​Chez les plantes, le thylakoïde est un réseau de membranes contenu dans le chloroplaste, renfermant la chlorophylle, et dans lequel est initiée la photosynthèse, un processus hautement régulé, sensible aux variations environnementales et lumineuses. Grâce à de nombreuses études en microscopie électronique, l'organisation interne de la membrane des thylakoïdes (granum) est désormais connue et on sait que cette architecture membranaire joue un rôle majeur dans la régulation de la photosynthèse. Cependant, la question du contrôle du flux d'énergie au cours des premières étapes de la photosynthèse n'est pas résolue et, idéalement, l'imagerie de cellules vivantes permettrait de visualiser les structures et les processus in vivo ou dans un état proche de l'état natif. L'imagerie par fluorescence est une méthode de choix pour observer les membranes photosynthétiques, puisqu'il n'est pas nécessaire de recourir à des procédures de coloration ou de marquage, l'architecture fonctionnelle de la membrane thylakoïde dans les chloroplastes pouvant être examinée par le biais de la fluorescence naturelle des molécules de chlorophylle.

Dans ce travail, les chercheurs ont utilisé une méthode de microscopie de fluorescence sur mesure appelée Single Pixel Reconstruction Imaging (SPiRI) qui offre un gain de 1,4 en résolution latérale et axiale par rapport à la microscopie de fluorescence confocale et permet également la reconstruction volumétrique en 3D à partir des images de fluorescence en 2D. L'architecture 3D des thylakoïdes, révélant le réseau complet de la membrane photosynthétique dans les chloroplastes intacts, non fixés chimiquement, a pu être visualisée à partir des reconstructions de volume obtenues à haute résolution sur des chloroplastes isolés de pois (Pisum sativum), d'épinards (Spinacia oleracea) et de la plante modèle Arabidopsis thaliana. En accord avec les études précédentes, les images SPiRI révèlent des diamètres des empilements de la membrane thylakoïde plus importants lorsque les plantes ont été soumises à des régimes de faible luminosité. Les connexions stromales entre chaque granule ont également pu être déterminées et l'intensité de la fluorescence dans les lamelles stromales comparée à celle des granules voisins.

Illustration 3D de la structure d'un chloroplaste © GettyImages/Tumeggy​

Avec leur approche originale SPiRI, les chercheurs ont obtenu, avec une très bonne résolution, la structure 3D des membranes thylakoïdes de chloroplastes intacts. Un pas vers une meilleure compréhension du rôle des thylakoïdes au cours de l'adaptation photosynthétique des plantes à leur environnement.

Contacts : Bruno Robert (bruno.robert@cea.fr); Andrew Gall (andrew.gall@cea.fr)