Characterization of lipid metabolism in the marine diatom Phaeodactylum tricornutum

par Heni Abida

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Chris Bowler.

Le président du jury était Jacqui Shykoff.

Le jury était composé de Chris Bowler, Jacqui Shykoff, Eric Ruelland, Tomas Morosinotto, Catherine de Vitry, Jean-Paul Cadoret.

Les rapporteurs étaient Eric Ruelland, Tomas Morosinotto.

  • Titre traduit

    Caractérisation du métabolisme des lipides de la diatomée marine Phaeodactylum tricornutum


  • Résumé

    L’océan domine la surface de notre planète et joue un rôle majeur dans la régulation de notre biosphère. Par exemple, les microorganismes photosynthétiques vivant dans l’océan produisent 50% de l’oxygène que nous respirons tous les ans, et une grande partie de notre alimentation et des ressources minérales en proviennent. En cette époque de crise écologique liée à l’accumulation anthropogénique de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, il est impératif de développer des énergies plus durables que les carburants fossiles. Le biodiesel pourrait être une source de carburant viable et durable pour remplacer le pétrodiesel mais jusque-là, nos efforts visant à produire des lipides à base de microalgues se sont essentiellement concentrés sur des algues vertes. Dans cette thèse je propose des méthodes pour mieux caractériser une autre catégorie de microalgue : les diatomées. Les diatomées sont une composante importante du phytoplancton et contribuent 40% de la production marine de biomasse primaire. Les diatomées accumulent des lipides en réponse à la carence en nutriments, et même si elles semblent accumuler tout autant de lipides que les microalgues vertes, les voies métaboliques menant à l’accumulation de lipides sont encore peu connues.Dans cette thèse je décris notre caractérisation du glycerolipidome de la diatomée modèle Phaeodactylum tricornutum ainsi que notre étude du remodelage de lipides suite à la carence d’azote ou de phosphate. Des accessions de P. tricornutum isolées dans différentes régions de l’océan ont aussi été étudiées afin de comparer leurs réponses au stress nutritif. Nous avons trouvé que la réponse métabolique menant à l’accumulation de lipides en carence d’azote ou de phosphate est différente. En effet, la carence en azote semble déclencher le recyclage des galactoglycerolipides chloroplastiques ainsi qu’une augmentation de la biosynthèse de novo d’acides gras, alors que la carence en phosphate est plus sévère car nous avons observé une accumulation plus significative de triacylglycerols ainsi que la déplétion totale des phospholipides. De plus, nous avons observé des réponses au stress différentes entre les accessions de P. tricornutum, et en particulier concernant leur capacité à accumuler des lipides. Nous proposons l’hypothèse que ces différences sont liées à leur aptitude à recycler du carbone issu de molécules de stockage non lipidiques.Des approches génomiques ont permis de nombreuses avancées pour mieux comprendre le métabolisme des lipides de microalgues mais notre compréhension des voies de biosynthèse de lipides chez les diatomées est encore limitée. Il y a eu diverses tentatives de caractérisation de la réponse au stress de carence par approche transcriptomique mais l’étude de ces données est incomplète du fait de l’annotation insuffisante des gènes encodant les voies métaboliques pertinentes. Ainsi, dans cette thèse je décris nos tentatives d’annotation de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides de P. tricornutum ainsi que les approches d’ingénierie génétique visant à mieux caractériser certains de ces gènes. J’ai également utilisé notre nouvelle annotation de gènes impliqués dans le métabolisme des lipides pour effectuer une étude comparative de plusieurs transcriptomes de P. tricornutum en conditions de carence trouvés dans la littérature. J’ai ainsi pu produire une liste de gènes potentiellement impliqués dans l’accumulation de lipides. Enfin, nous avons pu utiliser ces données pour aider l’interprétation de données génomiques et transcriptomiques issues de la diatomée oléagineuse Fistulifera solaris afin de mieux comprendre comment elle accumule des quantités importantes de lipides pour des applications dans le secteur des biotechnologies et des bioénergies.


  • Résumé

    The ocean dominates the surface of our planet and plays a major role in regulating the biosphere. For example, the microscopic photosynthetic organisms living in the ocean provide 50% of the oxygen we breathe every year, and much of our food and mineral resources are extracted from the ocean. In a time of ecological crisis linked to the accumulation of anthropogenic greenhouse gases in the atmosphere, we must investigate more sustainable energies than fossil fuels. Much attention has been given to biodiesel but so far most efforts to efficiently produce triacylglycerols in microalgae have focused on green algae. In this thesis I propose approaches to better understand another type of microalgae that is significantly divergent from green lineages: diatoms. Diatoms are a major phylum of phytoplankton in the ocean and account for 40% of marine primary productivity. While diatoms appear to be at least as effective as green algae for producing lipids, the fatty acid and glycerolipid biosynthetic pathways leading to their production have not yet been well characterized. Therefore, I propose to better characterize these pathways in the model diatom Phaeodactylum tricornutum in order to help unlock the potential of diatoms for lipid-based biotechnological applications.In this thesis, I discuss our attempts to establish a reference for the glycerolipidome of P. tricornutum and of our assessment of the lipid remodeling and accumulation that occurs in response to nitrogen- and phosphorus-starvation. A range of accessions of P. tricornutum isolated from different parts of the ocean were also examined to compare their responses to nutrient deprivation. We found that the metabolic response leading to lipid accumulation in different nutrient-deprived conditions are distinct. Nitrogen-deprivation appears to trigger the recycling of chloroplastic galactoglycerolipids as well as a strong increase in de novo fatty acid synthesis while the response to phosphorus-deprivation was more severe as we observed a higher triacylglycerol pool and the complete depletion of phospholipids. Furthermore, we observed several differences among accessions of P. tricornutum regarding their ability to accumulate triacylglycerol in response to nutrient starvation and propose the hypothesis that these differences are linked to their ability to recycle intracellular carbon from non-lipid storage molecules.Genome-enabled approaches have also allowed significant steps towards elucidating the lipid metabolism of microalgae in the past decade, but our understanding of diatom metabolic pathways is still limited compared to that of other microalgae and higher plants. There have been several attempts to characterize the stress response in P. tricornutum by using transcriptomic approaches but this data is difficult to exploit to its full potential without a better annotation of genes encoding the relevant pathways. Therefore, in this thesis I discuss our attempts to annotate P. tricornutum lipid metabolism genes. Based on this annotation I have attempted to better characterize a selection of genes by genetic engineering and have pursued a comparative study of several published transcriptomes of P. tricornutum in nutrient deprived conditions to produce a list of candidate genes likely to be involved in triacylglycerol accumulation. Finally, we used this data to help interpret genome and transcriptome data of the newly sequenced oleaginous diatom Fistulifera solaris to help understand how it accumulates unusually high amounts of triacylglycerol for applications in the biotechnology and bioenergy industry.


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