Dissection génétique du déterminisme de la granulométrie de l’amidon chez Chlamydomonas reinhardtii

par Sylvain Laurent

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de David Dauvillée.

Soutenue le 12-12-2018

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Biologie-Santé (Lille) , en partenariat avec Unité de glycobiologie structurale et fondamentale (UGSF) (laboratoire) .


  • Résumé

    L’amidon est un polymère que l’on retrouve en abondance dans le domaine du vivant. Il s’agit en effet du principal polysaccharide de réserve des organismes photosynthétiques. Sa fonction de réserve énergétique fait de l’amidon un incontournable des alimentations animale et humaine du fait de sa présence dans les céréales, les tubercules ou encore les fruits. L’amidon occupe également une place importante dans l’industrie qu’elle soit alimentaire ou non puisqu’il est à l’origine des produits nécessitant des étapes de fermentation, sert d’additif alimentaire mais est également utilisé dans d’autres secteurs industriels allant de la papeterie aux cosmétiques. Plus récemment, l’amidon a également fait son entrée en plasturgie puisqu’il permet la synthèse de plastiques biodégradables et bio sourcés offrant une alternative aux produits issus de l’industrie pétrochimique. Il représente désormais une solution envisageable pour pallier la raréfaction des ressources fossiles. Dans le contexte qui est le nôtre, où les préoccupations environnementales pèsent lourdement sur notre avenir, ces nouveaux matériaux sont particulièrement prometteurs. Cependant, pour que ces produits remplacent les plastiques traditionnels à grande échelle beaucoup de travail reste à faire afin de les rendre plus compétitifs. En effet, les propriétés de ces nouveaux matériaux ne correspondent pas toujours aux exigences liées à leur utilisation dans l’industrie. Cependant des axes de progressions existent. On sait par exemple, que certaines des propriétés physico chimiques de ces matériaux sont intimement liées aux propriétés intrinsèques de l’amidon. En effet, la structure de l’amidon, sa taille, sa morphologie ou sa composition peuvent avoir des répercussions sur la qualité du produit fini. Les modifications chimiques de l’amidon ont également un impact sur ses propriétés et représentent un coût supplémentaire non négligeable. C’est pourquoi produire in vivo des amidons de structure ou de taille modifiée représente un véritable enjeu économique. C’est dans ce contexte que j’ai effectué mon travail de thèse. En effet, celui ci repose sur la découverte récente d’un nouveau mutant de l’algue Chlamydomonas reinhardtii qui arbore une distribution de tailles de grains d’amidon altérées. Dans un environnement favorable à sa croissance, C. reinhardtii accumule habituellement un amidon semblable à l’amidon transitoire des feuilles des plantes supérieures autour de son pyrénoïde. En condition de carence, cet amidon transitoire n’est plus détecté et une accumulation massive d’amidon dans le stroma prend place et finit par occuper la quasi-totalité de l’espace disponible mimant ainsi un organe de réserve tel qu’un tubercule. Le mutant bsg1, identifié à l’origine comme un mutant du catabolisme de l’amidon, présente en situation de carence azotée une accumulation atypique de grains d’amidon puisque deux populations de tailles distinctes sont identifiées. Ce mutant arbore un phénotype original encore non décrit à ce jour puisqu’il affiche une distribution bimodale de ses grains d’amidon, à la place de la distribution unimodale normalement observée. L’étude de ce mutant nous ouvre une voie de compréhension des mécanismes moléculaires permettant aux plantes de contrôler la taille des grains d’amidon qu’elles produisent. La mutation portée par cette souche a été identifiée par des approches de biologie moléculaire. Les analyses génétiques et de complémentation fonctionnelle effectuées nous ont permis de révéler l’origine de ce phénotype unique à ce jour dans le règne végétal.

  • Titre traduit

    Genetic dissection of starch granulometry in Chlamydomonas reinhardtii


  • Résumé

    Starch is one of the major polymer found in the plant kingdom. Indeed, it represents the main storage polysaccharide in photosynthetic organisms which allows them to sustain growth even in the dark. Starch is also the main energetic sources allowing the birth of the next plants generation. It represents one of the major source for both animal and human nutrition as it is found in cereals, tubers or fruits. Starch is widely used in food industry such as bakery and brewery but also served as additive in many derived products. This polymer of glucose is also broadly used in non-food sector such as paper mills industry or cosmetics. Starch was recently used for producing new biodegradable and bio-based plastics. In our context of fossil resources depletion, these new materials offer a good alternative to replace the products arising from the petrochemical industry. However, the replacement of traditional plastics on a large scale by these eco-friendly materials require many improvements. Indeed, their properties do not always match the requirements related to their industrial use. Nonetheless, it is known that the physicochemical properties of these products are closely related to the starch properties themselves. Several starch characteristics such as its size, its morphology or its composition can affect the end product quality. Moreover, starch chemical modifications represent a significant additional cost. Therefore, producing in vivo starches, with modified sizes or structures represents a real economic challenge. In this work, I analysed the phenotype of a new mutant harbouring a unique phenotype in the model algal Chlamydomonas reinhardtii. These algae are able to either produce transitory starch around their pyrenoid under unrestricted growth conditions, or storage starch under adverse growth conditions. When subjected to nitrogen starvation, C. reinhardtii cells are rapidly filling the stromal compartment with numerous starch granules. The bsg1 mutant strain, first identified as a starch catabolism mutant, displays an original phenotype under nitrogen starvation. Indeed, it accumulates two distinct starch granules populations of different sizes leading to an abnormal bimodal distribution. This mutant represents a valuable tool to try to decipher molecular mechanisms controlling the sizes of the starch granules produced by plants. The mutation carried by this strain has been identified using molecular biology tools and genetics and complementation experiments allowed us to unravel the underlying mechanisms responsible of this unique phenotype.


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