Lipopeptides from Cyanobacteria : structure and role in a trophic cascade

par Louis Bornancin

Thèse de doctorat en Ingénierie biomoléculaire

Sous la direction de Bernard Banaigs.

Soutenue le 11-10-2016

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec Laboratoire de Chimie des Biomolécules et de l’Environnement (Perpignan) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Lipopeptides issus de cyanobactéries : structure et rôle dans une cascade trophique


  • Résumé

    Dans le lagon de Moorea, en Polynésie Française, nous avons identifié un écosystème constitué de deux producteurs primaires (les cyanobactéries filamenteuses Lyngbya majuscula et Anabaena cf. torulosa), trois mollusques herbivores (Stylocheilus striatus, S. longicauda, et Bulla orientalis), un nudibranche carnivore (Gymnodoris ceylonica) et un crabe carnivore (Thalamita coerulipes). L. majuscula et A. cf torulosa prolifèrent sur de vastes zones jusqu’à épiphyter les coraux ; elles sont des producteurs importants de métabolites secondaires, principalement des lipopeptides cycliques, qui peuvent être toxiques ou répulsifs. Cependant, ces composés n’empêchent pas le lièvre de mer S. striatus de consommer les cyanobactéries. S. striatus, décrit comme un prédateur spécialiste de L. majuscula, est connu pour séquestrer et/ou biotransformer les métabolites secondaires de L. majuscula. Cependant nous avons également observé S. striatus, sur A. cf torulosa où il semble moins exposé à la prédation du nudibranch G. ceylonica que quand il est sur L. majuscula. Dans cet écosystème modèle, nous avons combiné le profilage des métabolomes des deux cyanobactéries et des expériences en écologie dans le but d’étudier le rôle des médiateurs chimiques dans la structuration de cet écosystème ; nous avons complété la caractérisation des profils métaboliques des deux cyanobactéries, étudié les transmissions verticale et horizontale des métabolites secondaires produits par les cyanobactéries le long de la chaine trophique, et étudié le rôle de ces composés dans les relations prédateurs-proies. De A. cf torulosa, nous avons isolé cinq analogues acyliques et deux analogues cyliques des laxaphycines que nous avons caractérisés par RMN (1D et 2D RMN : COSY, TOCSY, HSQC, HMBC, NOESY), spectrométrie de masse (spectrométrie de masse à haute résolution et fragmentation en MSn), ainsi que par dégradation chimique avec la méthode de Marfey. La présence de laxaphycines acycliques n’a jamais été décrite auparavant. Nous avons montré que les peptides de L. majuscula sont séquestrés sans biotransformation par les herbivores, alors que les herbivores présents sur A. cf torulosa biotransforment deux laxaphycines en quatre composés nouveaux que nous avons caractérisés. Il ne semble pas que la séquestration et la biotransformation soient opérées dans le but d’améliorer les défenses chimiques des herbivores mais plutôt comme un mécanisme de tolérance. Nous avons également montré que les mollusques herbivores utilisent les composés produits par les cyanobactéries comme signaux chimiques pour détecter à distance les cyanobactéries et pour le choix de leur nourriture. Ces expériences de choix semblent indiquer que S. striatus et B. orientalis sont des herbivores généralistes bien que l’influence des molécules des cyanobactéries suggère un comportement adaptatif permettant au mollusque de retrouver l’hôte sur lequel il a été prélevé.


  • Résumé

    In the lagoon of Moorea in French Polynesia, we have identified a relatively simple tropical marine ecosystem consisting of two primary producers (two filamentous cyanobacteria, Lyngbya majuscula and Anabaena cf. torulosa), three herbivorous molluscs (Stylocheilus striatus, S. longicauda and Bulla orientalis), a carnivorous nudibranch (Gymnodoris ceylonica) and a carnivorous crab (Thalamita coerulipes). L. majuscula and A. cf torulosa, that bloom ephemerally across wide sandy areas and even on corals, are prolific producers of secondary metabolites, mainly cyclic lipopeptides, which may either be toxic or act as feeding deterrents to potential consumers. However, these compounds do not prevent the sea hare S. striatus, feeding on cyanobacteria. S. striatus, considered as L. majuscula specialist, is known to sequester and transform some secondary metabolites produced by L. majuscula,. However we found also S. striatus feeding on A. cf torulosa and in this case it was less susceptible to predation by the nudibranch G. ceylonicasa than when it fed on L. majuscula. In the study of this model ecosystem, we combine cyanobacterial metabolome profiling and ecological bioassays in order to study the cascading effects of chemical mediators in multi-trophic relationships; we completed the metabolic profile characterization of the two cyanobacteria, we studied vertical and horizontal transmissions of the cyanobacterial secondary metabolites along the trophic web, and studied the role of these compounds in predator-prey relationships. Focusing our attention on A. cf torulosa we isolated seven new lipopeptides, derived from the known laxaphycins, and characterized them using extensive NMR experiments (1D and 2D NMR: COSY, TOCSY, HSQC, HMBC, NOESY), mass spectrometry (HR-MS and fragmentation by MSn) and Marfey’s advanced method. It is the first time that acyclic analogs of laxaphycins have been described. Although the peptides from L. majuscula are found intact in herbivores, some lipopeptides from A. cf torulosa are biotransformed by sea hares into four new compounds we characterized. The sequestration and biotransformation by the herbivores may be considered as a tolerance mechanism rather than a defense mechanism. We demonstrate also that the herbivores use cyanobacterial compounds as chemical cues for cyanobacteria tracking and feeding choice. Our experiments suggest that S. striatus and B. orientalis are generalist consumers, although the influence of cyanobacterial chemical cues on their foraging preferences may suggest an adaptive behavior enabling the mollusc to track their host of origin.


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