Exploration par métabolomique d’innovations du métabolisme spécialisé des plantes : une étude de la chimiodiversité, biosynthèse et des fonctions anti-herbivores des N-acylnornicotines du genre Nicotiana

Metabolomics-centered exploration of plant specialized metabolism innovations : a case-study on the chemodiversity, biosynthesis and anti-herbivory functions of N-acylnornicotines in the genus Nicotiana

• Auteur / Autrice : David Elser
• Direction : Emmanuel Gaquerel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie
• Date : Soutenance le 22/06/2023
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences de la vie et de la santé (Strasbourg ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie moléculaire des plantes (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Julie Chong
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophie Tomasi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : John D'Auria, Ahmed-Mehdi Beniddir

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acyltransférases

Biosynthèse

Plantes -- Métabolites

Mots clés libres

N-acyl-nornicotines

Acyltransférases de la super-famille des BAHD

Métabolomique computationelle

Nicotiana

N-acyl-nornicotines

BAHD acyltansferases

Plant computational metabolomics

Nicotiana

Résumé

Les plantes s’adaptent à leur environnement via l’acquisition d’innovations métaboliques clés. Celles-ci sont ainsi reflétées dans la capacité fascinante des plantes à innover de nouvelles voies de biosynthèse pour la production de métabolites spécialisés structurellement divers et dont beaucoup agissent comme des boucliers chimiques contre des stress biotiques et abiotiques. Cette thèse a eu pour ambition d’employer une approche interdisciplinaire pour explorer divers aspects de l'évolution, de la biosynthèse et des fonctions anti-herbivores des métabolites spécialisés de plantes (MSPs). Ces travaux présentent notamment des développements nouveaux en métabolomique computationnelle pour étudier la diversité chimique des MSPs en utilisant la classe des N-acyl-nornicotines (NANNs) du genre Nicotiana comme cas d’étude principal. Ces travaux démontrent que cette innovation métabolique précède l'événement d'allopolyploïdisation à l’origine des espèces de la section Repandae, que la diversité en NANNs est bien plus large que précédemment envisagée et que ceux-ci sont présents chez la majorité des espèces du genre Nicotiana. Un autre axe de cette thèse traite de la biosynthèse des NANNs et a conduit à l’identification de NAT1, une nouvelle acyltransférase BAHD très fortement active dans les trichomes glandulaires de trois espèces de la section Repandae. De plus, nous avons examiné l'évolution de NAT1 dans le genre Nicotiana ainsi que le métabolisme post-ingestif et mode d’action des NANNs comme métabolites défensifs contre la larve de l’insecte herbivore Manduca sexta. Enfin, nous présentons une nouvelle méthode basée sur les réseaux de neurones profonds pour la prédiction rapide des structures et groupes fonctionnels à partir de spectres MS/MS à haute résolution. En conclusion, cette thèse couvre divers disciplines avec pour objectif de développer de nouveaux outils et concepts pour répondre à des questions fondamentales sur le métabolisme spécialisé des plantes.

Plants adapt to their environments by diversifying their phenotypes in various ways. This diversification is intimately linked and reflected in plants’ fascinating capacity to evolve biosynthetic pathways for a spectacular number of structurally diverse specialized metabolites, many of which acting as chemical shields against stresses. This thesis illustrates how multidisciplinary aspects of the evolution, biosynthesis and anti-herbivory functions of plant specialized metabolites (PSMs) can be approached and studied. We report on state-of-the-art metabolomics methods to study PSMs chemical diversity and demonstrate their use on the exploration of N-acyl-nornicotines (NANNs) of the genus Nicotiana as a case study. Here, we demonstrate, contrary to previous views, that this metabolic innovation predates the Repandae allopolyploidization event and that NANNs are a more common trait in the genus Nicotiana. In addition, we show that the NANN chemodiversity is much greater than previously known. Another main objective of this thesis dealt with the identification of NAT1, a novel BAHD N- acyltransferase involved in the biosynthesis of NANNs and active in the glandular trichomes of three species of the Repandae section. Furthermore, we investigated the evolution of NAT1 in the genus Nicotiana. In addition, we also explored the metabolic fate of these defensive metabolites in the herbivorous insect larva Manduca sexta. Finally, we report on a new deep neural network-based method for rapid structure and functional group prediction of high-resolution MS/MS spectra, an aid for future plant metabolomic studies. In conclusion this thesis advances within several disciplines to answer fundamental questions about PSMs.