Investigation phytochimique d'une plante médicinale malgache Hypoestes serpens (Vahl) R. Br. (Acanthaceae) variété glabre et étude comparative avec la variété poilue

Résumé A Madagascar, comme dans plusieurs pays en développement, une grande partie de la population utilise les plantes pour se soigner. Plusieurs espèces des plantes sont ainsi utilisées en médecine traditionnelle malgache. Par ailleurs, la plupart de ces plantes ne font l'objet que de très peu d'étude scientifique. En effet, dans le cadre de l'investigation phytochimique de plantes utilisées en médecine traditionnelle malgache et dans la recherche des nouvelles substances biologiquement actives, Hypoestes serpens (Vahl) R. Br. (Acanthaceae) a été étudiée. Elle se présente sous deux variétés (glabre et poilue) qui sont tous utilisées dans la région sud-centre de Madagascar pour traiter la blennorragie. De l'extrait dichlorométhanique des feuilles de H. serpens (Vahl) R. Br. variété glabre, 12 diterpénoides dont 8 nouveaux ont été isolés. Ils ont tous montré une activité antifongique contre un champignon pathogène des plantes, Cladosporium cucumerinum, dans la bioautographie directe sur CCM. Quelques-uns ont également présenté une activité contre une levure saprophyte chez l'homme, Candida albicans et une activité inhibitrice de l'enzyme acétylcholinesterase. Les diterpènoïdes sont déjà considérés comme les principaux métabolites secondaires du genre Hypoestes. Le fractionnement de l'extrait méthanolique a conduit à l'isolement de 5 glycosides des flavonoïdes dont 4 sous formes C-g,lycosides qui n'ont jamais été identifiés dans la famille Acanthaceae. Ces flavonoïdes ont présenté une activité antiradicalaire contre le DPPH. Le fractionnement et la purification des extraits ont été effectués à l'aide des différentes techniques chromatographiques telles que la chromatographie sur colonne ouverte, la filtration sur gel, la chromatographie liquide à haute pression, la chromatographie liquide à moyenne pression et la chromatographie liquide à basse pression. Par ailleurs, les structures des composés isolés ont été élucidées par des techniques spectroscopiques (UV, MS, RMN) et de méthode chimique (hydrolyse acide). En plus de ces techniques, certaines méthodes physiques (cristallographie par rayons-X, mesure de rotation optique) ont été réalisées pour confirmer certaines structures. Comme l'espèce Hypoestes serpens (Vahl) R. Br. se présente en deux variétés, une étude comparative a été effectuée. Cette étude avait montré que ces deux variétés ont une activité biologique similaire. Finalement, une technique analytique couplée, HPLC-UV-APC1-MS a permis de montrer la présence de toutes les substances isolées de la variété glabre dans la variété poilue. Second résumé Depuis des milliers d'almées, l'homme utilise les plantes pour se soigner. De nos jours, même avec le développement de la médecine moderne, la phytothérapie reste toujours la forme des soins de santé abordable et accessible pour la majorité des populations rurales des pays en développement. En outre, les plantes médicinales constituent une source potentielle de molécules biologiquement actives pour les industries pharmaceutiques et actuellement, on estime que 25% des médicaments commercialisés dans le monde sont à base de plantes Dans le cadre de la recherche des nouvelles molécules à intérêt thérapeutique qui pourraient devenir un médicament ou un modèle de structure ("lead compound") pour le développement de nouveaux médicaments, nous avons fait une étude sur l'espèce, Hypoestes serpens (Vahl) R. Br, plante utilisée en médecine traditionnelle malgache. Cette espèce existe en deux variétés, une glabre et une autre poilue qui sont tous utilisées dans la région sud-centre de Madagascar pour traiter la blennorragie. Par ailleurs, les tradipraticiens utilisent de préférence la variété poilue. Dans la première partie de ce présent travail, une investigation phytochimique de H serpens, variété glabre (variété moins utilisée) a d'abord été effectuée afm d'isoler et d'identifier le maximum des molécules biologiquement actives qu'elle contient. De ce fait, 17 composés dont 8 nouveaux ont été isolés. Les potentiels d'activités thérapeutiques des substances isolées ont ensuite été dépistés sur les différents cibles suivants.: deux souches de champignons (Cladosporium cucumerinum et Candida albicans), l'enzyme acétylcholinesterase et le radical DPPH. La deuxième partie de ce travail a été consacrée sur l'étude comparative des deux variétés (glabre et poilue) de H. serpens à la fois sur le plan biologique et sur le plan phytochimique. A l'issue de cette comparaison, nous avons constaté que l'utilisation de ces deux variétés en médecine traditionnelle malgache n'est pas un hasard ; les deux variétés avaient présenté une activité biologique très remarquable et contiennent les mêmes substances actives. Ces résultats démontrent les potentiels thérapeutiques de H serpens en médecine traditionnelle malgache et pourraient également encourager les tradipraticiens à utiliser la variété glabre tout en protégeant la variété poilue qui est en voie de disparition actuellement. En bref, l'investigation phytochimique de H. serpens justifiée par l'isolement et l'identification de certains de ses principes actifs ouvre la voie aux recherches des médicaments d'origine naturelle. Abstract In Madagascar, as in many developing countries, most people use plants to cure. A large number of plant species are employed in Malagasy traditional medicine. Moreover, most of these plants have been subject only very little scientific study. As part of a phytochemical investigation of plants used in Malagasy traditional medicine and in the search for new biologically active substances, Hypoestes serpens (Vah1) R.Br. (Acanthaceae) was investigated. This species exists in two varieties (glabrous and hairy) which are used in the south-center part of Madagascar to treat gonorrhoea. From the dichloromethane extract of the leaves of H. serpens (Vah1) R. Br. glabrous variety, 12 diterpenoids 8 of which were new, were isolated. They showed antifungal activity against the plant pathogen Cladosporium cucumerinum, in the direct TLC bioautography. Some of them also had activity against the yeast Candida athicans and inhibited acetylcholinesterase. The diterpenes are considered as the principal secondary metabolites of the genus Hypoestes. Fractionation of the methanol extract led to the isolation of 5 flavonoid glycosides, 4 of which were C-glycosides, never before identified in the Acanthaceae family. These flavonoids showed radical scavenging activity against DPPH. The fractionation and the purification of the extracts were achieved by different chromatographic techniques such as open-column chromatography, gel filtration, high- pressure liquid chromatography, medium-pressure liquid chromatography and low-pressure liquid chromatography. Moreover, the structures of the isolated compounds were elucidated by spectroscopic techniques (UV, MS, NMR) and chemical technique (acid hydrolysis). In addition, some physical methods (X-ray crystallography, measurement of optical rotation) were performed to confirm some structures. As the species Hypoestes serpens (Vah1) R. Br. is present in two varieties, a comparative study was carried out. This study showed that these two varieties had similar biological activity. Finally, a coupled analytical technique HPLC-UV-APCI-MS showed the presence of the same compounds in both the glabrous and hairy varieties.

The Protein quality control system manages plant defence compound synthesis

Jasmonates are ubiquitous oxylipin-derived phytohormones that are essential in the regulation of many development, growth and defence processes. Across the plant kingdom, jasmonates act as elicitors of the production of bioactive secondarymetabolites that serve in defence against attackers. Knowledge of the conserved jasmonate perception and early signalling machineries is increasing, but the downstream mechanisms that regulate defence metabolism remain largely unknown. Herewe showthat, in the legumeMedicago truncatula, jasmonate recruits the endoplasmic-reticulum-associated degradation (ERAD)quality control system tomanagethe production of triterpene saponins, widespread bioactive compounds that share a biogenic origin with sterols. An ERAD-type RING membraneanchor E3 ubiquitin ligase is co-expressed with saponin synthesis enzymes to control the activity of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase (HMGR), the rate-limiting enzyme in the supply of the ubiquitous terpene precursor isopentenyl diphosphate. Thus, unrestrained bioactive saponin accumulationis prevented and plant development and integrity secured. This control apparatus is equivalent to the ERAD system that regulates sterol synthesis in yeasts and mammals but that uses distinct E3 ubiquitin ligases, of the HMGR degradation 1 (HRD1) type, to direct destruction of HMGR. Hence, the general principles for the management of sterol and triterpene saponin biosynthesis are conserved across eukaryotes but can be controlled by divergent regulatory cues.

Modulation of plant HMG-CoA reductase by protein phosphatase 2A: Positive and negative control at a key node of metabolism

The enzyme HMG-CoA reductase (HMGR) has a key regulatory role in the mevalonate pathway for isoprenoid biosynthesis, critical not only for normal plant development, but also for the adaptation to demanding environmental conditions. Consistent with this notion, plant HMGR is modulated by many diverse endogenous signals and external stimuli. Protein phosphatase 2A (PP2A) is involved in auxin, abscisic acid, ethylene and brassinosteroid signaling and now emerges as a positive and negative multilevel regulator of plant HMGR, both during normal growth and in response to a variety of stress conditions. The interaction with HMGR is mediated by B" regulatory subunits of PP2A, which are also calcium binding proteins. The new discoveries uncover the potential of PP2A to integrate developmental and calcium-mediated environmental signals in the control of plant HMGR.

Patrons de distribució de la flora invasora a la Vall d'Alinyà, evolució de la presència i propostes de gestió des de la perspectiva de l'ecologia aplicada

Tot i que la creixent amenaça de les plantes exòtiques invasores en els espais naturals és un fet evident, aquest problema és gairebé desconegut a la Vall d'Alinyà. Es van estudiar set punts de mostreig associats a quatre tipologies d'hàbitat per esbrinar la distribució de les plantes invasores en la Vall d'Alinyà, així com canvis recents en la seva composició, abundància i en el rang de distribució a partir de fonts bibliogràfiques. Es va desenvolupar un índex per quantificar la problemàtica de les invasions de flora exòtica en els diferents hàbitats estudiats. Els focus d'invasió van resultar estar associats a zones pertorbades, nuclis de població i baixes altituds. El canvi climàtic i els canvis en els usos del sòl podrien estar jugant un paper essencial en l'aparició de noves plantes invasores i en l'increment tant de l'abundància com de la cota altitudinal dels nivells més grans d'invasió. Tot i que la problemàtica associada a les plantes invasores en la Vall d'Alinyà és generalment baixa, algunes espècies com Senecio inaequidens representen una amenaça per a l'espai, motiu pel qual es proposa un pla de gestió per a la flora invasora.

Potential of local bio-geoengineering to mitigate dangerous temperature increases in a global warming scenario

Crops and forests are already responding to rising atmospheric carbon dioxide and air temperatures. Increasing atmospheric CO2 concentrations are expected to enhance plant photosynthesis. Nevertheless, after long-term exposure, plants acclimate and show a reduction in photosynthetic activity (i.e. down-regulation). If in the future the Earth"s temperature is allowed to rise further, plant ecosystems and food security will both face significant threats. The scientific community has recognized that an increase in global temperatures should remain below 2°C in order to combat climate change. All this evidence suggests that, in parallel with reductions in CO2 emissions, a more direct approach to mitigate global warming should be considered. We propose here that global warming could be partially mitigated directly through local bio-geoengineering approaches. For example, this could be done through the management of solar radiation at surface level, i.e. by increasing global albedo. Such an effect has been documented in the south-eastern part of Spain, where a significant surface air temperature trend of -0.3°C per decade has been observed due to a dramatic expansion of greenhouse horticulture.

Carbohydrate and nitrogen stores in Festuca paniculata under mowing explain dominance in subalpine grasslands

Cessation of traditional management threatens semi-natural grassland diversity through the colonisation or increase of competitive species adapted to nutrient-poor conditions. Regular mowing is one practice that controls their abundance. This study evaluated the ecophysiological mechanisms limiting short- and long-term recovery after mowing for Festuca paniculata, a competitive grass that takes over subalpine grasslands in the Alps following cessation of mowing. We quantified temporal variations in carbon (C) and nitrogen (N) content, starch, fructan and total soluble sugars in leaves, stem bases and roots of F. paniculata during one growth cycle in mown and unmown fields and related them to the dynamics of soil mineral N concentration and soil moisture. Short-term results suggest that the regrowth of F. paniculata following mowing might be N-limited, first because of N dilution by C increments in the plant tissue, and second, due to low soil mineral N and soil moisture at this time of year. However, despite short-term effects of mowing on plant growth, C and N content and concentration at the beginning of the following growing season were not affected. Nevertheless, total biomass accumulation at peak standing biomass was largely reduced compared to unmown fields. Moreover, lower C storage capacity at the end of the growing season impacted C allocation to vegetative reproduction during winter, thereby dramatically limiting the horizontal growth of F. paniculata tussocks in the long term. We conclude that mowing reduces the growth of F. paniculata tussocks through both C and N limitation. Such results will help understanding how plant responses to defoliation regulate competitive interactions within plant communities.

Pauson-Khand Adducts of N-Boc-propargylamine: A New Approach to 4,5-Disubstituted Cyclopentenones

A new approach to the synthesis of 4,5-disubstituted cyclopentenones is described. The strategy is based on the Pauson-Khand (PK) reaction of norbornadiene and N-Boc-propargylamine as alkyne with a masked leaving group, which can be eliminated at will. This approach to the synthesis of 4,5-disubstituted cyclopentenones overcomes the problem of using the alkylation to introduce the alpha-side-chain. As an example, prostane 13-epi-12-oxo-phytodienoic acid (13-epi-12-oxo-PDA) methyl ester was synthesized.

Multi-scale systems analysis of plant development : beyond cellular signaling and tissue morphodynamics

Les plantes sont essentielles pour les sociétés humaines. Notre alimentation quotidienne, les matériaux de constructions et les sources énergétiques dérivent de la biomasse végétale. En revanche, la compréhension des multiples aspects développementaux des plantes est encore peu exploitée et représente un sujet de recherche majeur pour la science. L'émergence des technologies à haut débit pour le séquençage de génome à grande échelle ou l'imagerie de haute résolution permet à présent de produire des quantités énormes d'information. L'analyse informatique est une façon d'intégrer ces données et de réduire la complexité apparente vers une échelle d'abstraction appropriée, dont la finalité est de fournir des perspectives de recherches ciblées. Ceci représente la raison première de cette thèse. En d'autres termes, nous appliquons des méthodes descriptives et prédictives combinées à des simulations numériques afin d'apporter des solutions originales à des problèmes relatifs à la morphogénèse à l'échelle de la cellule et de l'organe. Nous nous sommes fixés parmi les objectifs principaux de cette thèse d'élucider de quelle manière l'interaction croisée des phytohormones auxine et brassinosteroïdes (BRs) détermine la croissance de la cellule dans la racine du méristème apical d'Arabidopsis thaliana, l'organisme modèle de référence pour les études moléculaires en plantes. Pour reconstruire le réseau de signalement cellulaire, nous avons extrait de la littérature les informations pertinentes concernant les relations entre les protéines impliquées dans la transduction des signaux hormonaux. Le réseau a ensuite été modélisé en utilisant un formalisme logique et qualitatif pour pallier l'absence de données quantitatives. Tout d'abord, Les résultats ont permis de confirmer que l'auxine et les BRs agissent en synergie pour contrôler la croissance de la cellule, puis, d'expliquer des observations phénotypiques paradoxales et au final, de mettre à jour une interaction clef entre deux protéines dans la maintenance du méristème de la racine. Une étude ultérieure chez la plante modèle Brachypodium dystachion (Brachypo- dium) a révélé l'ajustement du réseau d'interaction croisée entre auxine et éthylène par rapport à Arabidopsis. Chez ce dernier, interférer avec la biosynthèse de l'auxine mène à la formation d'une racine courte. Néanmoins, nous avons isolé chez Brachypodium un mutant hypomorphique dans la biosynthèse de l'auxine qui affiche une racine plus longue. Nous avons alors conduit une analyse morphométrique qui a confirmé que des cellules plus anisotropique (plus fines et longues) sont à l'origine de ce phénotype racinaire. Des analyses plus approfondies ont démontré que la différence phénotypique entre Brachypodium et Arabidopsis s'explique par une inversion de la fonction régulatrice dans la relation entre le réseau de signalisation par l'éthylène et la biosynthèse de l'auxine. L'analyse morphométrique utilisée dans l'étude précédente exploite le pipeline de traitement d'image de notre méthode d'histologie quantitative. Pendant la croissance secondaire, la symétrie bilatérale de l'hypocotyle est remplacée par une symétrie radiale et une organisation concentrique des tissus constitutifs. Ces tissus sont initialement composés d'une douzaine de cellules mais peuvent aisément atteindre des dizaines de milliers dans les derniers stades du développement. Cette échelle dépasse largement le seuil d'investigation par les moyens dits 'traditionnels' comme l'imagerie directe de tissus en profondeur. L'étude de ce système pendant cette phase de développement ne peut se faire qu'en réalisant des coupes fines de l'organe, ce qui empêche une compréhension des phénomènes cellulaires dynamiques sous-jacents. Nous y avons remédié en proposant une stratégie originale nommée, histologie quantitative. De fait, nous avons extrait l'information contenue dans des images de très haute résolution de sections transverses d'hypocotyles en utilisant un pipeline d'analyse et de segmentation d'image à grande échelle. Nous l'avons ensuite combiné avec un algorithme de reconnaissance automatique des cellules. Cet outil nous a permis de réaliser une description quantitative de la progression de la croissance secondaire révélant des schémas développementales non-apparents avec une inspection visuelle classique. La formation de pôle de phloèmes en structure répétée et espacée entre eux d'une longueur constante illustre les bénéfices de notre approche. Par ailleurs, l'exploitation approfondie de ces résultats a montré un changement de croissance anisotropique des cellules du cambium et du phloème qui semble en phase avec l'expansion du xylème. Combinant des outils génétiques et de la modélisation biomécanique, nous avons démontré que seule la croissance plus rapide des tissus internes peut produire une réorientation de l'axe de croissance anisotropique des tissus périphériques. Cette prédiction a été confirmée par le calcul du ratio des taux de croissance du xylème et du phloème au cours de développement secondaire ; des ratios élevés sont effectivement observés et concomitant à l'établissement progressif et tangentiel du cambium. Ces résultats suggèrent un mécanisme d'auto-organisation établi par un gradient de division méristématique qui génèrent une distribution de contraintes mécaniques. Ceci réoriente la croissance anisotropique des tissus périphériques pour supporter la croissance secondaire. - Plants are essential for human society, because our daily food, construction materials and sustainable energy are derived from plant biomass. Yet, despite this importance, the multiple developmental aspects of plants are still poorly understood and represent a major challenge for science. With the emergence of high throughput devices for genome sequencing and high-resolution imaging, data has never been so easy to collect, generating huge amounts of information. Computational analysis is one way to integrate those data and to decrease the apparent complexity towards an appropriate scale of abstraction with the aim to eventually provide new answers and direct further research perspectives. This is the motivation behind this thesis work, i.e. the application of descriptive and predictive analytics combined with computational modeling to answer problems that revolve around morphogenesis at the subcellular and organ scale. One of the goals of this thesis is to elucidate how the auxin-brassinosteroid phytohormone interaction determines the cell growth in the root apical meristem of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), the plant model of reference for molecular studies. The pertinent information about signaling protein relationships was obtained through the literature to reconstruct the entire hormonal crosstalk. Due to a lack of quantitative information, we employed a qualitative modeling formalism. This work permitted to confirm the synergistic effect of the hormonal crosstalk on cell elongation, to explain some of our paradoxical mutant phenotypes and to predict a novel interaction between the BREVIS RADIX (BRX) protein and the transcription factor MONOPTEROS (MP),which turned out to be critical for the maintenance of the root meristem. On the same subcellular scale, another study in the monocot model Brachypodium dystachion (Brachypodium) revealed an alternative wiring of auxin-ethylene crosstalk as compared to Arabidopsis. In the latter, increasing interference with auxin biosynthesis results in progressively shorter roots. By contrast, a hypomorphic Brachypodium mutant isolated in this study in an enzyme of the auxin biosynthesis pathway displayed a dramatically longer seminal root. Our morphometric analysis confirmed that more anisotropic cells (thinner and longer) are principally responsible for the mutant root phenotype. Further characterization pointed towards an inverted regulatory logic in the relation between ethylene signaling and auxin biosynthesis in Brachypodium as compared to Arabidopsis, which explains the phenotypic discrepancy. Finally, the morphometric analysis of hypocotyl secondary growth that we applied in this study was performed with the image-processing pipeline of our quantitative histology method. During its secondary growth, the hypocotyl reorganizes its primary bilateral symmetry to a radial symmetry of highly specialized tissues comprising several thousand cells, starting with a few dozens. However, such a scale only permits observations in thin cross-sections, severely hampering a comprehensive analysis of the morphodynamics involved. Our quantitative histology strategy overcomes this limitation. We acquired hypocotyl cross-sections from tiled high-resolution images and extracted their information content using custom high-throughput image processing and segmentation. Coupled with an automated cell type recognition algorithm, it allows precise quantitative characterization of vascular development and reveals developmental patterns that were not evident from visual inspection, for example the steady interspace distance of the phloem poles. Further analyses indicated a change in growth anisotropy of cambial and phloem cells, which appeared in phase with the expansion of xylem. Combining genetic tools and computational modeling, we showed that the reorientation of growth anisotropy axis of peripheral tissue layers only occurs when the growth rate of central tissue is higher than the peripheral one. This was confirmed by the calculation of the ratio of the growth rate xylem to phloem throughout secondary growth. High ratios are indeed observed and concomitant with the homogenization of cambium anisotropy. These results suggest a self-organization mechanism, promoted by a gradient of division in the cambium that generates a pattern of mechanical constraints. This, in turn, reorients the growth anisotropy of peripheral tissues to sustain the secondary growth.

Pauson-Khand Adducts of N-Boc-propargylamine: A New Approach to 4,5-Disubstituted Cyclopentenones

A new approach to the synthesis of 4,5-disubstituted cyclopentenones is described. The strategy is based on the Pauson-Khand (PK) reaction of norbornadiene and N-Boc-propargylamine as alkyne with a masked leaving group, which can be eliminated at will. This approach to the synthesis of 4,5-disubstituted cyclopentenones overcomes the problem of using the alkylation to introduce the alpha-side-chain. As an example, prostane 13-epi-12-oxo-phytodienoic acid (13-epi-12-oxo-PDA) methyl ester was synthesized.

The Protein quality control system manages plant defence compound synthesis

Jasmonates are ubiquitous oxylipin-derived phytohormones that are essential in the regulation of many development, growth and defence processes. Across the plant kingdom, jasmonates act as elicitors of the production of bioactive secondarymetabolites that serve in defence against attackers. Knowledge of the conserved jasmonate perception and early signalling machineries is increasing, but the downstream mechanisms that regulate defence metabolism remain largely unknown. Herewe showthat, in the legumeMedicago truncatula, jasmonate recruits the endoplasmic-reticulum-associated degradation (ERAD)quality control system tomanagethe production of triterpene saponins, widespread bioactive compounds that share a biogenic origin with sterols. An ERAD-type RING membraneanchor E3 ubiquitin ligase is co-expressed with saponin synthesis enzymes to control the activity of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase (HMGR), the rate-limiting enzyme in the supply of the ubiquitous terpene precursor isopentenyl diphosphate. Thus, unrestrained bioactive saponin accumulationis prevented and plant development and integrity secured. This control apparatus is equivalent to the ERAD system that regulates sterol synthesis in yeasts and mammals but that uses distinct E3 ubiquitin ligases, of the HMGR degradation 1 (HRD1) type, to direct destruction of HMGR. Hence, the general principles for the management of sterol and triterpene saponin biosynthesis are conserved across eukaryotes but can be controlled by divergent regulatory cues.

The Protein quality control system manages plant defence compound synthesis

Jasmonates are ubiquitous oxylipin-derived phytohormones that are essential in the regulation of many development, growth and defence processes. Across the plant kingdom, jasmonates act as elicitors of the production of bioactive secondarymetabolites that serve in defence against attackers. Knowledge of the conserved jasmonate perception and early signalling machineries is increasing, but the downstream mechanisms that regulate defence metabolism remain largely unknown. Herewe showthat, in the legumeMedicago truncatula, jasmonate recruits the endoplasmic-reticulum-associated degradation (ERAD)quality control system tomanagethe production of triterpene saponins, widespread bioactive compounds that share a biogenic origin with sterols. An ERAD-type RING membraneanchor E3 ubiquitin ligase is co-expressed with saponin synthesis enzymes to control the activity of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase (HMGR), the rate-limiting enzyme in the supply of the ubiquitous terpene precursor isopentenyl diphosphate. Thus, unrestrained bioactive saponin accumulationis prevented and plant development and integrity secured. This control apparatus is equivalent to the ERAD system that regulates sterol synthesis in yeasts and mammals but that uses distinct E3 ubiquitin ligases, of the HMGR degradation 1 (HRD1) type, to direct destruction of HMGR. Hence, the general principles for the management of sterol and triterpene saponin biosynthesis are conserved across eukaryotes but can be controlled by divergent regulatory cues.

The Protein quality control system manages plant defence compound synthesis

Jasmonates are ubiquitous oxylipin-derived phytohormones that are essential in the regulation of many development, growth and defence processes. Across the plant kingdom, jasmonates act as elicitors of the production of bioactive secondarymetabolites that serve in defence against attackers. Knowledge of the conserved jasmonate perception and early signalling machineries is increasing, but the downstream mechanisms that regulate defence metabolism remain largely unknown. Herewe showthat, in the legumeMedicago truncatula, jasmonate recruits the endoplasmic-reticulum-associated degradation (ERAD)quality control system tomanagethe production of triterpene saponins, widespread bioactive compounds that share a biogenic origin with sterols. An ERAD-type RING membraneanchor E3 ubiquitin ligase is co-expressed with saponin synthesis enzymes to control the activity of 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase (HMGR), the rate-limiting enzyme in the supply of the ubiquitous terpene precursor isopentenyl diphosphate. Thus, unrestrained bioactive saponin accumulationis prevented and plant development and integrity secured. This control apparatus is equivalent to the ERAD system that regulates sterol synthesis in yeasts and mammals but that uses distinct E3 ubiquitin ligases, of the HMGR degradation 1 (HRD1) type, to direct destruction of HMGR. Hence, the general principles for the management of sterol and triterpene saponin biosynthesis are conserved across eukaryotes but can be controlled by divergent regulatory cues.

Characterization and functional identification of a novel plant extradiol 4,5-dioxygenase involved in betalain pigment biosynthesis in Portulaca Grandiflora

RESUME Les bétalaïnes sont des pigments chromo-alcaloïdes violets et jaunes présents dans les plantes appartenant à l'ordre des Caryophyllales et dans les champignons des genres Amanita et Hygrocybe. Leur courte voie de biosynthèse est élucidée chimiquement depuis de nombreuses années, mais les enzymes impliquées dans cette biosynthèse chez les plantes ne sont toujours pas caractérisées. L'enzyme de la DOPA-dioxygénase d' Amanita muscaria a été identifiée (Girod et Zryd, 1991a), mais de nombreuses tentatives d'isolation d'un homologue chez les plantes ont échoué. Afin d'isoler les gènes spécifiques des bétalaïnes chez les plantes, nous avons construit des banques soustraites d'ADNc à partir d'ARN total de pétales immatures de Portulaca grandiflora (Pg) de génotypes jaunes et blancs, respectivement violets et blancs. Les clones couleur- spécifiques ont été détectés en premier par analyse Northem du RNA de pétales blancs et colorés. Les candidats positifs ont alors été soumis à une analyse de transcription au niveau des tiges colorées, vertes et des feuilles, afin d'établir leur expression spécifique. Deux ARNs messagers complets ont une expression corrélée avec l'accumulation des bétalaïnes dans les tissus. Le premier de ces clones, A.16, code pour une oxydase de l'acyl-Coenzyme A (ACX) putative, mais le domaine de liaison du FAD essentiel pour l'activité d'ACX est absent. Toutes nos tentatives pour démontrer sa fonction ont échoué. Le rôle de cette protéine dans la voie de synthèse des bétalaïnes reste inconnu. Le deuxième de ces clones spécifique aux bétalaïnes, L.6 (isolé par Zaiko, 2000), a été renommé DODA en raison de son homologie avec le domaine LigB (pfam02900) d'une 4,5-dioxygénase extradiol bactérienne. DODA a été identifié in silico comme une dioxygénase extradiol en raison de la conservation stricte, au niveau de sa séquence peptidique, des résidus catalytiques de LigB et de ceux liant le cofacteur fer. Une analyse de transfert Southem a montré que ce gène est unique dans Pg. L'expression transitoire de DODA par transformation biolistique dans des pétales blancs de Pg a produit des taches violettes ou jaunes dans des cellules transformées. Une analyse HPLC de ces taches a démontré leur identité avec les bétalaïnes présentes naturellement dans les pétales violets et jaunes de Pg, confirmant ainsi la complémentation par le gène Pg DODA de l'allèle récessif cc présent dans les pétales blancs de Pg. Des homologues de DODA (DOPA-dioxygénase) ont été identifiés dans de nombreuses espèces de plantes, y compris dans celles sans bétalaïne. L'alignement de ces homologues a permis l'identification d'un motif spécifique aux bétalaïnes à côté d'une histidine catalytique conservée. Ce motif [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] remplace le motif [H-N-L-R] conservé dans les plantes sans bétalaïne et le motif [H-N-L-x] présent dans tous les homologues bactériens et archaebactériens. Une modélisation tridimensionnelle préliminaire du site actif de Pg DODA et de son homologue dans la mousse Physcomitrella patens a montré l'importance de ce motif spécifique aux bétalaïnes pour l'accessibilité du substrat au site actif. L'analyse phylogénétique de DODA a confirmé l'évolution séparée de cette protéine chez les plantes à bétalaïnes par comparaison avec celle des plantes sans bétalaïne. Nous avons donc conclu que les bétalaïnes sont apparues par modification de l'affinité pour un substrat d'enzymes similaires à DODA, chez un ancêtre unique des Caryophyllales qui a perdu toute capacité de biosynthèse des anthocyanes. Finalement, Pg DODA n'a aucune similarité avec la protéine DODA d' Amanita muscaria, bien que celle-ci complémente aussi la pigmentation des pétales blancs de Pg. La biosynthèse des bétalaïnes est un exemple remarquable de convergence évolutive biochimique indépendante entre espèces de règnes différents. ABSTRACT Betalains are violet and yellow chromo-alkaloid pigments present in plants belonging to the order Caryophyllales and also in the fungal genera Amanita and Hygrocybe. Their short biosynthetic pathway is chemically well understood since many years, but enzymes involved in the plant pathway are still uncharacterized. The DOPA-dioxygenase from Amanita muscaria was identified (Girod and Zryd, 1991a), but numerous attempts to identify a plant homologue to the corresponding gene, failed. In order to isolate betalain-specific genes in plants, subtractive cDNA libraries were built with total RNA from white and yellow and respectively, violet immature petals from Portulaca grandiflora (Pg) genotypes. Colour-specific clones were first detected by Northern blot analysis using RNA from white and coloured petals. Positive candidates were submitted to further transcription analysis in coloured, green stems and leaves in order to assess their specific expression. Two full-length mRNAs showed a correlated expression with betalain accumulation in tissues. One of them, A.16, encodes a putative acyl-Coenzyme A oxidase (ACX), but missing the FAD binding domain essential for the ACX activity. Thus, all attempts to demonstrate its function failed. The role of this protein in the betalain biosynthesis pathway, if any, is still unknown. The second betalain-specific mRNA, L.6 (isolated by Zaiko, 2000) shows a homology with a LigB domain (pfam02900) from a bacterial extradiol 4,5-dioxygenase. It was then renamed DODA (DOPA-dioxygenase). DODA was identified in silico as a highly conserved extradiol dioxygenase due to the strict conservation of its peptidic sequence with LigB catalytic residues and iron-binding cofactor residues. Southern blot analysis showed that this gene is a single copy-gene in Pg. Transient expression of DODA protein through biolistic transformation of Pg white petals produced violet or yellow spots in individual cells. HPLC analysis of these spots showed an identity with betalain pigments present naturally in yellow and violet Pg petals, thus confirming the complementation of the recessive cc allele present in Pg white petals by Pg DODA gene. DODA homologues were identified in numerous plant species including those without betalain. Alignment of these homologues allowed the identification of a betalain-specific pattern beside a highly conserved catalytic histidine. This [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] pattern replaces a [H-N-L-R] pattern strictly conserved in non-betalain plants and a [H-N-L-x] pattern present in all bacterial and archaebacterial homologues. Preliminary three-dimensional modeling of the active site of Pg DODA and its Physcomitrella patens moss homologue revealed the importance of this betalain-specific pattern for the substrate accessibility to the DODA active site. DODA phylogenetic analysis confirmed the separate evolution of this protein in betalain-producing plants. We conclude that betalain pigments appeared in a unique ancestor of the Caryophyllales order in which anthocyanin biosynthetic pathway was impaired, by a modification of enzymes of the DODA family for substrate affinity. The Pg DODA protein has no sequence similarity with Amanita muscaria DODA, despite the fact that they both complement Pg white petals for their pigmentation. Betalain biosynthesis is an interesting example of independent biochemical evolutionary convergence between species from different kingdoms.

Phytochemical investigation of plants used in African traditional medicine: "Dioscorea sylvatica" (Dioscoreaceae), "Urginea altissima" (Liliaceae), "Jamesbrittenia fodina" and "Jamesbrittenia elegantissima" (Scrophulariaceae)

Les plantes médicinales représentent la seule source de médicaments pour près de 90 % de la population de certains pays d?Afrique. Le savoir-faire des guérisseurs traditionnels, d?une valeur inestimable, représente un point de départ pour l?investigation pharmacologique et phytochimique de ces médicaments naturels. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes dans un premier temps intéressés à valider l?utilisation en médecine traditionnelle de deux plantes, Diuscorea sylvatica (Dioscoreaceae) et Urginea altissima (Liliaceae), qui produisent, lorsqu?elles sont frottées sur la peau, une inflammation et des démangeaisons. Ces réactions cutanées ont pu être expliquées, au moins en partie, par la présence d?aiguilles acérées d?oxalate de calcium dans les organes souterrains. Ces microtraumatismes répétés de l?épiderme risquent de provoquer, lors d?une utilisation prolongée, des lésions granulomateuses. L?histamine n?a pas été détectée, mais d?autres substances pourraient être impliquées dans le processus inflammatoire. La seconde partie de ce travail a consisté en la détection, l?isolement et la caractérisation de nouveaux composés naturels présentant un intérêt thérapeutique potentiel. 70 extraits provenant de 28 plantes supérieures du Zimbabwe ont été soumis à un criblage chimique et biologique. Les extraits méthanoliques des parties aériennes de Jamesbrittenia fodina et J. elegantissima (Scrophulariaceae) ont été sélectionnés sur la base de leurs nombreuses activités. Le fractionnement guidé par l?activité de J. fudina a permis l?isolement des saponines A et B, responsables des activités antifongique, antibactérienne et molluscicide de l?extrait. De plus, les deux saponines ont montré une activité équivalente en tant qu?inhibiteurs de l?acétylcholinestérase, propriété encore non décrite pour cette classe de composés. Une analyse LC/uv/MS de l?extrait a permis d?attribuer l?activité antiradicalaire au verbascoside, un dérivé du phenylpropane; cette analyse a de plus montré la présence d?une série de dérivés de l?acide cinnamique, dont l?isolement a été entrepris. Deux problèmes d?instabilité sont apparus, empêchant l?isolement des composés par des méthodes chromatographiques de pointe, en dépit de très bonnes conditions de séparations. Des analyses LC/?H-NMR combinées à des analyses RMN classiques des mélanges ont permis d?attribuer ces instabilités d?une part à une isomérisation cis/trans induite par la lumière, et d?autre part à une transacylation du groupe cinnamoyl sur une unité de sucre. Ceci a permis l?identification de 12 esters cinnamiques d?iridoïdes, dont 8 nouveaux produits naturels. Ces dérivés présentent un intérêt thérapeutique, car des composés similaires ont montré des propriétés anti-inflammatoires significatives dans différents modèles in vivo. Deux flavanones ont aussi été isolées de l?extrait. Cette classe de composés n?a jamais été rapportée chez un membre des Scrophulariaceae. Une analyse LC/UV/MS comparative des extraits polaires des deux espèces, J. fodina et J. elegantissima, a été effectuée pour détecter la présence éventuelle de compos.és communs. Les saponines A et B et le verbascoside ont été identifiés dans l?extrait de J. elegantissima. Trois flavonoïdes ont de plus été isolés de ce dernier par CPC et HPLC semi-préparative.<br/><br/>In certain African countries, medicinal plants represent the unique source of to 90% of the population. The knowledge of traditional healers represents a basis for the pharmacological and phytochemical investigation of these natural medicines. This work first focused on the validation of use of two plants frequently employed in traditional medicine, Dioscorea sylvatica (Dioscoreaceae) and Urginea altissimu (Liliaceae), which produce mild inflammation and itching when rubbed on the skin. These cutaneous reactions were shown to be due, at least in part, to the presence of sharp needles of calcium oxalate, implying the risk of granulomatous lesions following a long term use. Histamine was not detected, but other compounds could be involved in the inflammatory process. The second part of this work consisted of the detection, isolation and characterisation of new natural compounds of potential therapeutic interest from African plants. Seventy extracts obtained from 28 higher plants of Zimbabwe were submitted to a chemical and biological screening. The methanol extracts of the whole plants of Jamesbrittenia fodina and J. elegantissima (Scrophulariaceae) were selected for their various activities. An activity-guided fractionation of J. fodina led to the isolation of the saponins A and B, responsible for the antifungal, antibacterial and molluscicidal properties. Both saponins were equally active as inhibitors of acetylcholinesterase, a property that has, to our knowledge, never been described for this class of compounds. A LC/UV/MS analysis of the extract allowed the identification of verbascoside as the product with radical scavenging activity, and indicated the presence of a series of potentially interesting cinnamic acid derivatives. Two types of instability problems occurred in the course of their isolation, as some compounds could not be separated despite very good chromatographic conditions. LC/'H-NMR analyses combined with in-mixture NMR analyses enabled the attribution of the cause of the instability in one case to a cidtrans light-induced isomerisation, and in the other case to a transacylation of the cinnamoyl moiety on a sugar residue. These problems of instability have not been the object of previous studies. 12 cinnamic iridoid esters could be characterised, 8 of these being new natural compounds. Several similar substances have displayed significant anti-inflammatory properties in different in vivo models, suggesting a therapeutic interest for these new derivatives. Two flavanones were isolated from the same extract. This class of compound has not been previously reported from species of the Scrophulariaceae family. A comparative LCAJVNS study of the polar extracts of the two species J. elegantissima and J. fodina was performed in order to detect possible common compounds. Saponins A and B and verbascoside were thus identified in .J. elegantissima. Moreover, three supplementary flavonoids were isolated from J. elegantissima..