Thèse Influence de l'Exposome Hivernal sur la Photosynthèse des Plantes en Conditions Alpines H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : CSV- Chimie et Sciences du Vivant
Laboratoire de recherche : LPCV - Laboratoire de Physiologie Cellulaire Végétale
Direction de la thèse : Florence COURTOIS ORCID 0000000303579401
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-09T23:59:59

Les plantes, organismes fixes, subissent directement les fluctuations environnementales, contrairement aux espèces mobiles. Leur survie dépend de l'efficacité de leur photosynthèse, particulièrement sensible aux variations de lumière, de température et à la disponibilité en eau. Un excès d'énergie lumineuse, non compensé par les capacités biochimiques de la plante, génère un stress oxydatif pouvant entraîner la destruction irréversible de l'appareil photosynthétique. Pour y faire face, les plantes activent des mécanismes de photoprotection et régulent l'activité photosynthétique.
En haute altitude, les conditions climatiques sont marquées par des variations brutales de température, par une intensité lumineuse accrue et une exposition aux UV plus élevée. En hiver, la couverture neigeuse protège les plantes des variations brusques des conditions météorologiques. Le changement climatique aggrave ces contraintes, avec une couverture neigeuse hivernale plus intermittente. Ces facteurs définissent un exposome unique, combinant froid, lumière intense, UV et disponibilité en eau.
Les plantes alpines doivent optimiser leur photosynthèse sur une courte période végétative. Certaines d'entre elles activent des mécanismes régulateurs qui permettent de maintenir l'efficacité photosynthétique malgré ces conditions extrêmes. En parallèle, la fonte des glaciers libère des espaces nouveaux potentiellement colonisables par des plantes se développant naturellement à de plus basses altitudes, mais qui devront s'adapter pour survivre en milieu alpin.
Grace à un dispositif unique, le cryotron, une étude exploratoire a comparé l'impact de la couverture neigeuse hivernale sur la photosynthèse de quatre espèces. Les observations suggèrent différentiel de l'exposome hivernal sur la photosynthèse.
Le projet doctoral vise à confirmer et étendre des observations en étudiant l'influence de l'exposome hivernal sur la photosynthèse des plantes alpines, l'acclimatation des plantes subalpines. Il se propose de décrypter le fonctionnement fin de la photosynthèse en ces conditions extrêmes. Ces recherches pourraient éclairer les stratégies d'adaptation des plantes face aux changements climatiques.

Tous les êtres vivants sont exposés aux fluctuations naturelles des conditions environnementales dans lesquelles ils se développent. Ces fluctuations peuvent éventuellement conduire à un stress induisant des effets phénotypiques irréversibles. L'évolution a favorisé les organismes disposant de stratégies d'évitement (mobilité), d'acclimatation (réponse à court terme) ou d'adaptation (réponse à long terme). Néanmoins, les plantes, organismes fixés, sont particulièrement exposés aux effets des fluctuations des conditions environnementales qui régulent leur développement, leur cycle de vie et leurs activités biochimiques.
La photosynthèse permet d'assurer la fixation primaire de carbone organique dans les organismes vivants. Ce processus biochimique chloroplastique collecte la lumière par des antennes contenant des pigments et des protéines, convertit l'énergie lumineuse en énergie chimique dans les photosystèmes (PSI et PSII) et produit de l'énergie biodisponible sous forme de NADPH et d'ATP dans la chaîne de transfert d'électrons des thylakoides. La fixation du CO2 par le cycle de Calvin permet ensuite la production de sucres. La photosynthèse est particulièrement dépendante des conditions environnementales : qualité et quantité de la lumière, température, disponibilité en eau. En particulier, alors que l'absorption de la lumière par les antennes collectrices est une fonction linéaire de l'intensité de l'éclairement, la photosynthèse est limitée par la vitesse de transfert des électrons dans la chaîne photosynthétique. L'absorption d'énergie en excès, sans adéquation avec les capacités biochimiques de la plante, constitue un stress qui génère des réponses adaptatives de la photosynthèse et induit des mécanismes de photoprotection : activation du cycle des xanthophylles, régulation du fonctionnement de la chaîne de transfert d'électrons, induction de quenching non-photochimique (NPQ) afin d'éviter la photoinhibition, c'est-à-dire la destruction irréversible de l'appareil photosynthétique.
L'exposome montagnard.
Le climat en haute altitude est naturellement caractérisé par d'importantes fluctuations des conditions environnementales, sur des échelles temporelles courtes (de l'ordre de la minute, de l'heure ou de la journée) ou saisonnières. Ainsi, en été, lorsque les nuages s'écartent, la température au sol varie de plusieurs dizaines de degrés en quelques minutes, alors que l'intensité de la lumière peut être doublée à 2100 m d'altitude par rapport à la plaine. En altitude, le spectre lumineux est également enrichi en UV par rapport au niveau de la mer (10% de plus tous les 1000 m), ce qui peut affecter les réponses physiologiques des organismes. En outre, dans le contexte du changement du climat global, les milieux montagnards sont exposés à des variations saisonnières inédites ou d'une amplitude accrue. Ainsi, la couverture neigeuse hivernale devient intermittente et de moindre épaisseur. Ces conditions environnementales montagnardes caractérisent un exposome annuel singulier, combinant les variations de plusieurs facteurs : température, intensité de l'éclairement, enrichissement en UV, disponibilité en eau. Par ailleurs, le retrait glaciaire relié aux variations climatiques libère de manière permanente de nouveaux espaces, potentiellement colonisables par des espèces qui devront néanmoins s'adapter à ces conditions d'altitude.
La photosynthèse en milieu alpin
Les plantes vivant en milieu alpin doivent réaliser leur cycle de vie durant une période très courte ; leur productivité photosynthétique doit donc être particulièrement optimisée. La durée de la période sans neige est le principal facteur des variations interannuelles de la productivité primaire des prairies de montagne. Les analyses globales des communautés végétales ont mis en évidence un succès écologique variant selon les espèces, avec par exemple , en cas de réchauffement, un verdissement plus tardif des pelouses, mais une résistance accrue à une exposition ultérieure au froid pour d'autres espèces. A l'échelle de la plante, l'exposition combinée au froid et à un éclairement intense induit un stress oxydatif conduisant à la photoinhibition, mais des réponses adaptatives sont néanmoins observées chez les plantes acclimatées. Ainsi, chez les plantes alpines exposées durant l'été (par exemple Soldanella alpina, Ranunculus glacialis), la réponse à ce stress combiné implique l'activation du cycle des xanthophylles, l'activation de la protéine antennaire PbsS, mais aussi la réduction du stress oxydatif par l'activation de la protéine PTOX. Le flux d'électrons est ainsi maintenu au travers de la chaîne photosynthétique. Au contraire, les pins sempervirents des latitudes boréales (Pinus sylvestris) sont exposés un éclairement fort et un froid extrême en fin d'hiver, alors encore en repos végétatif. Un mécanisme de photoprotection « constitutif » a été mis en évidence, impliquant la dissipation de l'excès d'énergie lumineuse absorbée au moyen d'un transfert entre photosystèmes et un remodelage des membranes des thylakoïdes. Cette réponse permet d'éviter la photoinhibition et assure le maintien des capacités photosynthétiques au retour de conditions favorables.
Données préliminaires.En 2024 et 2025, un dispositif expérimental a été établi et testé, en collaboration avec le Jardin du Lautaret, afin de comparer l'activité photosynthétique de plantes adaptées à des conditions météorologiques d'altitude.
Des plants d'Artemisia (deux espèces alpines , A. genepi et A. umbelliformis, et deux espèces subalpines, A. atrata et A. chamaemelifolia) ont été cultivés dans un cryotron à 2100 m d'altitude au Jardin du Lautaret (Figure 1). Disposant d'un compartiment pourvu d'un toit mobile (Figure 1 CDE), le cryotron permet de comparer l'effet de la couverture neigeuse hivernale sur la physiologie des plantes.
L'enregistrement de l'exposome a été réalisé par des capteurs situés dans le cryotron et complété des données ROMMA de la station du Lautaret. Nous montrons que la couverture neigeuse hivernale maintient le sol (à 6 cm de profondeur) à une température constante proche de 0°C, ce qui prévient le gel extrême des racines des plantes (Figure 1 A et B). Lorsque la neige n'est pas présente, la température au voisinage des racines est très fluctuante et souvent bien inférieure à 0°C.
Le rendement quantique du photosystème II (Fv/Fm) a été mesuré in situ au cours de l'année dans les plantes cultivées avec et sans couverture neigeuse hivernale. L'accumulation de protéines de la chaîne photosynthétique (PSI, PSII, antennes) a été analysée en laboratoire à partir d'échantillons cryopréservés sur place (Figure 2). Les données montrent (i) que l'accumulation des composants de l'appareil photosynthétique dépend fortement de la couverture neigeuse chez l'espèce alpine A. umbelliformis (A), alors que (ii) elle est plus tardive mais sans influence de la couverture neigeuse chez l'espèce subalpine A. atrata (B). Dans le même temps, (iii) l'efficacité du photosystème II n'est pas modifiée au retour en végétation dans l'espèce alpine (C), (iv) alors qu'elle est altérée dans l'espèce subalpine cultivée sans couverture neigeuse (D, cadre violet). Ces données préliminaires suggèrent un effet différenciel de l'exposome hivernal sur la photosynthèse. Néanmoins, l'analyse des pigments photosynthétiques et le croisement avec des observations physiologiques (activité photosynthétique, capacité d'induction de la photoprotection) doivent être poursuivis. Enfin, l'isolement des facteurs de l'exposome hivernal expliquant les observations, et les mécanismes mis en jeu sont encore à explorer. Cependant, le matériel a été acheté et testé dans le cadre du projet GENEPI et les protocoles et méthodes sont désormais en place.
Ces données soulèvent également une question plus fondamentale : comment la photosynthèse peut-elle être efficace avec un niveau réduit de PSII, un niveau de PSI normal et peu d'antennes collectrices (Figure 2A et B, flèche violette). Une analyse physiologique plus poussée sera nécessaire pour confirmer ce fonctionnement qui semble particulier aux espèces alpines et qui est en contradiction avec le modèle établi de longue date.

Le projet doctoral est une étude d'écophysiologie moléculaire qui a pour objectifs : 1) de poursuivre la caractérisation de l'influence de l'exposome hivernal sur la photosynthèse des plantes alpines déja engagée, 2) de comprendre l'acclimatation de plantes subalpines aux conditions météorologiques des hautes altitudes, dans le contexte d'une migration des espèces vers les milieux libérés par la fonte glaciaire et 3) d'investiguer le fonctionnement fin de la photosynthèse en conditions extrêmes alpines.

Les acteurs moléculaires impliqués dans la régulation de l'activité photosynthétique en fonction des conditions environnementales sont largement identifiés et conservés dans chaque espèce. Le projet doctoral n'a donc pas pour objectif d'en découvrir de nouveaux. Cependant, la façon dont ces acteurs interagissent entre eux pour créer une réponse adaptée à leurs conditions environnementales reste encore inconnue, spécifiquement dans le cas d'espèces alpines ou subalpines subissant les conditions de l'exposome alpin.
La présence de neige en hiver sur les plantes en repos végétatif fait varier de multiples facteurs environnementaux (température, intensité lumineuse, spectre lumineux, durée de l'éclairement, niveau d'hydratation), qui, combinés entre eux, génèrent un environnement complexe. Le cryotron est l'outil idéal pour en étudier les conséquences dans leur ensemble sur la photosynthèse estivale. Pour mieux comprendre leur importance relative, ces facteurs peuvent toutefois être reconstitués indépendamment les uns des autres en laboratoire.
Les modèles biologiques envisagés sont des plantes sempervirentes pouvant se développer dans les conditions de la haute altitude (Artemisia sp.) dans le cryotron et dont la survie sur plusieurs saisons a déjà été établie au laboratoire.
Notre approche expérimentale mettra en oeuvre des méthodes de mesure de la photosynthèse par fluorescence in vivo, à l'échelle de la plante ou de la cellule en utilisant des appareils portables in situ.Pour aller plus loin dans l'analyse de la fonction photosynthétique, il pourra être nécessaire d'utiliser la plateforme de spectroscopie de fluorescence disponible dans l'équipe LPM : mesure de la stoechiométrie PSII/PSI par spectroscopie à 77K , vitesse de transfert d'électrons à l'aide de l'imagerie de la fluorescence par caméra à haute résolution spatiale et temporelle (21) mesure du gradient de pH par ElectroChromic Shift.. Ces techniques puissantes ne sont pas portables et doivent être utilisées in vivo, sur des plantes cultivées en laboratoire et en conditions contrôlées. Nous disposons des lampes permettant l'exposition contrôlées aux UV-B, au xintensités lumineuses variables et de chambre de culture pour l'exposition au froid par exemple.
Ces mesures physiologiques in vivo seront combinées avec des analyses biochimiques. Les pigments photosynthétiques mis en jeu dans la régulation de la photosynthèse et la photoprotection seront identifiés par chromatographie HPLC à l'aide de matériel disponible au laboratoire. La dynamique de l'accumulation de protéines impliquées dans la photosynthèse et dans sa régulation sera investiguée dans un premier temps par immunodétection, selon des protocoles déjà mis en oeuvre sur des échantillons collectés précédemment et stockés au laboratoire. Néanmoins, les anticorps disponibles commercialement sont tous majoritairement dirigés contre des protéines d'espèces modèles classiques, comme Arabidopsis thaliana par exemple, dont le rôle est déjà parfaitement établi. Néanmoins, la fonction régulatrice d'un grand nombre de protéines photosynthétiques exprimées chez les plantes n'a pas encore été caractérisée, en particulier dans les conditions que nous nous proposons d'étudier. Nous compléterons l'étude biochimique par protéomique semiquantitative comparée, en collaboration avec le laboratoire BGE-EDYP. Pour identifier ces protéines, nous nous appuierons sur la forte conservation des séquences des protéines impliquées dans la photosynthèse ainsi que sur les données disponibles dans les bases de données sur des espèces voisines (Artemisia annua, Arabidopsis thaliana).
Nous disposons déjà au laboratoire d'échantillons prélevés durant les années 24 et 25, qui serviront de point de départ aux analyses biochimiques et protéomiques. Néanmoins, il sera nécessaire de poursuivre l'échantillonnage durant plusieurs saisons au cours du déroulement du contrat doctoral.