L'oxydase terminale plastidiale (PTOX) est présente uniquement chez les organismesphotosynthétiques. PTOX oxyde le plastoquinol (PQH2) et réduit l'oxygène en eau.PTOX est impliquée dans la synthèse des caroténoïdes, dans le transportphotosynthétique d'électrons et dans la chlororespiration. De plus, son activité estconsidérée comme pouvant jouer un rôle en tant que soupape de sécurité, permettant de maintenir oxydé le pool de plastoquinones (PQ) et d'éviter la surréduction duchloroplaste et ainsi la photoinhibition. Chez la majorité des plantes testées, les niveaux de PTOX sont plus élevés dans des conditions de stress (une exposition à forte intensité lumineuse, par exemple). D'autre part, la surexpression de PTOX chez Arabidopsis thaliana n'a pas rendu les plantes moins sensibles à la photoinhibition. Par ailleurs, il semble que PTOX surexprimée chez Nicotiana tabacum a induit la génération des espèces réactives de l'oxygène (ERO) et une photoinhibition importante sous forte lumière.Le but de cette thèse était la caractérisation de l'activité enzymatique de PTOX enutilisant la protéine purifiée et de comprendre pourquoi PTOX protège du stressphotooxydant dans certaines conditions et pourquoi elle augmente ce stress quand elle est surexprimée in planta.L'analyse biochimique de PTOX recombinante purifiée a démontré que l'enzymeexiste principalement sous forme tétramérique. Cette forme se dissocie partiellement,principalement en dimères. Le turnover maximal de l'enzyme purifié correspond à 320électrons par seconde et par molécule de PTOX. Nous avons démontré que PTOXgénère des ERO dans une réaction secondaire dépendante de la concentration dusubstrat (PQH2) et du pH de la solution. À pH 8 (représentant le pH du stroma deschloroplastes actifs), PTOX a une activité antioxydante quand la concentration de PQH2 est basse et prooxydante quand cette concentration est élevée.En mesurant la fluorescence de la chlorophylle a, nous avons démontré quePTOX est active lorsqu'elle est ajoutée aux membranes enrichies en PSII.L'attachement aux membranes dépend du pH et de cations de la solution: lorsque le pHdiminue ou lorsque la solution est riche en cations monovalents, la quantité de PTOXattachée à la membrane diminue.L'activité de PTOX in planta et son effet sur le transport des électronsphotosynthétiques ont été analysés en utilisant Arabidopsis thaliana surexprimant laphytoène désaturase bactérienne (CRTI) et Nicotiana tabacum surexprimant PTOX1 deChlamydomonas reinhardtii. Arabidopsis thaliana surexprimant CRTI a un niveau plusimportant de PTOX et de production d'ERO et le transport cyclique des électrons estsupprimé chez les transformants. Cela implique que PTOX est en compétition avec letransfert cyclique pour les électrons du pool PQ et que PTOX joue un rôle importantdans le contrôle de l'état rédox de ce pool. En utilisant Nicotiana tabacum surexprimant PTOX1, nous avons démontré que PTOX fait concurrence au transfert linéaire d'électrons photosynthétique, mais que PTOX est inactivée quand le pH du stroma est neutre. Grâce aux résultats obtenus, nous proposons un modèle où l'association de PTOX avec la membrane est contrôlée par le pH du stroma. Quand le pH est neutre, PTOX est soluble et n'est pas active, ce qui évite l'interférence avec le transfert linéaire d'électrons. Quand le pH du stroma est alcalin et la chaîne des transporteurs photosynthétiques est surréduite (lors des conditions du stress), PTOX s'attache à la membrane, devient active et joue le rôle de soupape de sécurité. / The plastid terminal oxidase PTOX is encoded by higher plants, algae and some cyanobacteria. PTOX is a plastid-localized plastoquinol (PQH2) oxygen oxidoreductase. PTOX was shown to be implicated in plant carotenoid biosynthesis, photosynthetic electron transport and chlororespiration and may act as a safety valve protecting plants against photo-oxidative stress. PTOX protein levels increase during abiotic stress indicating a function in stress acclimation. But overexpression of PTOX in Arabidopsis did not attenuate the severity of photoinhibition or, when overexpressed in tobacco, even increased the production of reactive oxygen species (ROS) and exacerbated photoinhibition.Biochemical analysis of recombinant purified PTOX (PTOX from rice fused to the maltose-binding protein) showed that the enzyme exists mainly as a tetramer, which dissociated to a certain extent during electrophoresis, mainly into a dimeric form. The PTOX activity was 320 electrons s−1 PTOX−1. It was also shown that PTOX generates ROS in a side reaction in a substrate (decylPQH2) and pH-dependent manner when liposomes were used: at the basic stromal pH of photosynthetically active chloroplasts, PTOX was antioxidant at low decylPQH2 gaining prooxidant properties with increasing quinol concentrations. It is concluded that PTOX can act as a safety valve when the steady state [PQH2] is low while a certain amount of ROS is formed at high light intensities.It was shown by chlorophyll a fluorescence that recombinant purified PTOX is active when added to photosystem II (PSII)-enriched membrane fragments. PTOX attached tightly to the PSII-enriched membrane fragments. The amount of PTOX attaching to the membrane depended on pH and salts: an alkaline pH and monovalent compared to divalent cations increased PTOX attachment.PTOX activity in planta and its effect on photosynthetic electron transport were investigated using Arabidopsis expressing bacterial phytoene desaturase and tobacco expressing PTOX1 from Chlamydomonas. Arabidopsis expressing bacterial phytoene desaturase (CRTI lines) showed a higher PTOX content and increased PTOX related ROS generation. Furthermore, cyclic electron flow was suppressed in these lines. This implicates that PTOX competes efficiently with cyclic electron flow for PQH2 in the CRTI-expressing lines and that it plays a crucial role in the control of the reduction state of the plastoquinone pool. Using tobacco expressing PTOX1 from Chlamydomonas, it was shown that PTOX competes efficiently with photosynthetic electron flow, but gets inactive when the stromal pH is neutral. Based on the in vitro and in vivo results, a model is proposed, where the association of PTOX to the membrane is controlled by the stromal pH: When the stromal pH is neutral, PTOX exists as a soluble form and is enzymatically inactive avoiding the interference of PTOX with linear electron flow. When the stromal pH is alkaline and the photosynthetic electron chain is highly reduced under stress conditions as high light, PTOX binds to the membrane, gets enzymatically active and can serve as safety valve.

Les formes réactives de l'oxygène (FRO) ont été analysées dans différents compartiments cellulaires en utilisant des méthodes spectroscopiques (UV/VIS, fluorescence, infrarouge, résonance paramagnétique électronique). L'identité et les mécanismes catalytiques des enzymes qui produisent les FRO dans les membranes plasmiques (MP) et les mitochondries ont été étudiés, ainsi que le rôle protectif de l'oxydase terminale plastidiale (PTOX) des chloroplastes. Cd2+ s'est révélé être un inhibiteur de la NADPH oxydase des MP. In vivo Cd2+ inhibait la production extracellulaire de O2•- mais stimulait l'accumulation de H2O2. Dans des mitochondries isolées, Cd2+ a augmenté la production de FRO. Antimycin A a entraîné une élévation du H2O2 extracellulaire, confirmant que la mitochondrie est le site principal de production de l'H2O2 extracellulaire induite par Cd2+ in vivo. Une quinone réductase (QR) génératrice de FRO a été isolée des MP. La déprotonation pH-dépendante du quinole a produit des formes intermédiaires instables qui génèrent des FRO par réaction avec O2. Des espèces quinoniques ont été détectées dans la MP et pourraient servir de substrat aux QR in vivo. La protection de la chaine photosynthétique de transfert d'électron par la plastoquinol:O2 oxydoréductase a été étudiée chez des plantes PTOX+ surexprimant PTOX. En raison de leur réponse altérée en conditions de faible et forte intensité lumineuse, il a été proposé que pour fonctionner comme enzyme protectrice, PTOX est couplée à une SOD. Chez les lignées PTOX+, le niveau de SOD chloroplastique n'était pas plus élevé, limitant probablement leur capacité à détoxifier les taux élevés de O2•- généré.

Le climat alpin à plus de 2400 mètres d’altitude montre des fortes variations de température, des intensités lumineuses très élevées (3000 µmol photons m-2 s-1) qui sont connues pour générer un état de réduction importante de la chaine de transport des électrons photosynthétique. Le bon fonctionnement du processus photosynthétique est primordial pour les quelques espèces de plantes vasculaires qui sont présentes à l’étage alpin et qui doivent terminer leur cycle de vie lors d’une très courte période de végétation.Soldanella alpina et Ranunculus glacialis sont deux espèces inféodées aux étages alpin et nival. Dans leur site naturel de croissance nous avons mesuré des températures faibles (0.7°C) et fortes (37°C) sous des lumières supérieures à 2500 µmol photons m-2 s-1. Chez les espèces non-alpines ces conditions induisent la photoinhibition du PSII, ce qui est évité chez S. alpina et R. glacialis, par des mécanismes très différents. Les systèmes antioxydants et le quenching non photochimique sont particulièrement importants chez S. alpina. Chez Ranunculus glacialis, la photorespiration reste très importante et un contenu élevé en PTOX est décrit. Le rôle des antioxydants et de la PTOX dans la photoprotection des deux espèces ont été étudiés. Dans une partie de thèse, nous avons montré qu’une diminution de la capacité antioxydante par une diminution de la concentration en glutathion n’affecte pas la tolérance vis-à-vis de la photoinhibition à basse température. Dans une deuxième partie les résultats supposent qu’une surexpression de la PTOX chez le tabac augmente la photoinhibition à lumière forte par production des espèces réactives d’oxygène. En utilisant différentes conditions environnementales de croissance pour Ranunculus glacialis, nous avons pu montrer que l’expression de la PTOX est induite par des fortes lumières et non par des basses températures. Grâce à une approche associant mesures d’échanges gazeux et mesures de la fluorescence de la chlorophylle, nous avons montré qu’un flux d’électrons conséquent vers l’oxygène, indépendant de la photorespiration, corrélait avec la présence de la PTOX mais que l’activité de la PTOX sous des conditions qui permettent l’assimilation du CO2 et la photorespiration n’est pas maximale. Grâce à des mesures de fluorescence chlorophyllienne en présence de différents inhibiteurs photosynthétiques, nous avons pu montrer que l’importance de ce flux d’électrons vers l’oxygène corrèle avec la quantité de PTOX présente dans les feuilles, dans des conditions réductrices. Ces résultats nous ont amenés à conclure que chez Ranunculus glacialis, la PTOX peut prendre en charge un flux significatif d’électrons, éviter ainsi l’apparition d’un état réduit de la chaine de transfert photosynthétique, et protéger la plante vis-à-vis de la photoinhibition en agissant comme une valve de sécurité. Ces travaux permettent d’apporter des précisions sur un modèle original de photoprotection, qui a été l’objet de nombreuses controverses. / The alpine climate above 2400 meters altitude shows large variations in temperature and very important light intensity (3000 µmol photons m-2 s-1), which are known to generate a state of significant reduction in the photosynthetic electron transport chain. The proper functioning of the photosynthetic process is essential for vascular plants species that are present in this alpine environment and must complete their life cycle within a very short growing season.Soldanella alpina and Ranunculus glacialis are two species restricted to alpine and snow floors. In their natural growth environment we measured very low (0.7 ° C) and high temperature (37 ° C) under lights above 2500 µmol photons m-2 s-1. Among non-alpine species such conditions induce photoinhibition of PSII, which is avoided in S. alpina and R. glacialis, by very different mechanisms. Antioxidant systems and non-photochemical quenching are particularly important in S. alpina. In Ranunculus glacialis, photorespiration remains very important and a high content of PTOX is described. The roles of antioxidants and PTOX in photoprotection of both species were studied.In one part of the thesis, we showed that a decrease in antioxidant capacity by reducing the concentration of glutathione does not affect tolerance to low-temperature photoinhibition. In the second part the results imply that overexpression of PTOX in tobacco enhances photoinhibition by strong light to produce reactive oxygen species.Using different environmental conditions for Ranunculus glacialis growth, we showed that expression of the PTOX is induced by strong light, but not by low temperatures. With an approach combining gas exchange measurements and chlorophyll fluorescence measurements, we showed that an electron flow to oxygen, independent of photorespiration, correlated with the presence of PTOX. Through measures of chlorophyll fluorescence in the presence of various inhibitors photosynthetic, we could show that the importance of this electron flow to oxygen correlates with the amount of PTOX in the leaves, under reducing conditions. These results led us to conclude that in Ranunculus glacialis, the PTOX may support a significant flow of electrons, thus avoiding the appearance of a reduced state of the photosynthetic chain transfer, and protect the plant from photoinhibition, acting as a safety valve. These studies are discussed to help clarify a new pathway of photoprotection, which was the subject of much controversy.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / O cloroplasto à uma organela caracterÃstica dos organismos fotossintetizantes sendo seu papel primordial na geraÃÃo de energia a partir de gÃs carbÃnico e Ãgua. Essa organela pode ter seu funcionamento comprometido quando submetida a estresses ambientais devido a fragilidade e complexidade do sistema. Para evitar perdas provocadas pelo estresse existem vÃrios mecanismos de adaptaÃÃo e regulaÃÃo das reaÃÃes que ocorrem no cloroplasto. Recentemente caracterizou-se mais um desses provÃveis mecanismos que foi chamado de clororespiraÃÃo. A clororespiraÃÃo foi esclarecida com a descoberta de uma enzima similar a oxidase alternativa da mitocondria que chamou-se de oxidase terminal do plastÃdeo (PTOX). A funÃÃo dessa respiraÃÃo do cloroplasto permanece incerta, mas uma das hipÃteses mais aceitas à que o funcionamento da clororespiraÃÃo poderia prevenir a formaÃÃo de espÃcies reativas de oxigÃnio atravÃs da reciclagem dos intermediÃrios redutores do cloroplasto. No presente trabalho foi caracterizado a presenÃa de dois genes que codificam para a oxidase terminal do plastÃdeo em plantas de Zea mays. Estudou-se tambÃm a expressÃo diferencial de ambos genes da PTOX em resposta ou estresse hÃdrico, alÃm da caracterizaÃÃo da clororespiraÃÃo atravÃs da atividade da NADH desidrogenase plastidial (NDH) em gel de poliacrilamida. A caracterizaÃÃo molecular dos genes da PTOX mostrou homologia de 60% quando comparadas as sequÃncias dos genes e de 79% quando comparadas as prÃ-proteÃnas traduzidas. Os genes dessa proteÃna tÃm estruturas similares, sendo compostos por oito introns e 9 Ãxons. Um estudo das regiÃes dos promotores dos genes mostrou que existiam elementos comuns porÃm a presenÃa de elementos diferentes como, o elementos cis MBS que à responssivo à seca, poderia revelar uma regulaÃÃo diferencial dos genes. A resposta diferencial foi confirmada atravÃs de RT-PCR semiquantitativo. O gene chamado de ptox1 teve sua expressÃo estÃvel, podendo ser considerado um gene constitutivo, enquanto que o gene chamado de ptox2 teve um aumento da expressÃo proporcional ao estresse aplicado tanto em folhas como em raÃzes de plantas de milho. A anÃlise da atividade da NDH em gel (zimograma) revelou a presenÃa dessa enzima em cloroplastos de milho confirmando a presenÃa das enzimas da clororespiraÃÃo. O estudo filogenÃtico de sequencias de cDNA de bancos de dados mostraram que milho e sorgo pertencentes ao grupo das monocotiledÃneas, sÃo espÃcies muito prÃximas e que compartilham dois genes ortÃlogos da PTOX identificados como ptox1 e ptox2. Concluiu-se pela primeira vez a presenÃa de dois genes da PTOX no genoma do milho, uma monocotiledÃena de metabolismo C4. Os genes foram denominados de ptox1 e ptox2. Eles foram encontrados em raÃzes e folhas e apenas o gene da ptox2 pareceu ser induzido em resposta ao estresse osmÃtico. / The chloroplast is an organelle characteristic of photosynthetic organisms and their role in generating energy from carbon dioxide and water. This organelle may be functionally compromised when subjected to environmental stress due to the fragility and complexity of the system. To avoid losses caused by stresses plants have evolved various coping mechanisms, as well as, regulation of the reactions that occur in the chloroplast. Most recently it was characterized one of these mechanisms that was called chlororespiration. The chlororespiration was bring to light with the discovery of an enzyme, similar to the alternative oxidase of mitochondria, that was called the plastid terminal oxidase (PTOX). The function of this chloroplast respiration remains uncertain, but one of the most accepted hypothesis is that the operation of chlororespiration could prevent the formation of reactive oxygen species by recycling the reducing intermediates of the chloroplast. The present study characterized the presence of two genes encoding the plastid terminal oxidase in plants of Zea mays., and its differential expression in response to water stress. It was also characterized the chlororespiration through the activity of plastidial NADH dehydrogenase (NDH) in polyacrylamide gel. The molecular characterization of PTOX genes showed 60% homology when compared sequences of genes, but 79% when compared to pretranslated proteins. The genes of this protein have similar structures, being composed of nine exons and eight introns. A study of regions of the promoters of the genes showed that there were common elements, but the presence of different elements such as the cis elements that MBS responsive to drought, could reveal a differential regulation of genes. The differential response was confirmed by semiquantitative RT-PCR. The gene called ptox1 had its expression level stable and could be considered a constitutive gene, while the gene called ptox2 had an increased expression proportional to the applied stress in both leaves and roots of maize plants. The analysis of NDH activity gel (zimograms) revealed the presence of this enzyme in maize chloroplasts suggesting the existence of the chlororespiratory pathway. The phylogenetic analysis of cDNA sequences from NCBI databases showed that maize and sorghum, being closely related species, share two genes )identified as orthologs of PTOX (ptox1 and ptox2). It was confirmed for the first time the presence of two PTOX genes in the genome of maize, a C4-metabolism monocotyledon and its differential expression under drought stress.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / A FotossÃntese e a respiraÃÃo sÃo bem conhecidos como sendo responsÃveis pela produÃÃo de energia no interior das cÃlulas de plantas. Acoplados à estes processos bioenergÃticos, a transferÃncia de elÃtrons que ocorre nas membranas do cloroplasto e mitocÃndria, tambÃm sÃo considerados com tendo potencial de produÃÃo de ROS. PossÃveis interaÃÃes no funcionamento dessas organelas permanecem pouco conhecidas, especialmente em resposta a condiÃÃes de estresse. Sob estas condiÃÃes, sugere-se que as vias de transferÃncia de elÃtrons ligadas à AOX, à pUCP ou à PTOX poderia limitar a formaÃÃo de ROS reduzindo assim danos oxidativos Ãs organelas celulares. Em nosso trabalho, foram selecionadas duas cultivares de Vigna unguiculata, inicialmente caracterizados como sensÃvel (cv 1183) ou tolerante (cv EPACE1) à seca. Sob condiÃÃes experimentais, as duas cultivares nÃo apresentaram diferenÃas significativas na sensibilidade à seca. Entretanto o cultivar EAPCE1 foi mais tolerante ao ozÃnio com base no desenvolvimento de necrose e de vÃrios parÃmetros fisiolÃgicos (ϕPSII) e bioquÃmicos (teor de glutationa). Para os perfis de expressÃo de genes que codificam AOX, PUCP e PTOX duas respostas foram claramente identificadas no cultivar EPACE1. Em um tempo curto, a expressÃo destas proteÃnas à geralmente estimulada. Em um perÃodo mais longo (14 dias), a resposta à diferente, dependendo da tipo de estresse. Sob o ozÃnio, um aumento da expressÃo das proteÃnas mitocondriais à mantida enquanto o gene que codifica para a PTOX à sub-regulada. Sob seca a proteÃna desacopladora do plastÃdio (PTOX) à superexpressa. Sob condiÃÃes de combinaÃÃo stress, seca combinada com ozÃnio, o efeito da seca sobre o fluxo de ozÃnio nas folhas nÃo foi alterado, e os genes VuPTOX e VuUCP1b sÃo super-expressos depois de 3 e 7 dias de stress. Este aumento da expressÃo, jà observado em resposta à seca por aplicada separadamente poderia desempenhar um papel na prevenÃÃo da formaÃÃo de ROS tanto em mitocÃndrias e cloroplastos prevenindo assim os danos causados pelo ozÃnio. / Possible interactions between chloroplast and mitochondria remain poorly known, particularly in response to stress conditions. Under these conditions, it is suggested that the electron transfer pathways linked to AOX or pUCP (mitochondrial uncoupling proteins) and PTOX (plastidial uncoupling protein) could limit the formation of ROS to reduce oxidative damage in cellular organelles. In our work, we selected two cultivars of Vigna unguiculata, cv 1183 and cv EPACE. Under our experimental conditions, both cultivars showed no real differences in sensitivity to drought. However cv EPACE was more tolerant to O3 based on the development of necrosis and several physiological parameters (Fv/Fm, ϕPSII) and biochemical (glutathione content). For the expression profiles of genes encoding AOX, PUCP and PTOX two responses were clearly identified in the cultivar EPACE. On a shortterm, expression of these proteins is generally stimulated. On a longer term (14 days), the answer differs depending on the treatment. Under O3, the strongest expression of mitochondrial proteins is maintained while the gene encoding the PTOX is own-regulated. Under drought only the plastid protein (PTOX) is upregulated. Under conditions of stress combination, drought has little effect on the influx of O3 in the leaves, and the VuPTOX and VuUCP1b genes are up-regulated after 3 and 7 days of stress. This ver-regulation, already observed in response to drought alone could play a role in preventing the formation of ROS in both mitochondria and chloroplasts.

Le climat alpin à plus de 2400 mètres d'altitude montre des fortes variations de température, des intensités lumineuses très élevées (3000 µmol photons m-2 s-1) qui sont connues pour générer un état de réduction importante de la chaine de transport des électrons photosynthétique. Le bon fonctionnement du processus photosynthétique est primordial pour les quelques espèces de plantes vasculaires qui sont présentes à l'étage alpin et qui doivent terminer leur cycle de vie lors d'une très courte période de végétation.Soldanella alpina et Ranunculus glacialis sont deux espèces inféodées aux étages alpin et nival. Dans leur site naturel de croissance nous avons mesuré des températures faibles (0.7°C) et fortes (37°C) sous des lumières supérieures à 2500 µmol photons m-2 s-1. Chez les espèces non-alpines ces conditions induisent la photoinhibition du PSII, ce qui est évité chez S. alpina et R. glacialis, par des mécanismes très différents. Les systèmes antioxydants et le quenching non photochimique sont particulièrement importants chez S. alpina. Chez Ranunculus glacialis, la photorespiration reste très importante et un contenu élevé en PTOX est décrit. Le rôle des antioxydants et de la PTOX dans la photoprotection des deux espèces ont été étudiés. Dans une partie de thèse, nous avons montré qu'une diminution de la capacité antioxydante par une diminution de la concentration en glutathion n'affecte pas la tolérance vis-à-vis de la photoinhibition à basse température. Dans une deuxième partie les résultats supposent qu'une surexpression de la PTOX chez le tabac augmente la photoinhibition à lumière forte par production des espèces réactives d'oxygène. En utilisant différentes conditions environnementales de croissance pour Ranunculus glacialis, nous avons pu montrer que l'expression de la PTOX est induite par des fortes lumières et non par des basses températures. Grâce à une approche associant mesures d'échanges gazeux et mesures de la fluorescence de la chlorophylle, nous avons montré qu'un flux d'électrons conséquent vers l'oxygène, indépendant de la photorespiration, corrélait avec la présence de la PTOX mais que l'activité de la PTOX sous des conditions qui permettent l'assimilation du CO2 et la photorespiration n'est pas maximale. Grâce à des mesures de fluorescence chlorophyllienne en présence de différents inhibiteurs photosynthétiques, nous avons pu montrer que l'importance de ce flux d'électrons vers l'oxygène corrèle avec la quantité de PTOX présente dans les feuilles, dans des conditions réductrices. Ces résultats nous ont amenés à conclure que chez Ranunculus glacialis, la PTOX peut prendre en charge un flux significatif d'électrons, éviter ainsi l'apparition d'un état réduit de la chaine de transfert photosynthétique, et protéger la plante vis-à-vis de la photoinhibition en agissant comme une valve de sécurité. Ces travaux permettent d'apporter des précisions sur un modèle original de photoprotection, qui a été l'objet de nombreuses controverses.