Dans les thylakoïdes des végétaux supérieurs, la réaction photochimique de la photosynthèse implique un transfert d’électrons linéaire ayant lieu entre les photosystèmes II et I et aboutit à la production de pouvoir réducteur (NADPH) et d’ATP. En parallèle à ce transfert linéaire, le transfert cyclique d’électrons autour du PS I court-circuite le PS II et fait intervenir distinctement les complexes PGR (PGR5/PGRL1) et NADPH déshydrogénase (NDH). Ces deux voies alternatives permettent la production d’ATP sans accumulation de NADPH dans le stroma et particulièrement en conditions de stress environnemental. Ces voies sont essentielles pour la physiologie de la plante mais leur régulation demeure mal connue. Une hypothèse a été émise quant à leur régulation redox en étudiant plusieurs thiorédoxines chloroplastiques. Des expériences menées in vivo et in vitro sur des mutants d’Arabidopsis, de tabac et de tomate ont mis en évidence le rôle très spécifique de la thiorédoxine m4 dans la régulation négative des voies dépendantes de PGR et NDH. Une stratégie originale a été mise en place pour capturer les cibles putatives de cette thiorédoxine en mutant le site actif de la protéine chez Arabidopsis. Les résultats obtenus ont montré l’existence de plus de 160 cibles potentielles et certaines d’entre elles pourraient être impliquées dans la régulation des voies dépendantes des complexes PGR et NDH. / In plants thylakoids, the photochemical reaction of photosynthesis implies a linear electron flow between photosystems II and I which produces reducing power (NADPH) and ATP. In addition of linear electron flow, the cyclic electron flow around PS I bypasses PS II and involves distinctly the PGR (PGR5/PGRL1) and the NADPH dehydrogenase (NDH) complexes. These two alternative pathways lead to the production of ATP without accumulation of NADPH in the stroma especially under environmental stress conditions. Both pathways are essential for the plant physiology but their regulation remains unclear. An assumption concerning a redox regulation has been considered by surveying several chloroplastic thioredoxins. In vivo and in vitro studies of Arabidopsis, tobacco and tomato mutants revealed that the m4 thioredoxin plays a very specific role in the down-regulation of the PGR and NDH dependant pathways. An original strategy to capture putative targets of this thioredoxin has been established by mutating the active site of the protein in Arabidopsis. The results showed the existence of more than 160 potential targets and some of them could be involved in the regulation of PGR and NDH dependant pathways.

La chlororespiration a été initialement décrite chez Chlamydomonas reinhardtii. Cette voie alternative du transfert d’électrons, présente dans toutes des lignées photosynthétiques, est constituée par l’activité d’une NAD(P)H:plastoquinone oxidoreductase, et d’une plastoquinol oxydase (PTOX). Parce qu’elle utilise les plastoquinones comme transporteur d’électrons, la chlororespiration représente une voie potentiellement antagoniste au transfert photosynthétique de l’eau au CO2. Néanmoins, le faible flux autorisé par ces enzymes suggère que, au moins sous éclairement continu et en conditions stationnaires, leur contribution est limité. Je me suis donc concentré sur la rôle du PTOX pendant les transitions lumière-obscurité et vice-versa. J’ai observé qu’après une brève illumination, la relaxation redox du chloroplaste est entravée quand PTOX2, l’oxydase majeure chez Chlamydomonas, est absente. J’ai démontré la pertinence physiologique de cette observation par une étude des courbes de croissance de souches mutantes pour PTOX et de la souche sauvage: la croissance du mutant de PTOX2 est retardée en condition de la lumière intermittente – ce qui peux être expliqué par une diminution du flux d’électrons à partir du photosystème II. Je me suis également intéressé à l’impact de la chlororespiration sur le flux d’électrons cyclique en utilisant une nouvelle approche spectroscopique combinée à de la modélisation. Enfin, j’ai exploré, en collaboration avec Stefano Santabarbara, le mécanisme de redistribution de l’énergie lumineuse entre les deux photosystèmes, mécanisme gouverné par des changements d’état redox des plastoquinones. J’ai démontré que, contrairement à des récentes suggestions, un véritable transfert d’antennes se produit entre les deux photosystèmes. / Chlororespiration was initially described in Chlamydomonas reinhardtii. This electron transfer pathway, found in all photosynthetic lineages, consists of the action of a NAD(P)H:plastoquinone oxidoreductase and a plastoquinol oxidase (PTOX). Hence, because it uses plastoquinones for electron transport, chlororespiration constitutes an electron pathway potentially antagonistic to the linear photosynthetic electron flow from H2O to CO2 However, the limited flow these enzymes can sustain suggests that their relative contribution, at least in the light and in steady-state conditions, is limited. I thus focused on the involvement of PTOX in Chlamydomonas during transitions from dark to light and vice versa. I found that, following a brief illumination, the redox relaxation of the chloroplast in the dark was much affected when PTOX2, the major plastoquinol oxidase in Chlamydomonas, is lacking. Importantly, I show that this has a significant physiological relevance as the growth of a PTOX2- lacking mutant is markedly slower in intermittent light, which can be rationalized in terms of a decreased flux sustained by photosystem II. I also investigated the influence of chlororespiration on cyclic electron flow using novel experimental techniques combined with theoretical modelling. Last, I explored, in collaboration with Stefano Santabarbara, the mechanism for redistribution of light excitation energy between the two photosystems, a process triggered by changes in the redox state of plastoquinone pool. I showed that, contrarily to what has been suggested recently, this regulation mechanism corresponds to an actual transfer of light harvesting antenna between the two photosystems.

Παρά τη σημαντική της συνεισφορά στο συνολικό κέρδος σε άνθρακα των φυτών και τις λειτουργικές της ιδιαιτερότητες, η φωτοσύνθεση βλαστού δεν έχει μελετηθεί στην έκταση που της αναλογεί. Για το λόγο αυτό εφαρμόσαμε ένα συνδυασμό ανατομικών και φυσιολογικών μεθόδων για το χαρακτηρισμό του φωτοσυνθετικού μηχανισμού των πράσινων μίσχων και των στελεχών του άνθους του μονοκοτυλήδονου γεώφυτου Zantedeschia aethiopica και των πράσινων βλαστών του δικοτυλήδονου ημιξυλώδους Dianthus caryophyllus, σε σύγκριση με τα αντίστοιχα φύλλα. Οι μίσχοι και τα στελέχη του άνθους του Z. aethiopica και οι βλαστοί του D. caryophyllus διαθέτουν όλα τα ανατομικά χαρακτηριστικά ενός φωτοσυνθετικά αποδοτικού οργάνου, όπως σημαντικό αριθμό στομάτων με τυπικούς υποστομάτιους θαλάμους, χλωρεγχυματικά κύτταρα παρόμοιας μορφολογίας με τα δρυφακτοειδή κύτταρα των φύλλων, επαρκείς μεσοκυττάριους χώρους και σημαντικό ποσοστό ελεύθερων κυτταρικών τοιχωμάτων. Ωστόσο, η διάταξη των δρυφακτοειδών κυττάρων των μίσχων/στελεχών του Z. aethiopica είναι ασυνήθιστη, καθώς διευθετούνται παράλληλα με τον κατά μήκος άξονα των οργάνων. Επιπλέον, οι μίσχοι/στελέχη επέδειξαν φωτοσυνθετικά χαρακτηριστικά που προσομοιάζουν με εκείνα φύλλων σε συνθήκες καταπόνησης, όπως μειωμένο περιεχόμενο/ενεργότητα της Rubisco, αυξημένο ρυθμό του κύκλου C2 και αυξημένη κυκλική ροή ηλεκτρονίων γύρω από το PSI. Τα χαρακτηριστικά αυτά φαίνεται πως είναι εγγενή στα συγκεκριμένα φωτοσυνθετικά όργανα, εξυπηρετώντας την αυξημένη αζωτοδεσμευτική ικανότητα του είδους, την ποιοτική ρύθμιση του περιεχομένου τους σε αμινοξέα, την αποκαρβοξυλίωση C4-οργανικών οξέων του διαπνευστικού ρεύματος και την ταχεία επαγωγή της μη-φωτοχημικής απόσβεσης. Σε αντίθεση με το Z. aethiopica, η φωτοσυνθετική απόδοση των βλαστών του D. caryophyllus βρέθηκε ανώτερη αυτής των φύλλων, ως αποτέλεσμα των υψηλότερων ρυθμών του κύκλου C3 και μιας πιθανής οργανο-ειδικής ποικιλότητας του παράγοντα εξειδίκευσης της Rubisco. Η μειωμένη ένταση του προσπίπτοντος φωτός in vivo, λόγω του κάθετου προσανατολισμού των βλαστών, ενδεχομένως να οδηγεί σε χαμηλότερα επίπεδα φωτοπροστασίας σε σύγκριση με τα φύλλα και στην υιοθέτηση μιας στρατηγικής βελτιστοποίησης του ρυθμού καθήλωσης C, η οποία πιθανώς περιλαμβάνει και την καθήλωση CO2, που προέρχεται από την αποκαρβοξυλίωση C4-οργανικών οξέων του διαπνευστικού ρεύματος. / Despite its significant contribution to the net carbon gain of plants and its distinct functional properties, stem photosynthesis has not yet received adequate scientific attention. For this reason, a combination of anatomical and physiological methods was used to characterize the photosynthetic machinery of the green petioles and pedicels of the monocotyledonous geophyte Zantedeschia aethiopica and the green stems of the dicotyledonous semi-woody species Dianthus caryophyllus, in comparison to the corresponding leaves. Both the green petioles/pedicels of Z. aethiopica and the green stems of D. caryophyllus possess all the anatomical prerequisites of an actively photosynthesizing organ i.e. considerable number of stomata with typical underlying substomatal chambers, chlorenchyma cells which are similar to the leaf palisade chlorenchyma cells and considerable amount of both intercellular spaces and palisade free cell walls. Yet, the palisade cells of Z. aethiopica petioles/pedicels show a peculiar arrangement with their long axis parallel to the longitudinal organ axis. Furthermore, petiole/pedicel photosynthetic characteristics resemble those of leaves under adversity i.e. reduced Rubisco activity/content, high photorespiration rates and significant cyclic electron flow around PSI. It is concluded that these are innate attributes of petiole/pedicel photosynthesis serving particular functions like the increased nitrogen fixing activity of the species, the qualitative adjustment of the petiole/pedicel amino acid content, the active decarboxylation of C4-organic acids and the rapid induction of non-photochemical quenching. Stem photosynthesis in D. caryophyllus was more efficient than leaf photosynthesis, as a result of the greater rates of stem C3 cycle and a possible organ-specific variation of the specificity factor of Rubisco. In general, D. caryophyllus stems display a photosynthetic pattern of optimal carbon assimilation in the expense of photoprotection. It could be hypothesized that this kind of adaptation could be due to the vertical orientation of stems, which results in lower incident light intensities in vivo and may include the use of C4-organic acids coming up with the transpiration stream as an additional carbon source.

High-mobility two-dimensional electron gas (2DEG) which resides at the interface between GaAs and AlGaAs layered semiconductors has been used experimentally and theoretically to study ballistic electron transport. The present project is motivated by recent experiments in magnetic electron focusing. The proposed device consists of two quantum point contacts (QPCs) serving as electron injector and detector which are placed in the same semiconductor GaAs/AlGaAs heterostructure. This thesis is focused on the theoretical study of electron flow coming from the injector QPC (a short quantum wire) and going into an open two-dimensional (2D) reservoir. The transport is considered for non-interacting electrons at different transmission regimes using the mode-matching technique. The proposed mode-matching technique has been implemented numerically using Matlab software. Electron flow through the quantum wire with rectangular, conical and rounded openings has been studied with and without an applied electric bias. We have found that the geometry of the opening does not play a crucial role for the electron flow propagation while the conical opening allows the electrons to travel longer distances into the 2D reservoir. When electric bias is applied, the electron flow also penetrates farther into the 2D region. The results of this study can be applied in designing magnetic focusing devices.