Thèse les Protèoformes Contrôlent la Collecte de Lumière et la Photoprotection chez les Plantes 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 : Giovanni FINAZZI ORCID 0000000305977075
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-09T23:59:59

La photosynthèse oxygénique est le processus biologique fondamental qui permet la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique, soutenant ainsi la quasi-totalité de la vie sur Terre. Chez les eucaryotes photosynthétiques, cette conversion repose sur des complexes collecteurs de lumière (LHC) insérés dans les membranes thylakoïdes des chloroplastes. Les LHC du Photosystème II (LHCII) joue un rôle central à la fois dans la capture des photons et dans les mécanismes de photoprotection permettant de dissiper l'excès d'énergie lorsque l'intensité lumineuse dépasse la capacité photosynthétique.
Si l'architecture centrale de LHCII est assurée par des hélices transmembranaires coordonnant les chlorophylles, la régulation fine de la photosynthèse dépend de régions flexibles exposées au stroma et soumises à des modifications post-traductionnelles. Au-delà de la phosphorylation, encore largement étudiée, le rôle potentiel de la protéolyse post-traductionnelle ciblée de LHCII reste très peu compris.
Des travaux préliminaires basés sur des approches avancées de spectrométrie de masse structurale (crosslinking et protéomique Top-Down) ont permis d'identifier une diversité inattendue de protéoformes de LHCII, incluant des raccourcissements N-terminaux et des troncatures internes conservées au cours de l'évolution. Ces clivages se produisent dans des motifs hautement conservés chez des phototrophes très éloignés et sont localisés à proximité de pigments clés impliqués dans la photoprotection rapide, suggérant un rôle fonctionnel dans la dissipation de l'énergie et la bioénergétique photosynthétique.
L'objectif de cette thèse (PROLIGHT) est de déterminer si la protéolyse de LHCII constitue un mécanisme actif de régulation de la dynamique des thylakoïdes et de l'acclimatation photosynthétique aux environnements lumineux fluctuants. En s'appuyant sur le modèle Arabidopsis thaliana, le projet combinera protéomique quantitative, complémentation génétique de lignées mutantes ciblées, analyses de fluorescence chlorophyllienne, purification de complexes photosynthétiques et imagerie avancée des thylakoïdes. Deux axes de travail aborderont (i) le rôle fonctionnel du N-terminome de LHCII et (ii) l'impact physiologique des troncatures internes conservées sur la bioénergétique de LHCII.
Ce projet interdisciplinaire apportera une compréhension mécanistique nouvelle de la régulation et de l'évolution de la photosynthèse, tout en ouvrant des perspectives pour l'optimisation des performances photosynthétiques dans un contexte de transition énergétique durable.

Oxygenic photosynthesis enables the conversion of solar energy into chemical energy and relies, in eukaryotes, on light-harvesting complexes (LHCs) embedded in chloroplast membranes, the thylakoids. LHCII plays a central role both in photon capture and in the dissipation of excess light energy to prevent photo-oxidative damage.
While the core structure of LHCII is well characterized, fine regulation of its function depends on flexible regions exposed to the stroma and subject to post-translational modifications. Beyond phosphorylation, the potential role of targeted LHCII proteolysis remains poorly understood.
Preliminary structural proteomics data reveal the existence of natural LHCII proteoforms displaying N-terminal trimming and internal truncations conserved throughout evolution, suggesting a previously unrecognized level of regulation of thylakoid dynamics and photosynthetic bioenergetics.

The main objective of this PhD is to determine how targeted post-translational proteolysis of Light-Harvesting Complex II (LHCII) constitutes an active regulatory mechanism of photosynthesis. The project aims to link the structural diversity of LHCII proteoforms to physiological performance measured in vivo, with a particular focus on acclimation to fluctuating light environments and photoprotective mechanisms.

The project will rely on the model plant Arabidopsis thaliana and will combine complementary and interdisciplinary approaches spanning proteomics, genetics, plant physiology, and structural biology.

Year 1 - Proteoform discovery by quantitative and structural proteomics

During the first year, the focus will be on identifying and quantitatively characterizing naturally occurring LHCII proteoforms and their interaction networks. Advanced mass spectrometry approaches, including Top-Down proteomics and crosslinking mass spectrometry, will be applied to purified LHCII and PSII-LHCII complexes isolated from plants grown under defined light regimes (limiting light, excessive light and fluctuating light). These analyses will provide a comprehensive map of LHCII sequence variants, post-translational modifications, and proteolytic cleavage events, as well as their spatial organization within photosynthetic supercomplexes. The resulting datasets will allow the selection of functionally relevant proteoforms and cleavage motifs for targeted functional analysis.

Year 2 - Functional validation by plant genetics and photophysiology

In the second year, candidate LHCII proteoforms identified in Year 1 will be functionally tested using plant genetic approaches. Targeted Arabidopsis thaliana knock-out lines will be complemented with rationally designed LHCII variants, including N-terminally modified or proteolysis-resistant forms. The physiological consequences of these modifications will be assessed in vivo using chlorophyll fluorescence analyses, allowing detailed characterization of photosynthetic performance, excitation energy balance, and photoprotective capacity under constant and fluctuating light conditions. This step will establish causal links between specific proteolytic events and photosynthetic regulation.

Year 3 - Structural and biochemical integration

The third year will focus on integrating functional and structural data. Biochemical purification of photosynthetic complexes (LHCII and PSII-LHCII) from selected mutant lines displaying altered photoprotective responses will enable in-depth structural and spectroscopic analyses. In parallel, advanced thylakoid imaging approaches, including expansion confocal microscopy and electron microscopy, will be employed to investigate changes in thylakoid membrane organization and dynamics. Structural characterization of purified complexes will provide molecular-level insight into how specific proteolytic modifications of LHCII affect energy dissipation, complex organization, and thylakoid architecture.

Together, these approaches will establish a mechanistic framework linking LHCII proteolysis to photosynthetic bioenergetics and thylakoid structural regulation.