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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

Bouchard, Josée Nina (2005). 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. Thèse. Rimouski, Québec, Université du Québec à Rimouski, Institut des sciences de la mer de Rimouski, 206 p.

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Résumé

Dans le contexte actuel de la diminution de la couche d'ozone (03), 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 (PSU) 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 Dl. La synthèse de nova de cette protéine et sa réintégration au CR du PSU 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 Dl chez plusieurs espèces à la fois nous a permis d' étudier l' effet du rayonnement UVB sur la protéine Dl 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 Dl 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 lumi ère naturelle ambiante additionnée d' une forte dose de rayOlmement UVB correspondant à une déplétion d' 0 3 locale de 60%. Afin d' examiner l' effet du rayonnement UVB sur la protéine Dl , 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 Dl . Les effets du rayonnement UVB sur le PSU 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 DIa été détectée par immunochimie. Les résultats de ces incubations ont démontré que lorsque la synthèse de la protéine Dl était bloquée par la lincomycine (absence de réparation du PSU), les pools de protéine Dl 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 Dl (présence de réparation du PSU), les pools de protéine Dl 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 Dl mais entrave plutôt sa biosynthèse ce qui affecte la réparation du PSU. Le maintien du FvlFm sous le traitement de lumière additionné d' une forte dose de rayonnement UVB malgré les pools réduits de Dl 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 Dl 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 Dl 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 PSU mais impliquant cette fois-ci la protéine Dl 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 Dl 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 Dl , 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 Dl 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 Dl , 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 Dl , 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 Dl, 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 N03-, de P043- 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 (FvfFm , <l>PSIl , qP et NPQ), la protéine Dl de même que la grande sousunité de l' enzyme ribulose-I ,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 N03- 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 Fj Fm, des pools de Dl et de RuBisCO LSU. Lors de cette période de limitation en sels nutritifs, l'ajout de N03-, en plus des autres nutriments lors des incubations, n' a pas eu d' effet bénéfique sur les pools de protéine Dl mais a contribué, bien que non significativement, à maintenir des pool s plus importants de RuBisCO LSU, à diminuer significativement la pression sur le PSU et à diminuer la photoinhibition. Contrairement au phytoplancton tempéré, l' ajout de rayOlmement UVB n' a pas affecté le phytoplancton tropical. À ce site, le phytoplancton était plutôt affecté par la forte lumière ambiante sans effet supplémentaire de l'ajout de rayonnement UVB. Lors des incubations de surface, des diminutions des pools de Dl ont été observées sous les deux traitements de lumière. De plus, la détection d' une bande de poids moléculaire supérieur (~70 kDa) à celui (~ 54 kDa) normalement détecté pour le RuBi sCO LSU et ce, même sous le traitement de lumière ambiante suggère un dommage causé à l'enzyme par le rayonnement UVB naturel (accompagné de la lumière visible) sans effet supplémentaire de l'ajout de rayonnement UVB. Bien que les concentrations de nutriments aient été faibles en tout temps à ce site typiquement oligotrophe, l'ajout de N03- à ce site a seulement eu un effet positif lors d'une première incubation mais non lors de l' incubation suivante possiblement parce que les petites cellules qui dominaient l' assemblage vers la fin de l'expérience dépendaient principalement de sources d'azote reminéralisées pour leur croissance ou parce qu' elles n'étaient simplement plus capables d' assimiler efficacement le N03- dû à leur condition physiologique déclinante. Dans l'ensemble, les résultats issus de ces travaux de recherche ont permis de mettre en évidence la variabilité inter-Iatitudinale existant au sein des réponses phytoplanctoniques à l' exposition au rayonnement UVB. Cette variabilité est, en partie, expliquée par les différences marquantes existant à chacun des sites étudiés quant aux conditions lumineuses, à la température de l'eau, au caractère nutritionnel de l'eau, aux conditions de mélange et à la composition spécifique de l' assemblage phytoplanctonique. L' étude à long terme de chacune de ces communautés phytoplanctoniques par la répétition d' incubations de surface de courte durée a également permis de mettre en lumière la variabilité temporelle de la réponse photosynthétique d' un assemblage phytoplanctonique donné. Plusieurs facteurs peuvent donc affecter la sensibilité d' un assemblage phytoplanctonique au rayonnement UVB dont, entre autres, le statut nutritionnel des espèces qui le composent, les changements de communautés et l'acclimatation des organismes à la lumière.

Type de document: Thèse ou Mémoire (Thèse)
Directeur de mémoire/thèse: Roy, Suzanne
Co-directeur(s) de mémoire/thèse: Campbell, Douglas et Ferreyra, Gustavo
Informations complémentaires: Thèse présentée à l'Université du Québec à Rimouski comme exigence partielle du programme de doctorat en océanographie. Paraît aussi en éd. imprimée.
Mots-clés: Rayonnement Radiation Ultraviolet B Ultraviolet-b Uvb Phytoplancton Proteine D1 Photosynthese Cycle Reparation Complexe Photosysteme Ii Psii Effet Impact
Départements et unités départementales: Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER) > Océanographie
Déposé par: DIUQAR UQAR
Date de dépôt: 07 févr. 2011 21:05
Dernière modification: 07 févr. 2011 21:06
URI: http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/105

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