Role of non-phosphorus lipids in the architecture of plant and microalgae membranes
Rôle des lipides non-phosphorés dans l'architecture des membranes des plantes et des microalgues
Résumé
In the current context of ecological and energy transitions, microalgae are increasingly studied for their high lipid content, which can be used to produce biofuels. However, knowledge about the metabolism of microalgae is still limited. Higher plants and microalgae, although living in different places, are subject to environmental constraints, such as a lack of phosphate (Pi), a macronutrient essential for their development. To compensate for this deficiency, plants and microalgae modify the lipid composition of their membranes in order to remobilise the phosphate present in the phospholipids. This is why many data in the literature show an increase in non-phosphorus lipids to replace and compensate for a decrease in phospholipids. It is known that sulfoquinovosyldiacylglycerol (SQDG) replaces phosphatidylglycerol (PG), that digalactosyldiacylglycerol (DGDG) replaces phosphatidylcholine (PC), and in microalgae that lipid betaines appear to replace PC. Is the replacement of each phospholipid by a non-phosphorus lipid related to their similar structural properties in the membrane? It is within this framework of fundamental research into the understanding of lipid rearrangements that this thesis work is situated.The use of neutron diffraction on lipid films is a powerful tool to determine many structural parameters of the membranes, such as their organisation, thickness and thickness of the water layer between the membranes, as well as their stiffness and compressibility. In this project, we were able to show that PG and SQDG have very similar biophysical properties explaining their interchangeability during phosphate deficiency. Secondly, we tried to find an answer to the deformation of the chloroplast envelope observed in deficient plants, which seems to be related to the increase of DGDG in the membranes. The results suggest that DGDG makes the membranes more flexible and promotes their juxtaposition, but there is still insufficient data to conclude with certainty. We then highlighted that the properties of DGTS (1,2-diacylglyceryl-3-O-4'-(N,N,N-trimethyl)-homoserine), present in microalgae, are different from those of CP, including a thicker bilayer and stronger interlayer repulsion, which could explain its absence in seed plant membranes. Plants with a different fatty acid composition than microalgae, rich in C20 fatty acids and carrying up to 5 unsaturations, would not be able to counteract the effects of the polar head of the lipid betaines. A close link between the fatty acid composition and the presence of betaine lipids in the organism thus seems to emerge. Finally, in some microalgae, the presence of acyl-SQDG (ASQD) in the membranes could favour the docking of the membranes and thus the stacking of thylakoids in the chloroplast. However, the data obtained do not yet allow us to validate this hypothesis. Thus, the study of lipids and membranes using a physical approach has enabled us to provide answers to biological questions, thus improving our understanding of lipid remodelling in plants and microalgae during phosphate deficiency.
Dans le cadre actuel des transitions écologiques et énergétiques, les microalgues sont de plus en plus étudiées pour leur forte teneur en lipides, pouvant être utilisés pour la fabrication de biocarburants. Mais les connaissances sur le métabolisme des microalgues sont encore limitées. Les plantes supérieures et les microalgues, bien qu’habitant dans des endroits distincts, sont soumises à des contraintes environnementales, comme la carence en phosphate (Pi), un macronutriment essentiel pour leur développement. Pour pallier à cette carence, les plantes et les microalgues modifient la composition lipidique de leurs membranes afin de remobiliser le phosphate présent dans les phospholipides. C’est pourquoi, de nombreuses données de la littérature observent une augmentation des lipides non-phosphorés pour remplacer et compenser une diminution des phospholipides. Il est connu que le sulfoquinovosyldiacylglycérol (SQDG) remplace le phosphatidylglycérol (PG), que le digalactosyldiacylglycérol (DGDG) remplace phosphatidylcholine (PC), et chez les microalgues que les bétaines lipides semblent remplacer la PC. Est-ce que le remplacement de chaque phospholipide par un lipide non-phosphoré est lié à leur propriété structurale similaire dans la membrane ? C’est dans ce cadre de recherche fondamentale sur la compréhension des remaniements lipidiques que s’inscrit ce travail de thèse.L’utilisation de la diffraction des neutrons sur des films de lipides est un outil puissant permettant de déterminer de nombreux paramètres structuraux des membranes, comme leur organisation, leur épaisseur et celle de la couche d’eau entre les membranes, ainsi que leur rigidité et leur compressibilité. Dans ce projet, nous avons pu montrer que le PG et le SQDG ont des propriétés biophysiques très similaires expliquant leur interchangeabilité lors de la carence en phosphate. Ensuite, nous avons essayé d’apporter une réponse à la déformation de l’enveloppe du chloroplaste observée chez les plantes en carence, qui semblerait en lien avec l’augmentation du DGDG dans les membranes. Les résultats laissent supposer que le DGDG rend les membranes plus souples et favorise leur juxtaposition, mais les données sont encore insuffisantes pour pouvoir conclure avec certitude. Nous avons ensuite mis en lumière que les propriétés du DGTS (1,2‑diacylglycéryl-3-O-4'-(N,N,N-triméthyl)-homosérine), présents chez les microalgues, sont différentes de celles de la PC, avec notamment une bicouche plus épaisse et une répulsion entre bicouches plus forte, qui pourraient expliquer son absence dans les membranes des plantes à graines. Les plantes n’ayant pas la même composition en acides gras que les microalgues, riches en acides gras en C20 et portant jusqu’à 5 insaturations, ne seraient pas capables de contrebalancer les effets de la tête polaire des bétaines lipides. Un lien étroit entre la composition en acides gras et la présence des bétaines lipides dans l’organisme semble donc se dégager. Enfin, chez certaines microalgues, la présence de l’acyl-SQDG (ASQD) dans les membranes pourrait favoriser l’accolement des membranes et donc l’empilement des thylakoïdes dans le chloroplaste. Mais les données obtenues ne nous permettent pas encore de valider cette hypothèse. Ainsi, l’étude des lipides et membranes par une approche physique nous a permis d’apporter des éléments de réponses à des questions biologiques, permettant d’améliorer notre compréhension des remodelages lipidiques chez les plantes et les microalgues lors de la carence en phosphate.
Origine : Version validée par le jury (STAR)