The biogenesis of photosynthetic membranes relies on galactoglycerolipids, which are synthesized via pathways that are dispatched over several cell compartments. This membrane biogenesis requires ...both trafficking of lipid intermediates and a tight homeostatic regulation. In this work, we address the role of ALA10 (for aminophospholipid ATPase), a P₄-type ATPase, in a process counteracting the monogalactosyldiacylglycerol (MGDG) shortage in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) leaves. ALA10 can interact with protein partners, ALIS1 (for ALA-interacting subunit1) or ALIS5, leading to differential endomembrane localizations of the interacting proteins, close to the plasma membrane with ALIS1 or to chloroplasts with ALIS5. ALA10 interacts also with FATTY ACID DESATURASE2 (FAD2), and modification of ALA10 expression affects phosphatidylcholine (PC) fatty acyl desaturation by disturbing the balance between FAD2 and FAD3 activities. Modulation of ALA10 expression downstream impacts the fatty acyl composition of chloroplast PC. ALA10 expression also enhances leaf growth and improves the MGDG-PC ratio, possibly through MGDG SYNTHASE1 (MGD1) activation by phosphatidic acid. The positive effect of ALA10 on leaf development is significant in conditions such as upon treatment of plants with Galvestine-1, an inhibitor of MGDG synthases, or when plants are grown at chilling temperature.
Phosphatidic acid (PA) is a precursor metabolite for phosphoglycerolipids and also for galactoglycerolipids, which are essential lipids for formation of plant membranes. PA has in addition a main ...regulatory role in a number of developmental processes notably in the response of the plant to environmental stresses. We review here the different pools of PA dispatched at different locations in the plant cell and how these pools are modified in different growth conditions, particularly during plastid membrane biogenesis and when the plant is exposed to phosphate deprivation. We analyze how these modifications can affect galactolipid synthesis by tuning the activity of MGD1 enzyme allowing a coupling of phospho- and galactolipid metabolisms. Some mechanisms are considered to explain how physicochemical properties of PA allow this lipid to act as a central internal sensor in plant physiology.
► Phosphatidic acid is an intermediate in both phospholipid and galactolipid syntheses. ► We review the pools of phosphatidic acid dispatched in the plant cell membranes. ► We examine how modification of PA pools affects plant cell biology. ► PA regulates the essential MGDG synthase in formation of photosynthetic membranes.
Plant cells are characterized by the presence of chloroplasts, membrane lipids of which contain up to ∼80% mono- and digalactosyldiacylglycerol (MGDG and DGDG). The synthesis of MGDG in the ...chloroplast envelope is essential for the biogenesis and function of photosynthetic membranes, is coordinated with lipid metabolism in other cell compartments and is regulated in response to environmental factors. Phenotypic analyses of Arabidopsis using the recently developed specific inhibitor called galvestine-1 complete previous analyses performed using various approaches, from enzymology, cell biology to genetics. This review details how this probe could be beneficial to study the lipid homeostasis system at the whole cell level and highlights connections between MGDG synthesis and Arabidopsis flower development.
The knowledge of the membrane lipid metabolism in photosynthetic cells is expected to benefit from the availability of inhibitors acting at the level of specific enzymes like MGD1 (E.C. 2.4.1.46) ...that catalyzes the synthesis of monogalactosyldiacylglycerol (MGDG) in chloroplasts. MGDG is a major lipid of photosynthetic membrane, interacting with photosystems. It is the precursor of digalactosyldiacylglycerol that serves as a phospholipid surrogate when plants are deprived of phosphate, and it is a source of polyunsaturated fatty acids for jasmonic acid syntheses. MGD1 is activated by phosphatidic acid and thus a coupling point between phospholipid and galactolipid metabolisms. Here we describe a method to screen for inhibitors of MGD1 assayed in liposomes. Selected compounds can therefore reach the core of the biological membranes in which the target sits. We then describe a secondary screen to evaluate the efficiency of developed compounds at the whole plant level. Major issues raised by the screening of inhibitors acting on membrane proteins are discussed and can be useful for similar targets.
Le MGDG (monogalactosyldiacylglycerol) et le DGDG (digalactosyldiacylglycerol) sont les lipides les plus abondants des membranes du chloroplaste. Ils sont synthétisés exclusivement dans l'enveloppe ...plastidiale par l'action des MGDG synthases (MGD1, MGD2 et MGD3) et des DGDG synthases (DGD1 et DGD2). Les galactolipides sont essentiels pour la structuration des photosystèmes et la biogenèse des thylacoïdes. En carence de phosphate, les galactolipides deviennent une source de lipides pour composer certaines membranes en dehors du chloroplaste. Suivant une stratégie de criblage pharmacologique à haut débit, une nouvelle molécule appelée galvestine-1 a pu être identifiée et caractérisée comme un inhibiteur des MGDG synthases. La galvestine-1 agit par compétition avec le diacylglycérol. Cet outil moléculaire permet donc de perturber le système complet constitué par l'ensemble des réactions de synthèses, de conversions et de trafics lipidiques, aboutissant à cet état stable que nous appelons homéostasie des lipides. Le but de cette thèse est de mettre en évidence, à l'aide de la galvestine-1, de nouveaux acteurs ou nouvelles voies permettant l'établissement de l'homéostasie lipidique à l'échelle de la cellule végétale. Pour cela, j'ai réalisé un criblage de mutants EMS (ethyl methanesulfonate) dans le but d'isoler des mutants résistants à la galvestine-1 et d'identifier les gènes mutés conférant cette résistance. Des données transcriptomiques (Affymetrix genome array genechip, ATH1) d'Arabidopsis thaliana traité en présence de galvestine-1 ont par ailleurs été obtenues avant le début des travaux de thèse. Ces données ont permis de cibler des gènes dont l'expression variait et possiblement impliqués dans l'homéostasie lipidique. En parallèle de l'approche sans a priori, j'ai donc réalisé une étude suivant une stratégie de gènes candidats sur ALA10, un gène codant pour une flippase putative, sur-exprimé après traitement à la galvestine-1 et en carence de phosphate. Le second volet de cette thèse vise donc à comprendre la relation entre l'expression d'ALA10 et les gènes impliqués dans la synthèse des galactolipides chez la plante.
MGDG (monogalactosyldiacylglycerol) and DGDG (digalactosyldiacylglycerol) are the most abundant membrane lipids of the chloroplast. They are synthesized exclusively in the chloroplast envelope by the action of MGDG synthases (MGD1, MGD2 and MGD3) and DGDG synthases (DGD1 and DGD2). Galactolipids are known to be essential for the structure (and function) of the photosystems and for the biogenesis of thylakoids. In phosphate deprivation, galactolipids become a source of lipid for other cell membranes, outside the chloroplast. Based on a high throughput chemical screen, a new molecule called galvestine-1 has been identified and characterized as an inhibitor of MGDG synthases. Galvestine-1 competes with the binding of the diacylglycerol substrate to MGDs. This molecular tool can be used to disturb the system comprising all lipid biosynthesis reactions, conversions, and lipid trafficking, responsible for the membrane lipid steady state observed at the whole cell level, or membrane lipid homeostasis. Perturbation of the system occurs at the level of MGDG synthases. The aim of this thesis is to use the effect of galvestine-1 to identify new actors or new pathways involved in the control of lipid homeostasis in plant cells. To this purpose, I designed and performed a screening of a collection of EMS (ethyl methanesulfonate) mutants, in order to isolate galvestine-1-resistant mutants and to identify mutated genes conferring this resistance. Transcriptomic data (Affymetrix genome array genechip, ATH1) of Arabidopsis thaliana treated in the presence of galvestine-1 had been obtained prior to the PhD project. These data were used to identify genes whose expression varied and possibly involved in lipid homeostasis. Based on a complementary candidate gene approach, I focused on Ala10, a putative flippase, which gene is over-expressed after treatment with galvestine-1 and following phosphate deprivation. The purpose of this second part of this thesis is to understand the relationship between the expression of ALA10 and genes involved in galactolipid synthesis in plants.
Le MGDG (monogalactosyldiacylglycerol) et le DGDG (digalactosyldiacylglycerol) sont les lipides les plus abondants des membranes du chloroplaste. Ils sont synthétisés exclusivement dans l'enveloppe ...plastidiale par l'action des MGDG synthases (MGD1, MGD2 et MGD3) et des DGDG synthases (DGD1 et DGD2). Les galactolipides sont essentiels pour la structuration des photosystèmes et la biogenèse des thylacoïdes. En carence de phosphate, les galactolipides deviennent une source de lipides pour composer certaines membranes en dehors du chloroplaste. Suivant une stratégie de criblage pharmacologique à haut débit, une nouvelle molécule appelée galvestine-1 a pu être identifiée et caractérisée comme un inhibiteur des MGDG synthases. La galvestine-1 agit par compétition avec le diacylglycérol. Cet outil moléculaire permet donc de perturber le système complet constitué par l'ensemble des réactions de synthèses, de conversions et de trafics lipidiques, aboutissant à cet état stable que nous appelons homéostasie des lipides. Le but de cette thèse est de mettre en évidence, à l'aide de la galvestine-1, de nouveaux acteurs ou nouvelles voies permettant l'établissement de l'homéostasie lipidique à l'échelle de la cellule végétale. Pour cela, j'ai réalisé un criblage de mutants EMS (ethyl methanesulfonate) dans le but d'isoler des mutants résistants à la galvestine-1 et d'identifier les gènes mutés conférant cette résistance. Des données transcriptomiques (Affymetrix genome array genechip, ATH1) d'Arabidopsis thaliana traité en présence de galvestine-1 ont par ailleurs été obtenues avant le début des travaux de thèse. Ces données ont permis de cibler des gènes dont l'expression variait et possiblement impliqués dans l'homéostasie lipidique. En parallèle de l'approche sans a priori, j'ai donc réalisé une étude suivant une stratégie de gènes candidats sur ALA10, un gène codant pour une flippase putative, sur-exprimé après traitement à la galvestine-1 et en carence de phosphate. Le second volet de cette thèse vise donc à comprendre la relation entre l'expression d'ALA10 et les gènes impliqués dans la synthèse des galactolipides chez la plante.
MGDG (monogalactosyldiacylglycerol) and DGDG (digalactosyldiacylglycerol) are the most abundant membrane lipids of the chloroplast. They are synthesized exclusively in the chloroplast envelope by the action of MGDG synthases (MGD1, MGD2 and MGD3) and DGDG synthases (DGD1 and DGD2). Galactolipids are known to be essential for the structure (and function) of the photosystems and for the biogenesis of thylakoids. In phosphate deprivation, galactolipids become a source of lipid for other cell membranes, outside the chloroplast. Based on a high throughput chemical screen, a new molecule called galvestine-1 has been identified and characterized as an inhibitor of MGDG synthases. Galvestine-1 competes with the binding of the diacylglycerol substrate to MGDs. This molecular tool can be used to disturb the system comprising all lipid biosynthesis reactions, conversions, and lipid trafficking, responsible for the membrane lipid steady state observed at the whole cell level, or membrane lipid homeostasis. Perturbation of the system occurs at the level of MGDG synthases. The aim of this thesis is to use the effect of galvestine-1 to identify new actors or new pathways involved in the control of lipid homeostasis in plant cells. To this purpose, I designed and performed a screening of a collection of EMS (ethyl methanesulfonate) mutants, in order to isolate galvestine-1-resistant mutants and to identify mutated genes conferring this resistance. Transcriptomic data (Affymetrix genome array genechip, ATH1) of Arabidopsis thaliana treated in the presence of galvestine-1 had been obtained prior to the PhD project. These data were used to identify genes whose expression varied and possibly involved in lipid homeostasis. Based on a complementary candidate gene approach, I focused on Ala10, a putative flippase, which gene is over-expressed after treatment with galvestine-1 and following phosphate deprivation. The purpose of this second part of this thesis is to understand the relationship between the expression of ALA10 and genes involved in galactolipid synthesis in plants.
Le MGDG (monogalactosyldiacylglycerol) et le DGDG (digalactosyldiacylglycerol) sont les lipides les plus abondants des membranes du chloroplaste. Ils sont synthétisés exclusivement dans l'enveloppe ...plastidiale par l'action des MGDG synthases (MGD1, MGD2 et MGD3) et des DGDG synthases (DGD1 et DGD2). Les galactolipides sont essentiels pour la structuration des photosystèmes et la biogenèse des thylacoïdes. En carence de phosphate, les galactolipides deviennent une source de lipides pour composer certaines membranes en dehors du chloroplaste. Suivant une stratégie de criblage pharmacologique à haut débit, une nouvelle molécule appelée galvestine-1 a pu être identifiée et caractérisée comme un inhibiteur des MGDG synthases. La galvestine-1 agit par compétition avec le diacylglycérol. Cet outil moléculaire permet donc de perturber le système complet constitué par l'ensemble des réactions de synthèses, de conversions et de trafics lipidiques, aboutissant à cet état stable que nous appelons homéostasie des lipides. Le but de cette thèse est de mettre en évidence, à l'aide de la galvestine-1, de nouveaux acteurs ou nouvelles voies permettant l'établissement de l'homéostasie lipidique à l'échelle de la cellule végétale. Pour cela, j'ai réalisé un criblage de mutants EMS (ethyl methanesulfonate) dans le but d'isoler des mutants résistants à la galvestine-1 et d'identifier les gènes mutés conférant cette résistance. Des données transcriptomiques (Affymetrix genome array genechip, ATH1) d'Arabidopsis thaliana traité en présence de galvestine-1 ont par ailleurs été obtenues avant le début des travaux de thèse. Ces données ont permis de cibler des gènes dont l'expression variait et possiblement impliqués dans l'homéostasie lipidique. En parallèle de l'approche sans a priori, j'ai donc réalisé une étude suivant une stratégie de gènes candidats sur ALA10, un gène codant pour une flippase putative, sur-exprimé après traitement à la galvestine-1 et en carence de phosphate. Le second volet de cette thèse vise donc à comprendre la relation entre l'expression d'ALA10 et les gènes impliqués dans la synthèse des galactolipides chez la plante.
MGDG (monogalactosyldiacylglycerol) and DGDG (digalactosyldiacylglycerol) are the most abundant membrane lipids of the chloroplast. They are synthesized exclusively in the chloroplast envelope by the action of MGDG synthases (MGD1, MGD2 and MGD3) and DGDG synthases (DGD1 and DGD2). Galactolipids are known to be essential for the structure (and function) of the photosystems and for the biogenesis of thylakoids. In phosphate deprivation, galactolipids become a source of lipid for other cell membranes, outside the chloroplast. Based on a high throughput chemical screen, a new molecule called galvestine-1 has been identified and characterized as an inhibitor of MGDG synthases. Galvestine-1 competes with the binding of the diacylglycerol substrate to MGDs. This molecular tool can be used to disturb the system comprising all lipid biosynthesis reactions, conversions, and lipid trafficking, responsible for the membrane lipid steady state observed at the whole cell level, or membrane lipid homeostasis. Perturbation of the system occurs at the level of MGDG synthases. The aim of this thesis is to use the effect of galvestine-1 to identify new actors or new pathways involved in the control of lipid homeostasis in plant cells. To this purpose, I designed and performed a screening of a collection of EMS (ethyl methanesulfonate) mutants, in order to isolate galvestine-1-resistant mutants and to identify mutated genes conferring this resistance. Transcriptomic data (Affymetrix genome array genechip, ATH1) of Arabidopsis thaliana treated in the presence of galvestine-1 had been obtained prior to the PhD project. These data were used to identify genes whose expression varied and possibly involved in lipid homeostasis. Based on a complementary candidate gene approach, I focused on Ala10, a putative flippase, which gene is over-expressed after treatment with galvestine-1 and following phosphate deprivation. The purpose of this second part of this thesis is to understand the relationship between the expression of ALA10 and genes involved in galactolipid synthesis in plants.
The ALA10 phospholipid flippase reduces phosphatidylcholine desaturation and stimulates galactolipid-tophosphatidylcholine ratio in photosynthetic tissues.
The biogenesis of photosynthetic membranes ...relies on galactoglycerolipids, which are synthesized via pathways that are dispatched over several cell compartments. This membrane biogenesis requires both trafficking of lipid intermediates and a tight homeostatic regulation. In this work, we address the role of ALA10 (for aminophospholipid ATPase), a P
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-type ATPase, in a process counteracting the monogalactosyldiacylglycerol (
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) shortage in Arabidopsis (
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) leaves. ALA10 can interact with protein partners, ALIS1 (for ALA-interacting subunit1) or ALIS5, leading to differential endomembrane localizations of the interacting proteins, close to the plasma membrane with ALIS1 or to chloroplasts with ALIS5. ALA10 interacts also with FATTY ACID DESATURASE2 (FAD2), and modification of ALA10 expression affects phosphatidylcholine (
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) fatty acyl desaturation by disturbing the balance between FAD2 and FAD3 activities. Modulation of ALA10 expression downstream impacts the fatty acyl composition of chloroplast
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. ALA10 expression also enhances leaf growth and improves the
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MGDG
synthases, or when plants are grown at chilling temperature.
Le MGDG (monogalactosyldiacylglycerol) et le DGDG (digalactosyldiacylglycerol) sont les lipides les plus abondants des membranes du chloroplaste. Ils sont synthétisés exclusivement dans l'enveloppe ...plastidiale par l'action des MGDG synthases (MGD1, MGD2 et MGD3) et des DGDG synthases (DGD1 et DGD2). Les galactolipides sont essentiels pour la structuration des photosystèmes et la biogenèse des thylacoïdes. En carence de phosphate, les galactolipides deviennent une source de lipides pour composer certaines membranes en dehors du chloroplaste. Suivant une stratégie de criblage pharmacologique à haut débit, une nouvelle molécule appelée galvestine-1 a pu être identifiée et caractérisée comme un inhibiteur des MGDG synthases. La galvestine-1 agit par compétition avec le diacylglycérol. Cet outil moléculaire permet donc de perturber le système complet constitué par l'ensemble des réactions de synthèses, de conversions et de trafics lipidiques, aboutissant à cet état stable que nous appelons homéostasie des lipides. Le but de cette thèse est de mettre en évidence, à l'aide de la galvestine-1, de nouveaux acteurs ou nouvelles voies permettant l'établissement de l'homéostasie lipidique à l'échelle de la cellule végétale. Pour cela, j'ai réalisé un criblage de mutants EMS (ethyl methanesulfonate) dans le but d'isoler des mutants résistants à la galvestine-1 et d'identifier les gènes mutés conférant cette résistance. Des données transcriptomiques (Affymetrix genome array genechip, ATH1) d'Arabidopsis thaliana traité en présence de galvestine-1 ont par ailleurs été obtenues avant le début des travaux de thèse. Ces données ont permis de cibler des gènes dont l'expression variait et possiblement impliqués dans l'homéostasie lipidique. En parallèle de l'approche sans a priori, j'ai donc réalisé une étude suivant une stratégie de gènes candidats sur ALA10, un gène codant pour une flippase putative, sur-exprimé après traitement à la galvestine-1 et en carence de phosphate. Le second volet de cette thèse vise donc à comprendre la relation entre l'expression d'ALA10 et les gènes impliqués dans la synthèse des galactolipides chez la plante.
The beta -mannanase gene, man5C1, was cloned from Penicillium pinophilum C1, a strain isolated from the acidic wastewater of a tin mine in Yunnan, China, and expressed in Pichia pastoris. The ...sequence analysis displayed the gene consists of a 1221-bp open reading frame encoding a protein of 406 amino acids (Man5C1). The deduced amino acid sequence of Man5C1 showed the highest homology of 57.8% (identity) with a characterized beta -mannanase from Aspergillus aculeatus belonging to glycoside hydrolase family 5. The purified rMan5C1 had a high specific activity of 1035 U mg super(-1 towards locust bean gum (LBG) and showed highest activity at pH 4.0 and 70 degree C. rMan5C1 was adaptable to a wide range of acidity, retaining > 60% of its maximum activity at pH 3.0-7.0. The enzyme was stable over a broad pH range (3.0 to 10.0) and exhibited good thermostability at 50 degree C. The K) sub(m) and V sub(max values were 5.6 and 4.8 mg mL) super(-)1, and 2785 and 1608 mu mol min super(-1 mg) super(-)1, respectively, when LBG and konjac flour were used as substrates. The enzyme had strong resistance to most metal ions and proteases (pepsin and trypsin), and released 8.96 mg g super(-1 reducing sugars from LBG in the simulated gastric fluid. All these favorable properties make rMan5C1 a promising candidate for use in animal feed.)
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