Identification of the mechanism of mixotrophy in Phaeodactylum tricornutum Valeria Villanova To cite this version: Valeria Villanova. Identification of the mechanism of mixotrophy in Phaeodactylum tricornutum. Cellular Biology. Université Grenoble Alpes, 2016. English. NNT : 2016GREAV053. tel-01685787 HAL Id: tel-01685787 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01685787 Submitted on 16 Jan 2018 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE LA COMMUNAUTE UNIVERSITE GRENOBLE ALPES Spécialité : Biologie Végétale Arrêté ministériel : 7 août 2006 Présentée par Valeria VILLANOVA Thèse dirigée par Giovanni FINAZZI et codirigée par Julien PAGLIARDINI préparée au sein du Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale dans l'École Doctorale Chimie et Science du Vivant Identification du mécanisme de la mixotrophie chez Phaeodactylum tricornutum Thèse soutenue publiquement le 12/09/2016, devant le jury composé de : M, Thomas, PFANNSCHMIDT Professeur, Université de Grenoble (Président) M, Michel, GOLDSCHMIDT-CLERMONT Professeur, Université de Genève (Examinateur) Mme, Fayza, DABOUSSI Directrice de Recherche, INSA Toulouse (Rapporteur) M, Tomas, MOROSINOTTO Professeur, Università di Padova (Rapporteur) M, Giovanni, FINAZZI Directeur de Recherche, CNRS-iRTSV Grenoble (Directeur de thèse) M, Julien, PAGLIARDINI Chef du Département, Fermentalg (Co-Directeur de thèse) Contents Résumé....................................................................................................................................... 5 Abstract ...................................................................................................................................... 6 Preface ....................................................................................................................................... 7 1. General introduction .............................................................................................................. 9 1.1 Diatoms ............................................................................................................................. 9 1.2. Photosynthesis and primary metabolism in diatoms .................................................... 13 1.2.1 Oxygenic Photosynthesis ......................................................................................... 13 1.2.2 Photoprotection ....................................................................................................... 16 1.2.3 Carbon fixation ......................................................................................................... 17 1.2.4 Photorespiration ...................................................................................................... 17 1.2.5 Central Carbon metabolism ..................................................................................... 19 1.3 Trophic variability in diatoms ......................................................................................... 22 1.3.1 Phototrophy ............................................................................................................. 22 1.3.2 Heterotrophy ............................................................................................................ 22 1.3.3 Mixotrophy ............................................................................................................... 23 1.4 Lipid metabolism in microalgae ...................................................................................... 24 1.4.1 PUFAs biosynthetic pathway .................................................................................... 25 1.4.2 TAGs biosynthetic pathways .................................................................................... 27 1.4.3 Strategies for enhancing lipid production ................................................................ 29 2. Cross-talk chloroplast-mitochondria in diatoms ................................................................. 30 2.1 Preface ............................................................................................................................ 30 2.2 Electron flow pathways that produce extra ATP ............................................................ 31 2.3 AOX pathway .................................................................................................................. 32 2.4 Biophysical analysis of photosynthesis........................................................................... 33 2.5 Energetic coupling between plastids and mitochondria drives CO2 assimilation in diatoms ................................................................................................................................. 36 2.6 Conclusions and remarks ................................................................................................ 67 3. Characterisation and optimisation of mixotrophy in Phaeodactylum tricornutum ............ 69 3.1 Preface ............................................................................................................................ 69 Résumé 3.2 Characterisation of mixotrophic metabolism in Phaeodactylum tricornutum .............. 70 3.2.1 Previous investigations of glycerol metabolism in Phaeodactylum tricornutum .... 70 3.2.2 Omics analysis .......................................................................................................... 71 3.3 Optimisation of mixotrophic metabolism by improving culture conditions .................. 73 3.3.1 Culture medium/ nutrients ...................................................................................... 73 3.3.2 Light and NaHCO3 effect .......................................................................................... 74 3.3.3 Scale-up in fermentor .............................................................................................. 75 3.4 Boosting biomass quantity and quality by improved mixotrophic cultivation of the diatom Phaeodactylum tricornutum. ................................................................................... 76 3.5 Conclusions and remarks .............................................................................................. 129 4. Effect of nitrogen and phosphorus starvation in Phaeodactylum tricornutum. ............... 131 4.1 Preface .......................................................................................................................... 131 4.2 Nitrogen and Phosphorous starvation in Phaeodactylum ........................................... 132 4.3 Lipidomic analysis ......................................................................................................... 133 4.4 Biodiversity on the ecotypes of Phaeodactylum .......................................................... 135 4.5 Membrane Glycerolipid Remodeling Triggered by Nitrogen and Phosphorus Starvation in Phaeodactylum tricornutum1 ......................................................................................... 136 4.6 Conclusion and remarks ............................................................................................... 190 5. Final Conclusions and remarks .......................................................................................... 192 References ............................................................................................................................. 197 Résumé Résumé Les diatomées jouent un rôle primordial dans l'écologie de la planète, car elles sont responsables du 20-40% de la productivite mondial d’oxygène. Elles figurent parmi les organismes à fort potentiel biotechnologique pour des applications biocarburant. Les diatomées sont des organismes symbiotiques issus de la fusion d'un ancêtre hétérotrophe avec une ou plusieurs micro-algues photosynthétiques. Grace à cette histoire évolutive complexe, les diatomées ont un métabolisme très flexible. Comme la plus part des microalgues elles peuvent utiliser la photosynthèse pour leur croissance, mais aussi la mixotrophie, i.e. la capacité de croître en présence de lumière et d’une source de carbone réduit. L'utilisation simultanée de la photosynthèse et de la respiration peut augmenter la productivité de la biomasse des microalgues et réduire ainsi le coût de leur exploitation industrielle. Dans cette thèse j’ai étudié le mécanisme et les conséquences du métabolisme mixotrophique chez la diatomée modèle Phaeodactylum tricornutum. J’ai contribué à étudier le mécanisme moléculaire à la base des interactions énérgétiques entre chloroplaste et mitochondrie. Dans ce travail, nous avons démontré que le NADPH généré dans le chloroplaste est exporté vers la mitochondrie pour générer de l’ATP requis pour la fixation du CO2 dans le chloroplaste. Cette interaction entre les deux organites cellulaires augmente la croissance de diatomées, et suggère que l'utilisation simultanée d’une source de carbone et de l'énergie lumineuse (mixotrophie) devrait augmenter la productivité de la biomasse chez les diatomées. Cette hypothèse a été testée dans la deuxième partie de ma thèse,