Characterization and sources of variation of the metabolome : the case of the brown macroalgae Lobophora in New Caledonian coral reefs

Les macroalgues marines constituent un riche réservoir de composés, aussi appelés métabolites spécialisés, qui jouent diverses fonctions écologiques et font partie des traits adaptatifs. Leur concentration peut varier en fonction de facteurs biotiques et abiotiques mais peu d’études sur les réponses globales des métabolites (métabolome) sont disponibles. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette étude doctorale centrée sur les sources potentielles de variations du métabolome chez une algue brune commune des récifs coralliens, Lobophora. Pour cela, quatre espèces de Lobophora présentant des morphologies et des habitats variés ont été sélectionnées dans le lagon de Nouvelle-Calédonie. Nous avons dans un premier temps cherché à caractériser et identifier des métabolites via des approches de chimie traditionnelle. Les lobophorénols, précédemment identifiés chez L. rosacea, ont été retrouvés chez cette espèce ainsi que des molécules polyoléfines chez toutes les espèces étudiées. Plusieurs tests de bioactivité sur diverses souches biologiques ont été mis en place sur des fractions algales dans une visée de valorisation et des résultats positifs ont été obtenus lors du criblage antibactérien contre Staphylococcus aureus. Dans un deuxième temps, les sources de variations du métabolome ont été étudiées à plusieurs échelles par des approches de métabolomique non ciblée. Il ressort de ces diverses études que le métabolome de Lobophora est hyper-variable. Les espèces présentent une empreinte métabolomique propre, sans variation intra-thalle. Leur métabolome varie à l’échelle spatiale, en fonction des sites d’étude et des habitats testés, et au cours du temps en lien avec les facteurs environnementaux, tels que température et salinité. En outre, des conditions de faible pH entraînent également des changements métabolomiques comme nous avons pu le tester en conditions naturelles (site de Bouraké) et en conditions contrôlées. Parmi les marqueurs chimiques liés à ces conditions changeantes nous avons identifié les lobophorénols et plusieurs de leurs potentiels dérivés, des dérivés d’acides gras oxygénés polyinsaturés et des composés polyoléfines. Bien que la métabolomique ait été appliquée avec succès pour discriminer les espèces ou détecter l’effet d’un stress environnemental, les présents travaux ont également souligné la difficulté à travailler sur le genre Lobophora, riche en graisses et pigments, et la limitation dans l’annotation des marqueurs en raison du peu de références disponibles pour ce groupe d’organismes marins encore peu étudiés via cette approche.Marine macroalgae represent a rich source of compounds, also known as specialized metabolites that play diverse ecological functions and are part of adaptive traits. Their concentration can vary according to biotic and abiotic factors but just a few studies on the overall responses of metabolites (metabolome) are available. In this context, the present doctoral study focuses on the potential sources of metabolomic variations in a common coral reef‘s brown alga, Lobophora. To this end, four Lobophora species with various morphologies and habitats have been selected within the New Caledonian lagoon. We first sought to characterize and identify metabolites via traditional chemical approaches. Lobophorenols, previously identified in L. rosacea, were found in this species as well as polyolefin molecules in all studied species. Several bioactivity tests on various biological targets have been set up on algal fractions in a valorization goal and positive results were obtained during antibacterial screening against Staphylococcus aureus. In a second step, the sources of metabolomic variations were studied at several scales by non-targeted metabolomics approaches. These various studies showed that the metabolome of Lobophora is highly variable. The species have their own metabolomic fingerprinting, without intra-thallus variation. Their metabolome varies spatially, depending on the study sites and tested habitats, and over time in relation to environmental factors, such as temperature and salinity. In addition, low pH conditions also lead to metabolomic changes, both in natural conditions (Bouraké site) and under controlled conditions. Among the chemomarkers linked to these changing conditions, we identified lobophorenols as well as several of their potential derivatives, some oxygenated polyunsaturated fatty acid derivatives and polyolefin compounds. Although metabolomics has been successfully applied to discriminate species or to detect the effect of environmental stress, the present work also highlighted the difficulty of working on Lobophora genus, rich in fats and pigments, and the limitation in markers annotation due to the lack of available references for this group of marine organisms still under-researched using this approach