Dans cette thèse, deux axes ont été investigués. Le premier visait à étudier les relations Si-Corg et plus précisément Si-Clipides. La mise au point d’un protocole destiné à l’analyse des lipides associés aux frustules a été réalisée. Ce protocole nous a permis de montrer que ces lipides, représentant environ 1 % du Corg total, étaient dominés par des acides gras saturés (14:0, 16:0 et 18:0) chez Thalassiosira weissflogii. Le suivi de cette fraction au cours d’expériences de dégradation nous a permis de confirmer l’hypothèse de protection de la matière organique (MO) par la silice biogénique. Ces relations Si-Corg ont également été analysées après une croissance carencée en nitrate. Les résultats montrent que cette fraction n’était pas affectée par une carence en nitrate chez T. weissflogii.Notre deuxième axe d’investigation a consisté à étudier l’impact des conditions nutritives de croissance (carence en N, P et Si) sur la composition biochimique de T. weissflogii et sur sa biodégradation. Le calcul des constantes de dégradation de ses différents pools constitutifs (COP, NOP, monosaccharides et lipides) nous a permis de juger de l’efficacité des diatomées carencées, à exporter du Corg. La dégradation du Corg est peu affectée par ces carences à l’échelle globale mais sa quantité absolue par cellule augmente. De plus, la réponse physiologique de nos cellules face à une carence en Si semble être découplée du métabolisme énergétique contrairement aux réponses observées face aux carences en N et P. Cette variabilité de la réponse physiologique pourrait expliquer en partie la variabilité interbassins observée dans les corrélations entre flux de Si et de Corg en profondeur. / In this thesis, two axes of investigation on the diatom Thalassiosira weissflogii have been studied. The first one aimed to study Si-OC relationships and more specifically Si-OClipids. The development of an adapted protocol designed to analyse lipids intimately associated with frustules has been carried out. This protocol enabled us to show that lipids, amounting to about 1 % of the total OC, were dominated by saturated fatty acids (14:0, 16:0 and 18:0) in T. weissflogii cells. The monitoring of this fraction during degradation experiments enabled us to confirm the protective role of biogenic silica on organic matter (OM). These Si-OC relationships have also been analyzed after diatoms grew in nitrate starved conditions. Results indicated that this fraction was not impacted by nitrate starvation in T. weissflogii.Our second axis of investigation was to study the impact of nutrient growth conditions (starvations in N, P and Si) on T. weissflogii biochemical composition and its biodegradation. The estimation of degradation rate constants for some OM pools (POC, PON, monosaccharides and lipids) enabled us to assess the OM quality changes and the efficiency of nutrient starved diatoms to export OC. Interestingly, the degradation of OC is weakly affected by these starvations at the global scale (POC) but its absolute amount per cell increases. Moreover, the physiological response of cells facing Si starvation seems to be uncoupled with energetic metabolism, the opposite of observed responses during N and P starvations. This variability of the physiological response could explain partly the inter basin variability observed in Si and OC flux in depth.

Les diatomées sont des micro-algues qui participent à hauteur de 35 à 75 % à la production primaire océanique et qui sont les acteurs majeurs du cycle biogéochimique du silicium (Si) dans l’océan. Comprendre les mécanismes qui affectent la dissolution de la silice biogénique (bSiO2) constituant le frustule des diatomées est nécessaire afin d’améliorer la compréhension du cycle océanique du Si. En période estivale, la majorité de l’océan ouvert est limitée par de faibles disponibilités en éléments nutritifs. Les travaux réalisés dans cette thèse ont donc pour objectif majeur d’étudier l’effet de l’environnement nutritionnel des diatomées sur la dissolution et l’export de silice biogénique (bSiO2). Cette étude s’est focalisée sur les limitations en fer (Fe), en Si et en azote (N), c'est-à-dire sur les éléments nutritifs dont les faibles concentrations en période estivale limitent la production de diatomées dans une grande majorité de l’océan mondial. Une des originalités de cette thèse consiste en l’étude de la limitation en cuivre (Cu), dont les impacts sur la composition élémentaire et la dissolution des diatomées ont été peu étudiés. Les effets des conditions limitantes en micronutriments ont été étudiés sur la diatomée pennée Pseudo-nitzschia delicatissima tandis que les limitations en macronutriments ont été étudiées sur la diatomée centrique Thalassiosira weissflogii. La première étape de ce travail a consisté en l'étude de l'effet de conditions nutritives limitantes sur deux échelles du frustule des diatomées : celle de la cellule, avec l’étude du degré de silicification des diatomées, et celle du frustule, avec l’étude de sa structure et sa composition fine, au moyen de la spectroscopie InfraRouge à Transformée de Fourier (IRTF). La seconde étape de ce travail a consisté en l’étude du devenir post-mortem de ces cellules à travers l’étude de la cinétique de dissolution de la bSiO2 constituant leur frustule. Les résultats obtenus par IRTF indiquent clairement qu’à la plasticité du contenu global en bSiO2 du frustule des diatomées, s’ajoute la plasticité du frustule à l’échelle moléculaire, en fonction des conditions de croissance. Le degré d’organisation et le degré de réactivité du réseau siliceux sont tous deux affectés par l’environnement nutritif des diatomées. La quantité relative de matière organique associée au frustule varie également avec la disponibilité des éléments nutritifs. A travers ces changements, l’environnement nutritionnel affecte la dissolution du frustule des diatomées qui, dans les six expériences de dissolution, se déroulent en deux étapes, illustrant la composition biphasique du frustule. Les résultats indiquent que les conditions de croissance vont affecter la proportion et les vitesses de dissolution de la bSiO2 de ces phases. Par la modification des propriétés intrinsèques des phases de bSiO2, le frustule des diatomées limitées en nutriments auront une propension à la dissolution moins importante que celle des diatomées non-limitées. De ce fait, l’environnement nutritif des diatomées affecte l’export de bSiO2. Pour P. delicatissima, seuls 9 % de la bSiO2 initiale des cellules non limitées sont préservés après 22 jours de dissolution, tandis qu’environ 25 % sont préservés en cas de carence stricte en Cu ou de limitation en Fe durant la croissance. Les frustules de T. weissflogii limitées en macronutriment sont également mieux préservés après un mois de dissolution, avec 41 % et 51 % de la bSiO2 initiale restante pour les cellules majoritairement limitées en Si ou en N, respectivement, comparés au 20 % de préservation pour les cellules non-limitées. Ces résultats suggèrent que la dissolution de la silice dans les modèles globaux de l’océan pourrait être mieux paramétrée en tenant compte (i) de la cinétique de dissolution des deux phases de silice biogénique et (ii) de la meilleure préservation de la bSiO2 des cellules limitées en nutriments. / Diatoms are microalgae that contribute up to 75% of oceanic primary production and are major players in the oceanic biogeochemical silicon (Si) cycle. Understanding the mechanisms affecting the biogenic silica (bSiO2), constituting the diatom frustule, is necessary to improve the understanding of oceanic Si cycling. In summer, most of the open ocean is limited by low nutrient availability. Thus, the main objective of this thesis is to study the effect of diatom nutritional environment on biogenic silica (bSiO2) dissolution and export. This study focused on iron (Fe), Si and nitrogen (N) limitations, i.e. nutrients whose low concentrations during summer limit diatom production in the majority of the world ocean. One originality of this thesis is to study the copper (Cu) limitation, whose impact on the elemental composition and dissolution of diatoms has rarely been studied. The effects of micronutrient limiting conditions were studied on the pennate diatom Pseudo-nitzschia delicatissima while macronutrient limiting conditions were studied on the centric diatom Thalassiosira weissflogii. The first stage of this work was to study the effect of nutrient limiting conditions at two different scales of diatoms frustule: the cell scale, with the study of the silicification degree of diatoms, and the frustule scale, with the study of its structure and composition using Fourier Transform InfraRed spectroscopy (FTIR). The second stage of this work consisted of the study of the diatom post-mortem fate through the study of the dissolution kinetics of bSiO2 from diatom frustule. The FTIR results clearly indicate that, in addition to the plasticity of global bSiO2 content, diatom frustule also has plasticity at the molecular scale, depending on growth conditions. The organization degree and the reactivity degree of the silica lattice are both affected by diatom nutritional environment. The relative amount of organic matter associated with frustule is also affected by nutrient availability. Through these changes, the nutritional environment affects the dissolution of diatom frustules, which showed a two-stage dissolution in all six dissolution experiments, illustrating the biphasic composition of the frustule. The results indicate that the growth conditions affect both the proportion and the dissolution rates of these bSiO2 phases. By changing the intrinsic properties of the bSiO2 phases, nutrient limited-frustules will be dissolving less than non-limited diatom frustule. Therefore, the diatom nutrient environment affects bSiO2 export. In P. delicatissima, only 9 % of the initial bSiO2 remained from replete cells at the end of the twenty-two days dissolution experiment, while about 25 % remained from Cu-starved and Fe-limited cells. Macronutrient-limited T. weissflogii were also more preserved after one month of dissolution with 41 % and 51 % of the initial bSiO2 remaining for cells predominantly Si- or N-limited, respectively, whereas 20% of the initial bSiO2 was preserved in replete cells. These results suggest that the biogenic silica dissolution in global ocean models could be better parameterized taking into account (i) the dissolution kinetics of the two bSiO2 phases and (ii) an enhanced bSiO2 preservation of nutrient-limited cells.

Morphogenesis of the intricate patterns of diatom silica cell walls is a protein-guided process, yet to date only very few such silica biomineralization proteins have been identified. Therefore, it is currently unknown whether all diatoms share conserved proteins of a basal silica forming machinery, and whether unique proteins are responsible for the morphogenesis of species-specific silica patterns. To answer these questions, we extracted proteins from the silica of three diatom species (Thalassiosira pseudonana, Thalassiosira oceanica, and Cyclotella cryptica) by complete demineralization of the cell walls. Liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) analysis of the extracts identified 92 proteins that we name ‘soluble silicome proteins’ (SSPs). Surprisingly, no SSPs are common to all three species, and most SSPs showed very low similarity to one another in sequence alignments. In-depth bioinformatics analyses revealed that SSPs could be grouped into distinct classes based on short unconventional sequence motifs whose functions are yet unknown. The results from the in vivo localization of selected SSPs indicates that proteins, which lack sequence homology but share unconventional sequence motifs may exert similar functions in the morphogenesis of the diatom silica cell wall.