Les microalgues accumulent de grandes quantités d’huile, et sont de bons candidats pour la production de biocarburants. Mais des verrous techniques et biologiques doivent être levés pour une production rentable. Augmenter la teneur en huile par cellule et découvrir des protéine clés du métabolisme des triglycérides sont des objectifs importants. Nous avons mis en place une approche de génétique classique ciblée sur l’isolement de mutants d’insertion affectés dans la remobilisation des lipides de réserves suite à la re-supplémentation en azote après carence. Nous avons mis au point un protocole de criblage à haut débit basé sur la semi-quantification de ces lipides qui nous a permis d’isoler plus de 30 mutants. Nous avons identifié les loci d’insertion pour certains en utilisant la méthode Genome Walker. Le marqueur de résistance à l’antibiotique a été trouvéé dans des gènes codant pour des kinases, une protéine de type polycystine avec répétitions d’un domaine homologue de type lipoxygénase, des protéines du métabolisme de l’amidon, ou encore une méthyltransférase. Ces mutants forment un set de candidats devant être validés par complémentation pour une meilleure compréhension du métabolisme des lipides. Nous avons vu que la plupart des mutants défectueux dans la remobilisation des lipides de réserve sont aussi affectés dans celle de l’amidon. Ce lien potentiel entre les 2 processus est renforcé par le fait que dans 2 mutants connus de synthèse de l’amidon nous avons pu mettre en évidence un défaut de remobilisation des triglycérides. Ainsi, nous avons montré un lien d’interdépendance entre les dégradations des 2 formes majoritaires de réserves carbonées des microalgues. / Microalgae are able to accumulate high amounts of oil reserves, which make them promising candidates for biofuel production. Nevertheless, some technical and biological bottlenecks have to be overcome before a profitable industrial production. Increasing oil content per cell and discovering key proteins of oil metabolism is a major goal. We took a forward genetic approach and focused on isolating insertional mutants affected in oil remobilization following nitrogen resupply after a starvation phase. We setup and developed a medium- to highthroughput semi-quantitative oil content screening protocol, which has enabled isolation of >30 mutants. We identified the insertion loci in some of these mutants through the “genome walker” PCR-based method. The antibiotic marker was found to be inserted in genes encoding various proteins including serine-threonine kinases, a polycystin-related protein containing repetitions of a lipoxygenase homology domain, an E3 ubiquitin ligase, a starch metabolism protein and a methyltransferase. Mutants isolated provide a first set of candidate genes that remain to be validated by complementation and should contribute to a better understanding of lipid homeostasis in green microalgae. During the course of this work, we observed that most mutants defected in oil remobilization were also impaired in starch degradation. The occurrence of a link between the degradation of starch and oil was further strengthened by the fact that in two known starch-less mutants the oil remobilization process was found to be defected. This is the first evidence of an interdependency between the degradation processes of the major types of carbon reserves in microalgae.

Chez la plante modèle Arabidopsis, le processus de maturation de la graine et, en particulier, l’accumulation de composés de réserves (huile et protéines de réserve) sont étudiés depuis de nombreuses années. Si les voies de biosynthèse conduisant à l’accumulation de tels composés sont bien décrites, leur régulation est encore largement méconnue. Mon travail de thèse s’inscrit dans un projet de recherche dont le but est d’identifier de nouveaux régulateurs transcriptionnels de la maturation de la graine d’Arabidopsis. Après avoir réalisé une étude comparative du processus de maturation chez les deux zygotes de la graine, embryon et albumen, nous avons caractérisé un facteur de transcription appelé MYB118, exprimé spécifiquement dans l’albumen et potentiellement impliqué dans la régulation du processus de maturation. Son patron d’expression, finement caractérisé, montre un pic d’accumulation d’ARNm en début de maturation de la graine, plus spécifiquement dans l’albumen. Des études menées sur des lignées mutantes ou surexprimant LEAFY COTYELDON2 (LEC2) révèlent que l’expression de MYB118 est activée par ce régulateur maître de la maturation de la graine. Une analyse biochimique de graines myb118 montre que le contenu en huile et en protéines de réserve est doublé dans l’albumen et réduit dans l’embryon de ce mutant par comparaison aux graines sauvages. Finalement, une analyse transcriptomique effectuée sur des graines myb118 a permis d’identifier des cibles putatives dont la dérégulation pourrait expliquer le phénotype : MYB118 semble être un répresseur de l’accumulation de composés de réserve dans l’albumen. Comme la famille de facteurs de transcription à laquelle appartient MYB118 comprend de nombreux membres, nous nous sommes intéressés au patron d’expression et au rôle de ses paralogues les plus proches. L’un d’entre eux, appelé MYB115, est exprimé spécifiquement dans l’albumen chalazal et semble avoir une fonction partiellement redondante à celle de MYB118. / In the model plant Arabidopsis thaliana, seed maturation and more especially the accumulation of storage compounds such as oil and seed storage proteins (SSP) have been widely studied. Although the biosynthetic networks underlying the accumulation of such compounds are now well described, regulation of these pathways remains poorly understood. My Ph.D. project is a part of a research program aimed at identifying new transcriptional regulators of seed maturation in Arabidopsis. After a comparative analysis of maturation processes in the two zygotic tissues of the seed, namely the embryo and the endosperm, we have characterized MYB118, an endosperm-specific transcription factor, putatively involved in the regulation of this maturation process. A fine and comprehensive characterization of its expression pattern showed a peak of expression at the onset of the maturation phase in the endosperm. Expression studies carried out in LEAFY COTYLEDON2 (LEC2) mutant and over-expressing lines demonstrated that MYB118 expression is positively regulated by this master regulator. Biochemical analysis of myb118 seeds showed that oil and SSP contents were doubled in the endosperm fraction and decreased in the embryo of this mutant compared to the wild type. A transcriptomic analysis of myb118 mutant seeds point out some putative targets, the misregulation of which could explain this phenotype: MYB118 seems to be a repressor of storage compounds accumulation in the endosperm.Since MYB118 belongs to the broad family of MYB transcription factors, we investigated the expression pattern and the role of its closest paralogs. One of them, called MYB115 is expressed specifically in the chalazal endosperm and seems to have partially redundant functions with MYB118.

La picoalgue verte marine Ostreococcus tauri est un eucaryote minimal développé en système modèle et qui a servi de ressource de gènes en biologie des lipides. Des informations détaillées sur ces caractéristiques lipidiques étaient cependant manquantes. Lors de ma thèse j’ai caractérisé le glycérolipidome d’O. tauri et ai cherché à déterminer quelles sont les cibles enzymatiques responsables de la dynamique des acides gras (FA) et de la régulation du métabolisme lipidique en réponse à des modifications de l’environnement (carences nutritives et refroidissement). O. tauri présente des caractéristiques uniques de composition en lipides et en FA mixtes entre les algues vertes et les Chromalveolates, et a été validé comme espèce modèle pour la classe des Mamiellophyceae. L’acide docosahexaénoïque (DHA) est confiné dans les lipides présumés extraplastidiaux : le phosphatidyldimethylpropanethiol (PDPT) et le bétaïne-lipide diacylglyceryl-hydroxymethyl-trimethyl-β-alanine (DGTA), tous deux marqueurs lipidiques des Chromalveolates. Les lipides plastidiaux de type procaryotique sont caractérisés par une prépondérance de FA polyinsaturés (PUFA) en C18 n-3, le 18:5 n-3 étant restreint aux galactolipides. Le 16:4 n-3, PUFA typique des galactolipides des microalgues vertes, est également un composant majoritaire des lipides extraplastidiaux chez O. tauri. Les triacylglycérols (TAG) présentent tout le panel d’acides gras d’O. tauri et leurs combinaisons moléculaires indiquent une origine plastidiale majoritaire. La carence azote provoque une forte accumulation de TAG, notamment des espèces présentant des combinaisons sn-1/sn-2 en 18:X/16:X et s'accompagne d'un transfert de carbone du phosphatidylglycérol (PG) et du monogalactosyldiacylglycérol (MGDG) aux TAG ce qui indique une contribution croissante de la voie plastidiale à la synthèse des TAG. Des expériences préliminaires de RT-qPCR sur des gènes du métabolisme des TAG révèlent une forte activation transcriptionnelle de certaines diacylglycérol acyltransférases (DAGT). Les carences nutritives répriment sévèrement l’activité Δ6 désaturase, générant une inversion du ratio 18:3/18:4 dans les lipides plastidiaux qui se répercute dans les TAG. La régulation fine et dynamique de ce ratio suggère un rôle important du 18:3 et du 18:4 dans les membranes plastidiales. Le refroidissement engendre une augmentation spécifique du 18:5 des galactolipides. La recherche active de la désaturase responsable de ce phénotype par une approche d'expression de gènes candidats en systèmes homologue et hétérologues (S. cerevisiae, N. Benthamiana) a conduit à l’indentification de deux Δ6 désaturases plastidiales jamais caractérisées dans d'autres systèmes. Celles-ci possèdent des spécificités non redondantes et originales entre elles et par rapport à l'acyl-CoA-Δ6 d'O. tauri. / The marine green picoalga Ostreococcus tauri is a minimal eukaryote implemented as model system that has been used as gene resource for lipid biology. Detailed information about its lipidic features was however missing. During my PhD, I characterized O. tauri glycerolipidome and associated dynamics under environmental stresses such as nutrient starvations and chilling and investigated transcriptional variations of putative target enzymes responsible for these changes. O. tauri which could be validated as model for related species of the class Mamiellophyceae, was found to display unique lipidic features related to both green and Chromalveolates microalgae. Docosahexaenoic acid (DHA) is confined to presumed extraplastidial lipids i.e. phosphatidyldimethylpropanethiol (PDPT) and the betaine lipid diacylglyceryl-hydroxymethyl-trimethyl-β-alanine (DGTA); all of these compounds are hallmarks of Chromalveolates. Plastidial lipids found to be of prokaryotic type are characterized by the overwhelming presence of C18 n-3 polyunsaturated FA (PUFA), 18:5 n-3 being restricted to galactolipids. C16:4 n-3, an FA typical of green microalgae galactolipids, also was a major component of O. tauri extraplastidial lipids. Triacylglycerols (TAGs) display the complete panel of FAs, and their molecular combinations designate a major plastidial origin of DAG precursors. Nitrate starvation greatly increases TAG content, in particular 18:X/16:X (sn-1/sn-2) combinations, and was associated with the transfer of carbon from phosphatidylglycerol (PG) and monogalactosyldiacylglycerol (MGDG) to TAG indicating an increased contribution of the plastidial pathway to the TAG synthesis. Preliminary RT-qPCR experiments on TAG metabolism genes revealed an important transcriptional activation of some diacylglycerol acyltransferases (DGAT). Nutrient starvations severely repress Δ6 desaturase activity and result in the inversion of the 18:3/18:4 ratio in plastidial lipids that was feedback into TAG. The fine-tuning and dynamic regulation of the 18:3/18:4 ratio suggests an important physiological role of these FAs in photosynthetic membranes. Chilling generates an increase of 18:5 in galactolipids. The active quest for the desaturases responsible for this phenotype was achieved by expressing candidate genes in homologuous and heterologous (S. cerevisiae, N. Benthamiana) systems and led to the identification of two yet uncharacterized plastidial Δ6 desaturases. These desaturases display original and non-redundant specificity between each other and with the previously characterized in O. tauri Δ6 acyl-CoA desaturase.

Les bétaïne lipides (BL) sont des lipides polaires qui se distinguent des phospholipides (PL)par l’absence de phosphore (P). La réorientation métabolique induite par une limitation en P chez des microalgues produisant des BL (Tisochrysis lutea et Diacronema lutheri, Haptophytes) ou en produisant peu (Phaeodactylum tricornutum, Bacillariophyte) a été comparée à celle induite par une limitation en azote (N). Le devenir et le flux de carbone dans différentes voies de biosynthèse ont été étudiés par une approche pluridisciplinaire.La limitation nutritive en P ou en N affecte différemment le métabolisme du carbone selon les espèces microalgales. La limitation en P réduit fortement l’activité photosynthétique et la respiration chez P. tricornutum et T. lutea. Par conséquent, l’accumulation de carbone est plus élevée que sous limitation en N chez ces deux espèces. Les deux limitations stimulent en particulier la synthèse des lipides neutres et / ou des glucides. Le remplacement des PL par les BL a été observé chez P. tricornutum en condition de limitation en P. Ce résultat est en accord avec une augmentation de la transcription du gène codant la bétaïne lipide synthase. En revanche, cette limitation ne modifie pas les teneurs en BL rapportées au carbone chez T. lutea et D. lutheri. La composition en acides gras des différentes classes lipidiques est modifiée selon l’espèce microalgale et l’élément nutritif limitant. Une attention particulière a été portée aux acides gras de la série oméga-3, notamment l’acide eicosapentaénoïque (EPA, 20:5 ω3) et l’acide docosahexaénoïque (DHA, 22:6 ω3) dont les proportions varient en fonction de l’élément limitant,de l’espèce et de la classe lipidique. L’augmentation de la production des lipides neutres et / ou des lipides polaires, notamment des bétaïne lipides, riches en DHA et/ou EPA induite par un stress nutritif laisse envisager une valorisation de ces molécules d’intérêt dans différents domaines dont la nutrition et la santé. / Betaine lipids (BL) are P-free polar lipids, conversely to phospholipids (PL). The metabolic reorientation induced by phosphorus (P) limitation in microalgae producing BL (Tisochrysis lutea and Diacronema lutheri, Haptophyta) or producing low levels of BL (Phaeodactylum tricornutum, Bacillariophyta) was compared to that induced by nitrogen (N) limitation. The carbon destiny and flow in different biosynthetic pathways were studied with a multidisciplinary approach. P or N limitation differently affected carbon metabolism according to microalgal species. P limitation highly decreased photosynthetic activity and respiration of P. tricornutum and T. lutea. Consequently, carbon accumulation was higher than under N limitation in these two species. Both limitations stimulated the synthesis of neutral lipids and / or carbohydrates. Replacement of PL by BL was observed in P. tricornutum under P limitation. This result is in agreement with a transcription increase of the gene encoding BL synthase. On the other hand, this limitation did not modify BL contents in reference with carbon in T. lutea or D. lutheri. Fatty acid composition of the different lipid classes was modified according to the microalgal species and the limiting nutrient. Particular attention was paid to the fatty acids of the omega-3 series, notably eicosapentaenoic acid (EPA, 20:5 ω3) and docosahexaenoic acid (DHA, 22:6 ω3), the proportions of which vary according to the limiting element, species and lipid class. The increase in the production of neutral lipids and / or polar lipids, especially betaine lipids, rich in DHA and / or EPA induced by nutritive stress suggests a valorization of these molecules of interest in various areas including nutrition and health.