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Abida H, Dolch LJ, Meï C, Villanova V, Conte M, Block MA, Finazzi G, Bastien O, Tirichine L, Bowler C, Rébeillé F, Petroutsos D, Jouhet J, Maréchal E. Membrane glycerolipid remodeling triggered by nitrogen and phosphorus starvation in Phaeodactylum tricornutum. PLANT PHYSIOLOGY 2015; 167:118-36. [PMID: 25489020 PMCID: PMC4281014 DOI: 10.1104/pp.114.252395] [Citation(s) in RCA: 201] [Impact Index Per Article: 22.3] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 10/23/2014] [Accepted: 12/05/2014] [Indexed: 05/18/2023]
Abstract
Diatoms constitute a major phylum of phytoplankton biodiversity in ocean water and freshwater ecosystems. They are known to respond to some chemical variations of the environment by the accumulation of triacylglycerol, but the relative changes occurring in membrane glycerolipids have not yet been studied. Our goal was first to define a reference for the glycerolipidome of the marine model diatom Phaeodactylum tricornutum, a necessary prerequisite to characterize and dissect the lipid metabolic routes that are orchestrated and regulated to build up each subcellular membrane compartment. By combining multiple analytical techniques, we determined the glycerolipid profile of P. tricornutum grown with various levels of nitrogen or phosphorus supplies. In different P. tricornutum accessions collected worldwide, a deprivation of either nutrient triggered an accumulation of triacylglycerol, but with different time scales and magnitudes. We investigated in depth the effect of nutrient starvation on the Pt1 strain (Culture Collection of Algae and Protozoa no. 1055/3). Nitrogen deprivation was the more severe stress, triggering thylakoid senescence and growth arrest. By contrast, phosphorus deprivation induced a stepwise adaptive response. The time scale of the glycerolipidome changes and the comparison with large-scale transcriptome studies were consistent with an exhaustion of unknown primary phosphorus-storage molecules (possibly polyphosphate) and a transcriptional control of some genes coding for specific lipid synthesis enzymes. We propose that phospholipids are secondary phosphorus-storage molecules broken down upon phosphorus deprivation, while nonphosphorus lipids are synthesized consistently with a phosphatidylglycerol-to-sulfolipid and a phosphatidycholine-to-betaine lipid replacement followed by a late accumulation of triacylglycerol.
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Affiliation(s)
- Heni Abida
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Lina-Juana Dolch
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Coline Meï
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Valeria Villanova
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Melissa Conte
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Maryse A Block
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Giovanni Finazzi
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Olivier Bastien
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Leïla Tirichine
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Chris Bowler
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Fabrice Rébeillé
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Dimitris Petroutsos
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Juliette Jouhet
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
| | - Eric Maréchal
- Environmental and Evolutionary Genomics Section, Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure, Centre National de la Recherche Scientifique Unité Mixte de Recherche 8197, Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, U1024, 75005 Paris, France (H.A., L.T., C.B.);Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Végétale, Unité Mixte de Recherche 5168 Centre National de la Recherche Scientifique-Commissariat à l'Energie Atomique-Université Grenoble Alpes, Institut de Recherche en Sciences et Technologies pour le Vivant, Commissariat à l'Energie Atomique Grenoble, 38054 Grenoble cedex 9, France (L.-J.D., C.M., M.C., M.A.B., G.F., O.B., F.R., D.P., J.J., E.M.); andFermentalg SA, F-33500 Libourne, France (V.V.)
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Martin GJO, Hill DRA, Olmstead ILD, Bergamin A, Shears MJ, Dias DA, Kentish SE, Scales PJ, Botté CY, Callahan DL. Lipid profile remodeling in response to nitrogen deprivation in the microalgae Chlorella sp. (Trebouxiophyceae) and Nannochloropsis sp. (Eustigmatophyceae). PLoS One 2014; 9:e103389. [PMID: 25171084 PMCID: PMC4149361 DOI: 10.1371/journal.pone.0103389] [Citation(s) in RCA: 87] [Impact Index Per Article: 8.7] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 02/15/2014] [Accepted: 06/29/2014] [Indexed: 12/29/2022] Open
Abstract
Many species of microalgae produce greatly enhanced amounts of triacylglycerides (TAGs), the key product for biodiesel production, in response to specific environmental stresses. Improvement of TAG production by microalgae through optimization of growth regimes is of great interest. This relies on understanding microalgal lipid metabolism in relation to stress response in particular the deprivation of nutrients that can induce enhanced TAG synthesis. In this study, a detailed investigation of changes in lipid composition in Chlorella sp. and Nannochloropsis sp. in response to nitrogen deprivation (N-deprivation) was performed to provide novel mechanistic insights into the lipidome during stress. As expected, an increase in TAGs and an overall decrease in polar lipids were observed. However, while most membrane lipid classes (phosphoglycerolipids and glycolipids) were found to decrease, the non-nitrogen containing phosphatidylglycerol levels increased considerably in both algae from initially low levels. Of particular significance, it was observed that the acyl composition of TAGs in Nannochloropsis sp. remain relatively constant, whereas Chlorella sp. showed greater variability following N-deprivation. In both algae the overall fatty acid profiles of the polar lipid classes were largely unaffected by N-deprivation, suggesting a specific FA profile for each compartment is maintained to enable continued function despite considerable reductions in the amount of these lipids. The changes observed in the overall fatty acid profile were due primarily to the decrease in proportion of polar lipids to TAGs. This study provides the most detailed lipidomic information on two different microalgae with utility in biodiesel production and nutraceutical industries and proposes the mechanisms for this rearrangement. This research also highlights the usefulness of the latest MS-based approaches for microalgae lipid research.
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Affiliation(s)
- Gregory J. O. Martin
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The University of Melbourne, Parkville, Victoria, Australia
| | - David R. A. Hill
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The University of Melbourne, Parkville, Victoria, Australia
| | - Ian L. D. Olmstead
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The University of Melbourne, Parkville, Victoria, Australia
| | - Amanda Bergamin
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The University of Melbourne, Parkville, Victoria, Australia
| | - Melanie J. Shears
- Metabolomics Australia, The School of Botany, The University of Melbourne, Parkville, Victoria, Australia
- Apicolipid Group, Laboratoire Adaption et Pathogenie des Microorganismes UMR5163, CNRS, University of Grenoble I, La Tronche, France
| | - Daniel A. Dias
- Metabolomics Australia, The School of Botany, The University of Melbourne, Parkville, Victoria, Australia
| | - Sandra E. Kentish
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The University of Melbourne, Parkville, Victoria, Australia
| | - Peter J. Scales
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The University of Melbourne, Parkville, Victoria, Australia
| | - Cyrille Y. Botté
- Apicolipid Group, Laboratoire Adaption et Pathogenie des Microorganismes UMR5163, CNRS, University of Grenoble I, La Tronche, France
- * E-mail:
| | - Damien L. Callahan
- Metabolomics Australia, The School of Botany, The University of Melbourne, Parkville, Victoria, Australia
- Centre for Chemistry and Biotechnology, School of Life and Environmental Sciences, Deakin University, Burwood, Victoria, Australia
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