Etude des relations entre division cellulaire et métabolisme des triglycérides chez les plantes et les microalgues

Relationships between cell division and triglyceride metabolism in plants and microalgae

• Auteur / Autrice : Coline Meï
• Direction : Fabrice Rébeillé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Végétale
• Date : Soutenance le 25/10/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physiologie cellulaire végétale (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Pfannschmidt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Van der Straeten, Frédéric Domergue
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sébastien Baud, Didier Marion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Division cellulaire végétale

Métabolisme

Triglycérides

Biocarburants

Mots clés libres

Métabolisme des triglycérides

Algue

Division cellulaire

Plantes

Biocarburant

Triglycerides metabolism

Algae

Cell division

Plants

Biofuel

Résumé

Trouver des solutions aux carburants fossiles est un des grands challenges du XXIème siècle. Les plantes et les microalgues sont capables de produire de l’huile, facilement convertible en biodiésel. Afin d’optimiser la production de biocarburant, il est essentiel de connaitre les mécanismes cellulaires menant à la formation de ces lipides de réserve aussi appelés TAG (Triacylglycérides). En condition physiologique, le flux de lipide est naturellement orienté vers la synthèse de lipides membranaires qui permettent de créer de nouvelles membranes lors de la division cellulaire. Le manque de nutriments disponibles est une condition souvent rencontrée par les végétaux terrestres et les microalgues. Chez ces dernières, lors d’une en carence d’azote, la croissance cellulaire est ralentie et les TAG s’accumulent. Le flux de lipides, normalement orienté vers la synthèse de nouvelles membranes, est-il alors basculé vers la synthèse des lipides de réserve ? Pour vérifier cette hypothèse, une gamme de composés connus pour arrêter la croissance cellulaire a été testée sur la plante supérieure Arabidopsis thaliana selon une stratégie de génétique chimique. Quel que soit le traitement, l’inhibition de la croissance est toujours accompagnée par une augmentation de la teneur en TAG. Parmi les inhibiteurs, le méthotrexate, qui réprime l’enzyme dihydrofolate réductase impliquée dans le métabolisme C1, induit une augmentation des lipides de réserve jusqu’à 15 fois la valeur du contrôle. Ce traitement a été comparé à une carence en azote, qui dans nos conditions expérimentales, ralentie la croissance cellulaire et augmente d’un facteur 60 la teneur en TAG. L’analyse des profils lipidiques révèle que la déficience en azote engendre une diminution des classes de lipides membranaires -phospholipides et galactolipides, au profit des TAG, tandis que le traitement méthotrexate n’est pas associé à un remaniement membranaire. Néanmoins, les deux conditions partagent des similitudes, comme le taux d’insaturation des acides gras et l’expression des gènes des désaturases qui sont modifiés. La forte expression des gènes codant pour les Non Spécific Phospholipases C (NPC4/5), ainsi que des expériences de pulse-chase avec de la phosphatidylcholine (PC) marquée, ont mis en évidence que ce phospholipide est plus utilisé pour produire des TAG dans les deux traitements, qu’en condition contrôle. Afin d’évaluer plus finement l’importance des enzymes NPC4 et 5 dans le métabolisme d’accumulation des lipides de réserve, la construction de lignées mutantes d’A. thaliana (surexpresseur ou knock-out) a été amorcée. Les microalgues sont des modèles puissants pour les biocarburants de 3ème génération. Pour cette raison nous avons testé l’effet d’une déficience minérale et l’impact de différents inhibiteurs de croissance sur l’accumulation de TAG chez la microalgue Phaeodactylum tricornutum. Les résultats préliminaires suggèrent que la sensibilité aux inhibiteurs peut être différente chez les diatomées et les plantes supérieures.

Alternatives to fossil fuel are one of the biggest challenges of the 21st century. Plants and microalgae are able to produce oil which is easily convertible in biodiesel. In order to optimise the biofuel production it is necessary to know the cellular mechanisms leading to the setting up of these storage lipids or TAG (Triacylglycerides). In its physiological condition, the lipid flux is naturally orientated towards the membrane lipid synthesis, which allows the creation of new membranes which occurs during the cell division. Nitrogen deficiency, a condition often encountered by plants and algae, is known to induce cell growth to slow down and an accumulation of TAG in microalgae models. Is the lipid flux, which is conventionally orientated towards new membrane synthesis, tipped over the storage lipid synthesis? To check this hypothesis, a range of compounds known to stop the cell growth was tested on the higher plant model Arabidopsis thaliana, according to a chemical genetic strategy. All treatments showed a rise of the TAG content associated to a cell growth inhibition. Among them, the methotrexate inhibit the dihydrofolate reductase enzyme involved in the C1 metabolism and induced a TAG accumulation up to 15 times the control. This treatment was compared to a nitrogen starvation condition, which in our experiments slowed down the cell growth and induced an increase of 60 times to the TAG content. The lipid profile analysis revealed that the nitrogen deficiency led to a decrease of membrane lipids -phospholipids and galactolipids, in favour to TAG, whereas the methotrexate treatment was not associated to any membrane remodelling. Nevertheless, both conditions shared similarities, as the modifications of the fatty acid insaturation profile and the expression of desaturase genes. The strong gene expression of Non Specific phospholipases C (NPC4/5) and pulse-chase experiments performed with a labelled phosphatidylcholine (PC), highlighted the predominant involvement of this phospholipid in the TAG production which occurs during the two treatments. In order to evaluate the NPC role in the storage lipid metabolism more closely, A. thaliana mutant lines for NPC4 and NPC5 (over-expressers and knock-out) were initiated. Microalgae are powerful models for the third generation of biofuels. For this reason we tested the impact of a nutrient deficiency as well as the effect of different growth inhibitors on the TAG accumulation in the marine microalgae Phaeodactylum tricornutum. Preliminary results suggested that the inhibitor sensibility can be different between diatoms and higher plants.