-diffusion facilitating carbonic anhydrases (CA). Under acute O₃ stress, g_m was highly responsive but exhibited also some degree of post-stress resilience. The response of the expression level of α-CA1 to the applied treatment may suggest the involvement of this CA isoform in the short-term regulation of g_m. This work underlines the importance of g_m as a major limitation of A_net but also the necessity of its consideration in a comprehensive assessment of photosynthesis response to environmental constrains. These results further suggest that g_m might be a very promising target for plant engineering in order to enhance photosynthetic yield and stress resistance of field and biomass crops.