Comparative thermophysiology of marine synechococcus CRD1 strains isolated from different thermal niches in iron-depleted areas

Marine Synechococcus cyanobacteria are ubiquitous in the ocean, a feature likely related to their extensive genetic diversity. Amongst the major lineages, clades I and IV preferentially thrive in temperate and cold, nutrient-rich waters, whilst clades II and III prefer warm, nitrogen or phosphorus-depleted waters. The existence of such cold (I/IV) and warm (II/III) thermotypes is corroborated by physiological characterization of representative strains. A fifth clade, CRD1, was recently shown to dominate the Synechococcus community in iron-depleted areas of the world ocean and to encompass three distinct ecologically significant taxonomic units (ESTUs CRD1A-C) occupying different thermal niches, suggesting that distinct thermotypes could also occur within this clade. Here, using comparative thermophysiology of strains representative of these three CRD1 ESTUs we show that the CRD1A strain MITS9220 is a warm thermotype, the CRD1B strain BIOS-U3-1 a cold temperate thermotype, and the CRD1C strain BIOS-E4-1 a warm temperate stenotherm. Curiously, the CRD1B thermotype lacks traits and/or genomic features typical of cold thermotypes. In contrast, we found specific physiological traits of the CRD1 strains compared to their clade I, II, III, and IV counterparts, including a lower growth rate and photosystem II maximal quantum yield at most temperatures and a higher turnover rate of the D1 protein. Together, our data suggests that the CRD1 clade prioritizes adaptation to low-iron conditions over temperature adaptation, even though the occurrence of several CRD1 thermotypes likely explains why the CRD1 clade as a whole occupies most iron-limited waters

Mécanismes physiologiques et moléculaires impliqués dans la survie de Fragilariopsis cylindrus (diatomée polaire) à une période d’obscurité prolongée

The polar regions are characterized by extreme environmental conditions whose variations challenge the acclimation capabilities of marine sessile and planktonic organisms. One of the major challenges faced by autotrophic organisms is to survive in darkness during the long winter months. In the spring, the surviving microalgae (mostly unicellular eukaryotes) form large blooms that support the rest of the food web for summer production. Diatoms, particularly well adapted to turbulent nutrient-rich oceanic zones, dominate primary production at the poles. They are often the first to initiate spring blooms, illustrating their extraordinary ability to survive the polar night, but also to resume growth after a very long period of inactivity. Although studied many times in the past, most of the processes involved in survival remain poorly understood.The Green Life in the Dark project, in which this thesis was carried out, aims at elucidating the physiological and genetic mechanisms involved in the survival of diatoms during and just after the polar night. To do so, cultures of Fragilariopsis cylindrus (polar pennate diatom) were subjected in the laboratory to four periods of darkness lasting from one to five months, each followed by a period of re-illumination. F. cylindrus often dominates bloom production in the Arctic and Antarctic. It can also grow attached under the ice and in the water column, making it a relevant representative of polar diatoms. Its genome has also been published.We first set out to test the value of using flow cytometry in the study of survival. This technique allowed us to follow the variations of different physiological parameters of the cultures at the single-cell level, a first in this field of research. The results illustrated the imperatoris, matreque Galla.importance of considering the potential inter-individual variations occurring within a population of cells during a long acclimation to darkness. After several weeks in the dark, two subpopulations derived from the initial population were observed and their physiological characteristics studied. Three causes of mortality were identified.The large reservoirs of carbon-rich molecules (sugars, lipids and proteins) are used to store photosynthates. The use of these reserves allows organisms to compensate for a deficit in exogenous energy supply, by providing the metabolites necessary for the functioning of the cell. Associated with a slowing down of the metabolism, this strategy is used by some diatoms to survive the polar night. However, the underlying mechanisms remain poorly understood. The second objective of this thesis was therefore, through a dual approach, to follow the managment of the metabolism of F. cylindrus in the dark. First, by studying the regulation of the transcription of metabolic pathways associated with large carbon compartments, and then by following the variations of the size and nature of the latter. Analyses confirmed the degradation of different carbon stocks accumulated before darkness, as well as the expected metabolic slowdown. The transcriptomic data allowed to underline the importance of the degradation pathways of some branched and aromatic amino acids. The analysis of the different families of molecules showed that reserve lipids and carbohydrates were degraded in the short and medium term, while proteins, the functional biomass, were recycled in a second phase, probably to compensate for the decrease in energy from other compartments.Les zones polaires sont caractérisées par des conditions environnementales extrêmes dont les variations mettent à rude épreuve les capacités d’acclimatation des organismes sessiles et planctoniques marins. L’un des grands défis rencontrés par les organismes autotrophes est de survivre dans aux longs mois d’hiver privés de lumière. Au printemps, les microalgues (eucaryotes majoritairement unicellulaires) ayant survécu forment d’importantes efflorescences (blooms) qui supportent la production estivale du reste du réseau trophique. Les diatomées, particulièrement bien adaptées aux zones océaniques turbulentes riches en nutriments, dominent la production primaire aux pôles. Elles sont souvent les premières à initier les efflorescences printanières, illustrant leur extraordinaire capacité à survivre à la nuit polaire, mais également à reprendre leur croissance après une très longue période d’inactivité. Bien qu’étudiés à de nombreuses reprises par le passé, les processus impliqués dans leur survie sont encore aujourd’hui mal connus.Le projet Green Life in the Dark, au sein duquel cette thèse a été réalisée, a pour but d’élucider les mécanismes physiologiques et génétiques impliqués dans la survie des diatomées pendant et juste après la nuit polaire. Pour ce faire, des cultures de Fragilariopsis cylindrus (diatomée polaire pennée) ont été soumises en laboratoire à quatre périodes d’obscurité longues d’un à cinq mois, chacune suivie d’une période de ré-illumination. F. cylindrus domine souvent la production des blooms en Arctique et en Antarctique. Elle peut par ailleurs croître attachée sous la glace, et dans la colonne d’eau, faisant d’elle une représentante pertinente des diatomées polaires. Son génome a également été publié.Nous nous sommes premièrement attelés à tester l’intérêt de l’utilisation de la cytométrie en flux dans l’étude de la survie. Cette technique a permis de suivre les variations de différents paramètres physiologiques des cultures au niveau de la cellule, une première dans ce champ de recherche.Les résultats ont permis d’illustrer l’importance de prendre en considération les potentielles variations interindividuelles au sein d’une population de cellules lors d’une acclimatation longue à l’obscurité. Après plusieurs semaines sans lumière, deux sous-populations dérivant de la population initiale ont pu être détectées, et leurs caractéristiques physiologiques étudiées. Trois causes de mortalité ont pu être identifiées.Les grands réservoirs de molécules riches en carbone (sucres, lipides et protéines) permettent de stocker les photosynthétats. L’utilisation de ces réserves permet aux organismes de compenser un déficit d’apports énergétiques exogènes, en fournissant les métabolites nécessaires au fonctionnement de la cellule. Associée à un ralentissement du métabolisme, cette stratégie est utilisée par certaines diatomées pour survivre à la nuit polaire. Cependant, les mécanismes sous-jacents restent mal compris. Le second objectif de cette thèse était donc, grâce une double approche, de suivre la gestion du métabolisme de F. cylindrus à l’obscurité. Premièrement, en étudiant la régulation de la transcription des voies métaboliques associées aux grands compartiments de carbone, puis en suivant les variations de la taille et de la nature de ces derniers. Les analyses ont permis de confirmer la dégradation de différents stocks de carbone accumulés avant l’obscurité, ainsi que le ralentissement métabolique attendu. Les données de transcriptomique ont notamment permis de souligner l’importance des voies de dégradation de certains acides aminés ramifiés ou aromatiques. L’analyse des différentes familles de molécules a montré que les lipides et carbohydrates de réserve ont été dégradés à court et moyen termes, alors que les protéines, biomasse fonctionnelle, ont été recyclées dans un second temps, probablement pour pallier la diminution d’énergie provenant d’autres compartiments

Mécanismes physiologiques et moléculaires impliqués dans la survie de Fragilariopsis cylindrus (diatomée polaire) à une période d’obscurité prolongée

Thèse en cotutelle, doctorat interuniversitaire en océanographie, Université Laval, Québec, Université Paris-Saclay, Saint-Aubin, France.Les zones polaires sont caractérisées par des conditions environnementales extrêmes dont les variations mettent à rude épreuve les capacités d'acclimatation des organismes sessiles et planctoniques marins. L'un des grands défis rencontrés par les organismes autotrophes est de survivre dans aux longs mois d'hiver privés de lumière. Au printemps, les microalgues (eucaryotes majoritairement unicellulaires) ayant survécu forment d'importantes efflorescences (blooms) qui supportent la production estivale du reste du réseau trophique. Les diatomées, particulièrement bien adaptées aux zones océaniques turbulentes riches en nutriments, dominent la production primaire aux pôles. Elles sont souvent les premières à initier les efflorescences printanières, illustrant leur extraordinaire capacité à survivre à la nuit polaire, mais également à reprendre leur croissance après une très longue période d'inactivité. Bien qu'étudiés à de nombreuses reprises par le passé, les processus impliqués dans leur survie sont encore aujourd'hui mal connus. Le projet Green Life in the Dark, au sein duquel cette thèse a été réalisée, a pour but d'élucider les mécanismes physiologiques et génétiques impliqués dans la survie des diatomées pendant et juste après la nuit polaire. Pour ce faire, des cultures de Fragilariopsis cylindrus (diatomée polaire pennée) ont été soumises en laboratoire à quatre périodes d'obscurité longues d'un à cinq mois, chacune suivie d'une période de ré-illumination. F. cylindrus domine souvent la production des blooms en Arctique et en Antarctique. Elle peut par ailleurs croître attachée sous la glace, et dans la colonne d'eau, faisant d'elle une représentante pertinente des diatomées polaires. Son génome a également été publié. Nous nous sommes premièrement attelés à tester l'intérêt de l'utilisation de la cytométrie en flux dans l'étude de la survie. Cette technique a permis de suivre les variations de différents paramètres physiologiques des cultures au niveau de la cellule, une première dans ce champ de recherche. Les résultats ont permis d'illustrer l'importance de prendre en considération les potentielles variations interindividuelles au sein d'une population de cellules lors d'une acclimatation longue à l'obscurité. Après plusieurs semaines sans lumière, deux sous-populations dérivant de la population initiale ont pu être détectées, et leurs caractéristiques physiologiques étudiées. Trois causes de mortalité ont pu être identifiées. Les grands réservoirs de molécules riches en carbone (sucres, lipides et protéines) permettent de stocker les photosynthétats. L'utilisation de ces réserves permet aux organismes de compenser un déficit d'apports énergétiques exogènes, en fournissant les métabolites nécessaires au fonctionnement de la cellule. Associée à un ralentissement du métabolisme, cette stratégie est utilisée par certaines diatomées pour survivre à la nuit polaire. Cependant, les mécanismes sous-jacents restent mal compris. Le second objectif de cette thèse était donc, grâce une double approche, de suivre la gestion du métabolisme de F. cylindrus à l'obscurité. Premièrement, en étudiant la régulation de la transcription des voies métaboliques associées aux grands compartiments de carbone, puis en suivant les variations de la taille et de la nature de ces derniers. Les analyses ont permis de confirmer la dégradation de différents stocks de carbone accumulés avant l'obscurité, ainsi que le ralentissement métabolique attendu. Les données de transcriptomique ont notamment permis de souligner l'importance des voies de dégradation de certains acides aminés ramifiés ou aromatiques. L'analyse des différentes familles de molécules a montré que les lipides et carbohydrates de réserve ont été dégradés à court et moyen termes, alors que les protéines, biomasse fonctionnelle, ont été recyclées dans un second temps, probablement pour pallier la diminution d'énergie provenant d'autres compartiments.The polar regions are characterized by extreme environmental conditions whose variations challenge the acclimation capabilities of marine sessile and planktonic organisms. One of the major challenges faced by autotrophic organisms is to survive in darkness during the long winter months. In the spring, the surviving microalgae (mostly unicellular eukaryotes) form large blooms that support the rest of the food web for summer production. Diatoms, particularly well adapted to turbulent nutrient-rich oceanic zones, dominate primary production at the poles. They are often the first to initiate spring blooms, illustrating their extraordinary ability to survive the polar night, but also to resume growth after a very long period of inactivity. Although studied many times in the past, most of the processes involved in survival remain poorly understood. The Green Life in the Dark project, in which this thesis was carried out, aims at elucidating the physiological and genetic mechanisms involved in the survival of diatoms during and just after the polar night. To do so, cultures of Fragilariopsis cylindrus (polar pennate diatom) were subjected in the laboratory to four periods of darkness lasting from one to five months, each followed by a period of re-illumination. F. cylindrus often dominates bloom production in the Arctic and Antarctic. It can also grow attached under the ice and in the water column, making it a relevant representative of polar diatoms. Its genome has also been published. We first set out to test the value of using flow cytometry in the study of survival. This technique allowed us to follow the variations of different physiological parameters of the cultures at the single-cell level, a first in this field of research. The results illustrated the importance of considering the potential inter-individual variations occurring within a population of cells during a long acclimation to darkness. After several weeks in the dark, two subpopulations derived from the initial population were observed and their physiological characteristics studied. Three causes of mortality were identified. The large reservoirs of carbon-rich molecules (sugars, lipids and proteins) are used to store photosynthates. The use of these reserves allows organisms to compensate for a deficit in exogenous energy supply, by providing the metabolites necessary for the functioning of the cell. Associated with a slowing down of the metabolism, this strategy is used by some diatoms to survive the polar night. However, the underlying mechanisms remain poorly understood. The second objective of this thesis was therefore, through a dual approach, to follow the managment of the metabolism of F. cylindrus in the dark. First, by studying the regulation of the transcription of metabolic pathways associated with large carbon compartments, and then by following the variations of the size and nature of the latter. Analyses confirmed the degradation of different carbon stocks accumulated before darkness, as well as the expected metabolic slowdown. The transcriptomic data allowed to underline the importance of the degradation pathways of some branched and aromatic amino acids. The analysis of the different families of molecules showed that reserve lipids and carbohydrates were degraded in the short and medium term, while proteins, the functional biomass, were recycled in a second phase, probably to compensate for the decrease in energy from other compartments

The possible fates of Fragilariopsis cylindrus (polar diatom) cells exposed to prolonged darkness

At high latitudes, the polar night poses a great challenge to photosynthetic organisms that must survive up to six months without light. Numerous studies have already shed light on the physiological changes involved in the acclimation of microalgae to prolonged darkness and subsequent re-illumination. However, these studies have never considered inter-individual variability because they have mainly been conducted with bulk measurements. On the other hand, such long periods are likely to impact within-population selection processes. In this study, we hypothesized that distinct subpopulations with specific traits may emerge during acclimation of a population of diatoms to darkness. We addressed this hypothesis using flow cytometry, which allow to individually characterize large numbers of cells. The ecologically dominant polar pennate diatom Fragilariopsis cylindrus was subjected to three dark acclimation experiments of one, three, and five months duration, during which all cultures showed signs of recovery once light became available again. Our results suggest that darkness survival of F. cylindrus relies on reduction of metabolic activity and consumption of carbon reserves. In addition, flow cytometry allowed us to record three different causes of death, each shared by significant numbers of individuals. The first rendered cells unable to survive the stress caused by the return to light, probably due to a lack of sufficient photoprotective defenses. The other two were observed in two subpopulations of cells whose physiological state deviated from the original population. The data suggest that starvation and failure to maintain dormancy were the cause of cell mortality in these two subpopulations

Decoupling light harvesting, electron transport and carbon fixation during prolonged darkness supports rapid recovery upon re-illumination in the Arctic diatom Chaetoceros neogracilis

International audienceDuring winter in the Arctic marine ecosystem, diatoms have to survive long periods of darkness caused by low sun elevations and the presence of sea ice covered by snow. To better understand how diatoms survive in the dark, we subjected cultures of the Arctic diatom Chaetoceros neogracilis to a prolonged period of darkness (1 month) and to light resupply. Chaetoceros neogracilis was not able to grow in the dark but cell biovolume remained constant after 1 month in darkness. Rapid resumption of photosynthesis and growth recovery was also found when the cells were transferred back to light at four different light levels ranging from 5 to 154 µmol photon m−2 s−1. This demonstrates the remarkable ability of this species to re-initiate growth over a wide range of irradiances even after a prolonged period in the dark with no apparent lag period or impact on survival. Such recovery was possible because C. neogracilis cells preserved their Chl a content and their light absorption capabilities. Carbon fixation capacity was down-regulated (ninefold dark decrease in PCm) much more than was the photochemistry in PSII (2.3-fold dark decrease in ETRm). Rubisco content, which remained unchanged after one month in the dark, was not responsible for the decrease in PCm. The decrease in PSII activity was partially related to the induction of sustained non-photochemical quenching (NPQ) as we observed an increase in diatoxanthin content after one month in the dark