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Relation entre la teneur membranaire en n-3 HUFA et l’efficacité mitochondriale

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© Ifremer Stéphane Lesbats

La relation entre la teneur membranaire en acides gras et l’efficacité mitochondriale diffère au sein et entre les teneurs alimentaires en oméga 3 à longue chaine.

 

Résumé

Une conséquence importante du changement climatique est la réduction de la production de nutriments essentiels à la base de la chaîne alimentaire marine : les acides gras polyinsaturés à longue chaîne de la série oméga-3 (n-3 HUFA). Cela peut avoir des conséquences dramatiques sur les consommateurs, comme les poissons, car ils ont une capacité limitée à synthétiser de novo les n-3 HUFA. Ces acides gras tels que l’acide docosahexaénoique (DHA, 22:6n-3) et l’acide eicosapentaénoique (EPA, 20:5n-3) sont essentiels pour la structure et la fonction des membranes biologiques. Il est de plus en plus évident que les poissons seront gravement affectés par la réduction de la disponibilité alimentaire des n-3 HUFA, mais les mécanismes sous-jacents restent méconnus. Les hypothèses sur les changements du fonctionnement des mitochondries en réponse à la disponibilité alimentaire en n-3 HUFA ont généralement négligé la production d’ATP, malgré son importance pour la capacité énergétique totale d’une cellule et, par conséquent, pour les performances de l’animal entier. Nous avons ici (i) quantifié la variation entre individus de l’efficacité mitochondriale (rapport ATP/O) du muscle et (ii) examiné sa relation avec la teneur en EPA et DHA de la membrane musculaire d’un poisson consommateur primaire, le mulet doré Chelon auratus, recevant un régime alimentaire riche ou pauvre en n-3 HUFA. Les mitochondries de poissons nourris avec un régime pauvre en n-3 HUFA présentaient un rapport ATP/O plus élevé que celles de poissons nourris avec un régime riche en n-3 HUFA. Cependant, l’efficacité mitochondriale variait environ deux fois entre les individus provenant du même traitement alimentaire, certains poissons consommant la moitié en oxygène et nutriment pour produire la même quantité d’ATP que leurs congénères issus d’un même régime alimentaire. Cette variation de l’efficacité mitochondriale entre les individus recevant la même alimentation était liée aux différences individuelles dans la composition en acides gras des membranes : un rapport ATP/O élevé était associé à une teneur élevée en EPA et DHA dans les membranes biologiques. Nos résultats mettent en évidence l’existence de différences interindividuelles dans l’efficacité mitochondriale et son importance potentielle pour expliquer la variation intra-spécifique en réponse aux changements dans la chaîne alimentaire.

 

Figure 2 : L’efficacité à produire de l’ATP (ATP/O ratio) des mitochondries de mulet doré nourri avec un régime riche (High) ou pauvre (Low) en n-3 HUFA est correlée à la teneur en n-3 [acide docosahexaénoïque (DHA, 22:6n-3) et acide eicosapentaénoïque (EPA, 20:5n-3)] de ses phospholipides membranaires. Les individus dont les mitochondries sont plus efficaces à produire de l’ATP ont une teneur plus élevée en n-3 membranaire, et ce quelque soit leur régime alimentaire.

 

Réference: Salin K, Mathieu-Resuge M, Graziano N, Dubillot E, Le Grand F, Soudant P, Vagner M. 2020. The relationship between membrane fatty acid content and mitochondrial efficiency differs within- and between- omega-3 dietary treatments. Marine Environmental Research:105205.

https://doi.org/10.1016/j.marenvres.2020.105205

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Identification des voies de synthèse des acides gras polyinsaturés dans le dinophyte toxique Alexandrium minutum à l’aide du marquage au 13C

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Figure 1

Résumé :

Les voies de synthèse responsables de la production des acides gras polyinsaturés 22:6n-3 et 20:5n-3 ont été étudiées dans le Dinophyte Alexandrium minutum. Le but de ce travail était de suivre l’incorporation progressive d’un marqueur isotopique (13CO2) dans 11 acides gras pour mieux comprendre les voies de synthèse des acides gras dans A. minutum. La croissance des dinophytes a été suivie pendant 54 h en utilisant un échantillonnage à haute fréquence. A. minutum a présenté une croissance en deux phases. Une phase de latence a été observée pendant les 30 premières heures de développement et a été associée à l’enkystement temporaire probable des cellules Dinophyte. Une phase de croissance exponentielle a ensuite été observée après t30. A. minutum a rapidement incorporé du 13C dans 22:6n-3, qui a fini par être l’acide gras polyinsaturé (AGPI) le plus enrichi en 13C dans cette expérience, avec un enrichissement atomique en 13C supérieur à celui de 18:4n-3, 18:5n-3, 20:5n-3 et 22:5n-3. Dans l’ensemble, l’enrichissement atomique en 13C était inversement proportionnel au nombre de carbones dans l’AGPI n-3. Les AGPI C18, 18:4n-3, et 18:5n-3, étaient en effet parmi les AG les moins enrichis en 13C au cours de cette expérience. On a supposé qu’ils étaient produits par la voie des AGPI n-3. Cependant, ils n’ont pas pu être allongés ou désaturés davantage pour produire des AGPI n-3 en C20-C22, car les AE des AGPI n-3 en C18 étaient inférieurs à ceux des AGPI n-3 en C20-C22. Ainsi, l’enrichissement atomique particulièrement élevé de 22:6n-3 (55,8% et 54,9% en lipides neutres (NL) et en lipides polaires (PL), respectivement) nous a conduit à émettre l’hypothèse que cet AGPI majeur était synthétisé par une voie de synthèse de la polykétide-synthase (PKS) indépendante de l’O2. Une autre PKS parallèle, indépendante de celle qui conduit à 22:6n-3, était également censée produire 20:5n-3. L’ordre inverse de l’enrichissement atomique en 13C pour les AGPI n-3 a également été suspecté d’être lié à l’éventuelle β-oxydation des AGPI n-3 à longue chaîne se produisant lors de l’encyssement d’A. minutum.

 

Figure 1

Figure 1 : Conception expérimentale de l’expérience d’enrichissement. Le 13CO2 est fourni à la culture en fonction de son pH. Pour prélever les algues, on utilise une pince pour fermer/ouvrir les tubes/voies nécessaires pour mettre d’abord le ballon sous pression, puis permettre le prélèvement et enfin rincer les tubes après le prélèvement.

Figure 8

Figure 8 : Hypothèse de voies de production d’Acide Gras (AG) C18 chez A. minutum. Les chiffres dans les cases correspondent à la valeur finale de l’AG (en blanc pour les lipides neutres et en noir pour les lipides polaires). Les triangles symbolisent les désaturases (extrémité avant en jaune et extrémité méthyle en violet), les cercles les enzymes impliquées dans la voie PKS (KS : 3-ketoacyl synthase ; KR : 3-ketoacyl-ACP-reductase ; DH : déshydrase ; 2.2I : 2-trans, 2-cis isomérase ; 2.3I : 2-trans, 3-cis isomérase ; ER : enoyl réductase). Les voies avec les flèches en pointillés semblent peu probables ou ne peuvent être prouvées avec la dynamique de l’enrichissement. NL et PL écrits sur les voies permettant la synthèse de 18:5n-3 indiquent la fraction considérée pour chaque voie.

Conclusions :

La synthèse des acides gras chez le Dinophyte Alexandrium minutum a suivi différentes voies. La voie PKS semble être un processus de synthèse particulièrement rapide, responsable du fort enrichissement et de la production de l’acide gras polyinsaturé 22:6n-3. Le 22:6n-3 semble avoir un rôle central dans le maintien d’un bon état physiologique, y compris pendant l’enkystement. Dans notre étude, nous avons supposé que la phase de latence observée reflétait la possibilité d’un enkystement temporaire chez A. minutum. Elle était caractérisée par une diminution significative de la proportion de lipides neutres, correspondant à la consommation des lipides de réserve. Le 22:6n-3 pourrait être dégradé au cours de ce processus, et ses produits de dégradation pourraient être impliqués dans la re-synthèse du triacylglycérol lors de l’excystration des algues. La dynamique d’enrichissement des AGPI C18 a révélé qu’il est peu probable qu’ils soient impliqués dans les étapes de désaturation et d’allongement ultérieures des AGPI n-3 C20-C22. Ils semblent être les produits finaux de la voie n-3 classique. L’enrichissement atomique 18:5n-3 rend possible son origine à partir de la désaturation du 18:4n-3, de la dégradation d’acides gras plus longs tels que le 20:5n-3, ou de la voie PKS. On a supposé que ces AGPI en C18 jouent un certain rôle chez A. minutum, par exemple dans sa toxicité. Des études supplémentaires sont nécessaires pour mieux limiter la voie de synthèse des AGPI chez A. minutum, et surtout pour démontrer davantage l’implication de la voie PKS après la synthèse 22:6n-3 et 20:5n-3.

Réference :

Remize, M., Planchon, F., Loh, A.N., Le Grand, F., Lambert, C., Bideau, A., Bidault, A., Corvaisier, R., Volety, A., and Soudant, P. 2020. Identification of Polyunsaturated Fatty Acids Synthesis Pathways in the Toxic Dinophyte Alexandrium minutum Using 13C-Labelling. Biomolecules 10(10): 1428. doi:10.3390/biom10101428.
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Des isoscapes du δ15N sur des bivalves fournissent une base de référence pour l’empreinte de l’azote urbain au bord d’un récif corallien classé au patrimoine mondial

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Résumé

L’eutrophisation est une menace majeure pour les récifs coralliens du monde entier. Dans cette étude, nous avons cartographié l’empreinte de l’azote anthropique autour de Nouméa, une ville côtière entourée de 15 743 km2 de récifs classés par l’UNESCO. Nous avons mesuré la signature en δ15N de 348 bivalves benthiques à longue durée de vie provenant de 12 espèces sur 27 sites et nous les avons interpolés pour générer des isoscapes du δ15N. Nous avons évalué l’influence des temps de séjour de l’eau sur l’enrichissement en azote et prédi un risque d’eutrophisation dans la zone. Les isoscapes d’azote ont mis en évidence un fort gradient spatial (4,3 à 11.7‰) entre la lagune extérieure et trois baies très exposées de Nouméa. Plusieurs récifs protégés bénéficieraient d’une meilleure gestion des rejets d’eaux usées, tandis qu’une baie de la zone centrale classée par l’UNESCO pourrait souffrir d’un risque élevé d’eutrophisation à l’avenir. Notre étude renforce l’utilité de l’utilisation des animaux benthiques pour caractériser l’empreinte azotée anthropique et fournir une base de référence nécessaire aux écologistes et aux décideurs politiques.

 

Fig. 3. Isoscapes du δ15N en 2012, estimé dans 27 stations dans le lagon sud-ouest de la Nouvelle-Calédonie à partir d’échantillons de muscles de 12 espèces de bivalves.

 

Points forts

– Les communautés de bivalves se nourrissant de filtres benthiques sont de bons bio-moniteurs des variations spatiales de l’eutrophisation d’origine anthropique.

– La valeur de référence δ15N trouvée chez les bivalves du lagon extérieur de la Nouvelle-Calédonie était de 4,7 ± 0,4‰.

– La signature δ15N des bivalves benthiques a atteint 11,7‰ dans la station la plus exposée.

– Les isoscapes peuvent être utilisés à la fois pour la surveillance à long terme et pour prévoir les risques de pollution anthropique en mer.

 

Reference

Thibault M., Duprey N., Gillikin D.P., Thébault J., Douillet P., Chauvaud L., Amice E., Munaron J.M., Lorrain A. 2020. Bivalve δ15N isoscapes provide a baseline for urban nitrogen footprint at the edge of a World Heritage coral reef. Marine Pollution Bulletin vol. 152. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2019.110870

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Nouvelles recommandations pour l’application des modèles de Stokes à la vitesse de sédimentation des agrégats marins

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Les simulations numériques des cycles biogéochimiques des océans doivent représenter adéquatement les vitesses de sédimentation des particules (VS). Depuis des décennies, la loi de Stokes, qui permet d’estimer la vitesse de chute des particules à partir de leur densité et de leur taille, est largement utilisée. Mais si la loi de Stokes s’applique aux petites sphères lisses et rigides qui se déposent avec un faible nombre de Reynolds, elle n’est pas applicable aux agrégats marins dont la forme, la structure et la composition sont complexes. Les minéraux et le zooplancton peuvent modifier les agrégats phytoplanctoniques de manière à changer leur VS, ce qui pourrait améliorer l’applicabilité des modèles de Stokes. À l’aide de cylindres de roulement, nous avons produit expérimentalement des agrégats de diatomées en présence et en absence de minéraux et/ou de microzooplancton. Les minéraux et, dans une moindre mesure, le microzooplancton ont réduit la taille et la rugosité des agrégats et ont augmenté leur sphéricité et leur compacité. La loi de Stokes paramétrée avec une porosité fractale a modélisé de façon adéquate les relations taille-VS pour les agrégats chargés en minéraux. Les agrégats contenant uniquement du phytoplancton et ceux exposés au microzooplancton ont suivi l’équation de frottement généralisé de Navier-Stokes suggérant un effet indiscernable du microzooplancton et un coefficient de frottement trop complexe pour être calculé avec une hypothèse de Stokes. Nous avons comparé nos résultats avec un ensemble de données plus important de granulats marins lestés et non lestés. Cela a confirmé que les relations taille-VS pour les agrégats lestés peuvent être simulées par les modèles de Stokes avec une paramétrisation adéquate de la porosité fractale. Étant donné l’importance du lestage minéral dans l’océan, nos résultats pourraient faciliter la paramétrisation des modèles biogéochimiques pour un bassin de particules important dans l’océan et particulièrement dans la zone mésopélagique où le rapport matière organique particulaire/minéral diminue. Nos résultats renforcent également l’importance de la prise en compte de la porosité comme un prédicteur décisif de la VS des agrégats marins.

Vitesses de sédimentation en fonction de l’ESD (diamètre sphérique équivalent) pour les agrégats formés dans chaque cuve des quatre traitements et comparaison avec les attentes théoriques issues de différentes paramétrisations de la loi de Stokes et de l’équation de frottement généralisé de Navier-Stokes. P : phytoplancton ; PZ : phytoplancton + microzooplancton (rotifères) ; PM : phytoplancton + minéral (calcite) ; PMZ : phytoplancton + minéral + microzooplancton. a) Modèle 1, loi de Stokes avec des porosités constantes de 0 % (lignes pointillées) et de 99 % (lignes pleines). (b) Modèle 2, loi générale de Navier-Stokes avec des frottements constants de 1 (lignes pointillées) et 5 (lignes pleines), et une porosité constante de 99 %. (c) Modèle 3, loi de Stokes avec une porosité mise à l’échelle sur une géométrie fractale avec un coefficient a = 0,03 et D3 = 1,4 (lignes pointillées) et D3 = 1,8 (lignes pleines). (d) Modèle 4, loi générale de Navier-Stokes sur la friction avec une porosité mise à l’échelle sur une géométrie fractale avec un coefficient a = 0,03 et D3 = 1,4 (lignes pleines) et 1,8 (lignes pointillées). Voir le texte pour plus de détails sur le calcul de la friction.

Référence

Laurenceau-Cornec, E.C., Le Moigne, F.A.C., Gallinari, M., Moriceau, B., Toullec, J., Iversen, M.H., Engel, A., and De La Rocha, C.L. 2020. New guidelines for the application of Stokes’ models to the sinking velocity of marine aggregates. Limnol. Oceanogr. doi:10.1002/lno.11388.
Lien vers la revue :
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Les squelettes d’éponges, un puits important de silicium dans l’océan

Le silicium (Si) est un élément essentiel dans le fonctionnement biogéochimique et écologique de l’océan. On pense que le cycle marin actuel du Si est en équilibre, c’est-à-dire que les apports à l’océan égalisent les sorties. Les apports proviennent majoritairement des rivières, et les sorties étaient considérées comme résultant essentiellement de l’enfouissement des squelettes de diatomées dans le sédiment. Dans cet article, nous montrons que des organismes non phototrophes, tels que les éponges et les radiolaires, avec leur squelette de silice, participent également de façon significative à l’enfouissement de Si au fond de l’océan. L’examen microscopique et le dosage des sédiments prélevés sur 17 sites à travers le monde ont révélé que le squelette des éponges est exceptionnellement résistant à la dissolution, et était passé inaperçu dans les inventaires biogéochimiques des sédiments. La conservation des spicules d’éponges dans les sédiments est de 45,2 %, alors qu’il est seulement de 6,8 % pour les tests de radiolaires et de 8,0 % pour les frustules de diatomées. Au total, les éponges séquestreraient 1,71 Tmol de Si an-1. Les radiolaires auraient une contribution minime avec 0.09 Tmol de Si an−1.  Collectivement, ces deux organismes non phototrophes augmentent le puits de silice de 28% et contribue à rétablir l’équilibre du cycle de la silice dont les apports dépassaient les sorties.

References

Maldonado, M., López-Acosta, M., Sitjà, C., García-Puig, M., Galobart, C., Ercilla, G., & Leynaert, A. (2019). Sponge skeletons as an important sink of silicon in the global oceans. Nature Geoscience. https://doi.org/10.1038/s41561-019-0430-7

 

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Laboratoire LEMAR – 2018

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