Extraction of DNA from honey and its amplification by PCR for botanical identification

The physiochemical and biological properties of honey are directly associated to its floral origin. Some current commonly used methods for identification of botanical origin of honey involve palynological analysis, chromatographic methods, or direct observation of the bee behavior. However, these methods can be less sensitive and time consuming. DNA-based methods have become popular due to their simplicity, quickness, and reliability. The main objective of this research is to introduce a protocol for the extraction of DNA from honey and demonstrate that the molecular analysis of the extracted DNA can be used for its botanical identification. The original CTAB-based protocol for the extraction of DNA from plants was modified and used in the DNA extraction from honey. DNA extraction was carried out from different honey samples with similar results in each replication. The extracted DNA was amplified by PCR using plant specific primers, confirming that the DNA extracted using the modified protocol is of plant origin and has good quality for analysis of PCR products and that it can be used for botanical identification of honey.

Wood species identification by visual characterization of fibers

Kandidaatintyö tehtiin osana PulpVision-tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena on kehittää kuvapohjaisia laskenta- ja luokittelumetodeja sellun laaduntarkkailuun paperin valmistuksessa. Tämän tutkimusprojektin osana on aiemmin kehitetty metodi, jolla etsittiin kaarevia rakenteita kuvista, ja tätä metodia hyödynnettiin kuitujen etsintään kuvista. Tätä metodia käytettiin lähtökohtana kandidaatintyölle. Työn tarkoituksena oli tutkia, voidaanko erilaisista kuitukuvista laskettujen piirteiden avulla tunnistaa kuvassa olevien kuitujen laji. Näissä kuitukuvissa oli kuituja neljästä eri puulajista ja yhdestä kasvista. Nämä lajit olivat akasia, koivu, mänty, eukalyptus ja vehnä. Jokaisesta lajista valittiin 100 kuitukuvaa ja nämä kuvat jaettiin kahteen ryhmään, joista ensimmäistä käytettiin opetusryhmänä ja toista testausryhmänä. Opetusryhmän avulla jokaiselle kuitulajille laskettiin näitä kuvaavia piirteitä, joiden avulla pyrittiin tunnistamaan testausryhmän kuvissa olevat kuitulajit. Nämä kuvat oli tuottanut CEMIS-Oulu (Center for Measurement and Information Systems), joka on mittaustekniikkaan keskittynyt yksikkö Oulun yliopistossa. Yksittäiselle opetusryhmän kuitukuvalle laskettiin keskiarvot ja keskihajonnat kolmesta eri piirteestä, jotka olivat pituus, leveys ja kaarevuus. Lisäksi laskettiin, kuinka monta kuitua kuvasta löydettiin. Näiden piirteiden eri yhdistelmien avulla testattiin tunnistamisen tarkkuutta käyttämällä k:n lähimmän naapurin menetelmää ja Naiivi Bayes -luokitinta testausryhmän kuville. Testeistä saatiin lupaavia tuloksia muun muassa pituuden ja leveyden keskiarvoja käytettäessä saavutettiin jopa noin 98 %:n tarkkuus molemmilla algoritmeilla. Tunnistuksessa kuitujen keskimäärinen pituus vaikutti olevan kuitukuvia parhaiten kuvaava piirre. Käytettyjen algoritmien välillä ei ollut suurta vaihtelua tarkkuudessa. Testeissä saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että kuitukuvien tunnistaminen on mahdollista. Testien perusteella kuitukuvista tarvitsee laskea vain kaksi piirrettä, joilla kuidut voidaan tunnistaa tarkasti. Käytetyt lajittelualgoritmit olivat hyvin yksinkertaisia, mutta ne toimivat testeissä hyvin.

Plant rhizosphere specificity and variability in the insect and plant adhesins, Madl and Mad2, within the genus Metarhizium suggest plant adaptation as an evolutionary force

Metarhizium is a soil-inhabiting fungus currently used as a biological control agent against various insect species, and research efforts are typically focused on its ability to kill insects. In section 1, we tested the hypothesis that species of Metarhizium are not randomly distributed in soils but show plant rhizosphere-specific associations. Results indicated an association of three Metarhizium species (Metarhizium robertsii, M. brunneum and M. guizhouense) with the rhizosphere of certain types of plant species. M. robertsii was the only species that was found associated with grass roots, suggesting a possible exclusion of M. brunneum and M. guizhouense, which was supported by in vitro experiments with grass root exudate. M. guizhouense and M. brunneum only associated with wildflower rhizosphere when co-occurring with M. robertsii. With the exception of these co-occurrences, M. guizhouense was found to associate exclusively with the rhizosphere of tree species, while M. brunneum was found to associate exclusively with the rhizosphere of shrubs and trees. These associations demonstrate that different species of Metarhizium associate with specific plant types. In section 2, we explored the variation in the insect adhesin, Madl, and the plant adhesin, Mad2, in fourteen isolates of Metarhizium representing seven different species. Analysis of the transcriptional elements within the Mad2 promoter region revealed variable STRE, PDS, degenerative TATA box, and TATA box-like regions. Phylogenetic analysis of 5' EF-Ia, which is used for species identification, as well as Madl and Mad2 sequences demonstrated that the Mad2 phylogeny is more congruent with 5' EF-1a than Madl. This suggests Mad2 has diverged among Metarhizium lineages, contributing to clade- and species-specific variation. While other abiotic and biotic factors cannot be excluded in contributing to divergence, it appears that plant associations have been the driving factor causing divergence among Metarhizium species.

Variability in the Insect and Plant Adhesins, Mad1 and Mad2, within the Fungal Genus Metarhizium Suggest Plant Adaptation as an Evolutionary Force

Several species of the insect pathogenic fungus Metarhizium are associated with certain plant types and genome analyses suggested a bifunctional lifestyle; as an insect pathogen and as a plant symbiont. Here we wanted to explore whether there was more variation in genes devoted to plant association (Mad2) or to insect association (Mad1) overall in the genus Metarhizium. Greater divergence within the genus Metarhizium in one of these genes may provide evidence for whether host insect or plant is a driving force in adaptation and evolution in the genus Metarhizium. We compared differences in variation in the insect adhesin gene, Mad1, which enables attachment to insect cuticle, and the plant adhesin gene, Mad2, which enables attachment to plants. Overall variation for the Mad1 promoter region (7.1%), Mad1 open reading frame (6.7%), and Mad2 open reading frame (7.4%) were similar, while it was higher in the Mad2 promoter region (9.9%). Analysis of the transcriptional elements within the Mad2 promoter region revealed variable STRE, PDS, degenerative TATA box, and TATA box-like regions, while this level of variation was not found for Mad1. Sequences were also phylogenetically compared to EF-1a, which is used for species identification, in 14 isolates representing 7 different species in the genus Metarhizium. Phylogenetic analysis demonstrated that the Mad2 phylogeny is more congruent with 59 EF-1a than Mad1. This would suggest that Mad2 has diverged among Metarhizium lineages, contributing to clade- and species-specific variation, while it appears that Mad1 has been largely conserved. While other abiotic and biotic factors cannot be excluded in contributing to divergence, these results suggest that plant relationships, rather than insect host, have been a major driving factor in the divergence of the genus Metarhizium.

Identification and characterization of a Catharanthus roseus mutant altered in monoterpenoid indole alkaloid biosynthesis

The Madagascar periwinkle [Catharanthus roseus (L.) G. Don] is a commercially important horticultural flower species and is the only source for several pharmaceutically valuable monoterpenoid indole alkaloids (MIAs), including the powerful antihypertensive ajmalicine and the antineoplastic agents vincristine and vinblastine. While biosynthesis of MIA precursors has been elucidated, conversion of the common MIA precursor strictosidine to MIAs of different families, for example ajmalicine, catharanthine or vindoline, remains uncharacterized. Deglycosylation of strictosidine by the key enzyme Strictosidine beta-glucosidase (SGD) leads to a pool of uncharacterized reaction products that are diverted into the different MIA families, but the downstream reactions are uncharacterized. Screening of 3600 EMS (ethyl methane sulfonate) mutagenized C. roseus plants to identify mutants with altered MIA profiles yielded one plant with high ajmalicine, and low catharanthine and vindoline content. RNA sequencing and comparative bioinformatics of mutant and wildtype plants showed up-regulation of SGD and the transcriptional repressor Zinc finger Catharanthus transcription factor (ZCT1) in the mutant line. The increased SGD activity in mutants seems to yield a larger pool of uncharacterized SGD reaction products that are channeled away from catharanthine and vindoline towards biosynthesis of ajmalicine when compared to the wildtype. Further bioinformatic analyses, and crossings between mutant and wildtype suggest a transcription factor upstream of SGD and ZCT1 to be mutated, leading to up-regulation of Sgd and Zct1. The crossing experiments further show that biosynthesis of the different MIA families is differentially regulated and highly complex. Three new transcription factors were identified by bioinformatics that seem to be involved in the regulation of Zct1 and Sgd expression, leading to the high ajmalicine phenotype. Increased cathenamine reductase activity in the mutant converts the pool of SGD reaction products into ajmalicine and its stereoisomer tetrahydroalstonine. The stereochemistry of ajmalicine and tetrahydroalstonine biosynthesis in vivo and in vitro was further characterized. In addition, a new clade of perakine reductase-like enzymes was identified that reduces the SGD reaction product vallesiachotamine in a stereo-specific manner, characterizing one of the many reactions immediately downstream of SGD that determine the different MIA families. This study establishes that RNA sequencing and comparative bioinformatics, in combination with molecular and biochemical characterization, are valuable tools to determine the genetic basis for mutations that trigger phenotypes, and this approach can also be used for identification of new enzymes and transcription factors.

Variability in the Insect and Plant Adhesins, Mad1 and Mad2, within the Fungal Genus Metarhizium Suggest Plant Adaptation as an Evolutionary Force

Several species of the insect pathogenic fungus Metarhizium are associated with certain plant types and genome analyses suggested a bifunctional lifestyle; as an insect pathogen and as a plant symbiont. Here we wanted to explore whether there was more variation in genes devoted to plant association (Mad2) or to insect association (Mad1) overall in the genus Metarhizium. Greater divergence within the genus Metarhizium in one of these genes may provide evidence for whether host insect or plant is a driving force in adaptation and evolution in the genus Metarhizium. We compared differences in variation in the insect adhesin gene, Mad1, which enables attachment to insect cuticle, and the plant adhesin gene, Mad2, which enables attachment to plants. Overall variation for the Mad1 promoter region (7.1%), Mad1 open reading frame (6.7%), and Mad2 open reading frame (7.4%) were similar, while it was higher in the Mad2 promoter region (9.9%). Analysis of the transcriptional elements within the Mad2 promoter region revealed variable STRE, PDS, degenerative TATA box, and TATA box-like regions, while this level of variation was not found for Mad1. Sequences were also phylogenetically compared to EF-1a, which is used for species identification, in 14 isolates representing 7 different species in the genus Metarhizium. Phylogenetic analysis demonstrated that the Mad2 phylogeny is more congruent with 59 EF-1a than Mad1. This would suggest that Mad2 has diverged among Metarhizium lineages, contributing to clade- and species-specific variation, while it appears that Mad1 has been largely conserved. While other abiotic and biotic factors cannot be excluded in contributing to divergence, these results suggest that plant relationships, rather than insect host, have been a major driving factor in the divergence of the genus Metarhizium.

Identification et caractérisation de facteurs impliqués dans la réplication et la stabilité des génomes des organelles de plantes

Comparativement au génome contenu dans le noyau de la cellule de plante, nos connaissances des génomes des deux organelles de cette cellule, soit le plastide et la mitochondrie, sont encore très limitées. En effet, un nombre très restreint de facteurs impliqués dans la réplication et la réparation de l’ADN de ces compartiments ont été identifiés à ce jour. Au cours de notre étude, nous avons démontré l’implication de la famille de protéines Whirly dans le maintien de la stabilité des génomes des organelles. Des plantes mutantes pour des gènes Whirly chez Arabidopsis thaliana et Zea mays montrent en effet une augmentation du nombre de molécules d’ADN réarrangées dans les plastides. Ces nouvelles molécules sont le résultat d’une forme de recombinaison illégitime nommée microhomology-mediated break-induced replication qui, en temps normal, se produit rarement dans le plastide. Chez un mutant d’Arabidopsis ne possédant plus de protéines Whirly dans les plastides, ces molécules d’ADN peuvent même être amplifiées jusqu’à cinquante fois par rapport au niveau de l’ADN sauvage et causer un phénotype de variégation. L’étude des mutants des gènes Whirly a mené à la mise au point d’un test de sensibilité à un antibiotique, la ciprofloxacine, qui cause des bris double brin spécifiquement au niveau de l’ADN des organelles. Le mutant d’Arabidopsis ne contenant plus de protéines Whirly dans les plastides est plus sensible à ce stress que la plante sauvage. L’agent chimique induit en effet une augmentation du nombre de réarrangements dans le génome du plastide. Bien qu’un autre mutant ne possédant plus de protéines Whirly dans les mitochondries ne soit pas plus sensible à la ciprofloxacine, on retrouve néanmoins plus de réarrangements dans son ADN mitochondrial que dans celui de la plante sauvage. Ces résultats suggèrent donc une implication pour les protéines Whirly dans la réparation des bris double brin de l’ADN des organelles de plantes. Notre étude de la stabilité des génomes des organelles a ensuite conduit à la famille des protéines homologues des polymérases de l’ADN de type I bactérienne. Plusieurs groupes ont en effet suggéré que ces enzymes étaient responsables de la synthèse de l’ADN dans les plastides et les mitochondries. Nous avons apporté la preuve génétique de ce lien grâce à des mutants des deux gènes PolI d’Arabidopsis, qui encodent des protéines hautement similaires. La mutation simultanée des deux gènes est létale et les simples mutants possèdent moins d’ADN dans les organelles des plantes en bas âge, confirmant leur implication dans la réplication de l’ADN. De plus, les mutants du gène PolIB, mais non ceux de PolIA, sont hypersensibles à la ciprofloxacine, suggérant une fonction dans la réparation des bris de l’ADN. En accord avec ce résultat, la mutation combinée du gène PolIB et des gènes des protéines Whirly du plastide produit des plantes avec un phénotype très sévère. En définitive, l’identification de deux nouveaux facteurs impliqués dans le métabolisme de l’ADN des organelles nous permet de proposer un modèle simple pour le maintien de ces deux génomes.

Validation des effets antidiabétiques de Rhododendron groenlandicum, une plante médicinale des Cri de la Baie James, dans le modèle in vitro et in vivo : élucidation des mécanismes d’action et identification des composés actifs

Le diabète est un syndrome métabolique caractérisé par une hyperglycémie chronique due à un défaut de sécrétion de l’insuline, de l’action de l’insuline (sensibilité), ou une combinaison des deux. Plus d'un million de canadiens vivent actuellement avec le diabète. La prévalence de cette maladie est au moins trois fois plus élevée chez les autochtones que dans la population canadienne en général. Notre équipe vise à étudier les effets potentiellement antidiabétiques de certaines plantes médicinales utilisées par les Cris d'Eeyou Istchee (Baie James, Québec) où l’adhérence aux traitements médicamenteux est faible, en partie à cause de la déconnection culturelle de ces derniers. Grâce à une approche ethnobotanique, notre équipe a identifié 17 plantes médicinales utilisées par cette population pour traiter des symptômes du diabète. Parmi ces plantes, l’extrait éthanolique de Rhododendron groenlandicum (Thé du Labrador) a montré un fort potentiel antidiabétique chez plusieurs lignées cellulaires, notamment les adipocytes (3T3-L1). Cette plante induit la différenciation adipocytaire probablement par l’activation du peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAR γ). Cette stimulation améliore la résistance à l’insuline et constitue un mécanisme privilégié pour une classe de médicaments antidiabétiques, les thiazolidinediones. Le but de la présente étude est de valider l’efficacité et l’innocuité de R. groenlandicum in vivo, dans un modèle animal de résistance à l’insuline, d’élucider les mécanismes par lesquels cet extrait exerce ses effets antidiabétiques et d’identifier les principes actifs responsables de son activité. L'isolation et l'identification des constituants actifs ont été réalisées à l’aide d'une approche de fractionnement guidé par bioessai; en l'occurrence, l'adipogénèse. Cette approche, réalisée dans la lignée adipocytaire 3T3-L1, a pour but de mesurer leur teneur en triglycérides. Des études in vivo ont été réalisées sur le modèle de souris DIO (diet induced obesity). L'extrait éthanolique du R. groenlandicum a été incorporé à la nourriture grasse (35% d’apport calorique lipidique) à trois doses différentes (125, 250 et 500 mg / kg) sur une période de 8 semaines. Des tissus cibles de l’insuline (foie, muscle squelettique et tissus adipeux) ont été récoltés afin de faire des analyses d’immunobuvardage de type western. La quercétine, la catéchine et l’épicatéchine ont été identifiées comme étant les composés actifs responsables de l'effet antidiabétique du R. groenlandicum. Seules la catéchine et l’épicatéchine activent l’adipogénèse uniquement à forte concentration (125-150 M), tandis que la quercétine l’inhibe. L’étude in vivo a montré que le traitement avec R. groenlandicum chez les souris DIO réduit le gain de poids de 6%, diminue l'hyperglycémie de 13% et l’insulinémie plasmatique de 65% et prévient l’apparition des stéatoses hépatiques (diminution de 42% de triglycéride dans le foie) sans être toxique. Les analyses d’immunobuvardage ont montré que R. groenlandicum stimule la voie de l’insuline via la phosphorylation de l’Akt et a augmenté le contenu protéique en Glut 4 dans les muscles des souris traitées. Par contre, dans le foie, le R. groenlandicum passerait par deux voies différentes, soit la voie insulino-dépendante par l’activation de l’AKT, soit la voie insulino-indépendante par la stimulation de l’AMPK. L’amélioration observée des stéatoses hépatiques chez les souris DIO traitées, a été confirmée par une baisse du facteur de transcription, SREBP-1, impliqué dans la lipogénèse de novo, ainsi qu’une diminution de l’inflammation hépatique (diminution de l’activité d’IKK α/β). En conclusion, l’ensemble de ces résultats soutiennent le potentiel thérapeutique de Rhododendron groenlandicum et de ses composants actifs dans le traitement et la prévention du diabète de type 2. Nous avons validé l'innocuité et l'efficacité de cette plante issue de la médecine traditionnelle Cri, qui pourrait être un traitement alternatif du diabète de type 2 dans une population ayant une faible adhérence au traitement pharmacologique existant.

Isolation and identification of native microalgae for biodiesel production

La demande croissante en carburants, ainsi que les changements climatiques dus au réchauffement planétaire poussent le monde entier à chercher des sources d’énergie capables de produire des combustibles alternatifs aux combustibles fossiles. Durant les dernières années, plusieurs sources potentielles ont été identifiées, les premières à être considérées sont les plantes oléagineuses comme source de biocarburant, cependant l’utilisation de végétaux ou d’huiles végétales ayant un lien avec l’alimentation humaine peut engendrer une hausse des prix des denrées alimentaires, sans oublier les questions éthiques qui s’imposent. De plus, l'usage des huiles non comestibles comme sources de biocarburants, comme l’huile de jatropha, de graines de tabac ou de jojoba, révèle un problème de manque de terre arable ce qui oblige à réduire les terres cultivables de l'industrie agricole et alimentaire au profit des cultures non comestibles. Dans ce contexte, l'utilisation de microorganismes aquatiques, tels que les microalgues comme substrats pour la production de biocarburant semble être une meilleure solution. Les microalgues sont faciles à cultiver et peuvent croitre avec peu ou pas d'entretien. Elles peuvent ainsi se développer dans des eaux douces, saumâtres ou salées de même que dans les terres non cultivables. Le rendement en lipide peut être largement supérieur aux autres sources de biocarburant potentiel, sans oublier qu’elles ne sont pas comestibles et sans aucun impact sur l'industrie alimentaire. De plus, la culture intensive de microalgues pour la production de biodiesel pourrait également jouer un rôle important dans l'atténuation des émissions de CO2. Dans le cache de ce travail, nous avons isolé et identifié morphologiquement des espèces de microalgues natives du Québec, pour ensuite examiner et mesurer leur potentiel de production de lipides (biodiesel). L’échantillonnage fut réalisé dans trois régions différentes du Québec: la région de Montréal, la gaspésie et le nord du Québec, et dans des eaux douces, saumâtres ou salées. Cent souches ont été isolées à partir de la région de Montréal, caractérisées et sélectionnées selon la teneur en lipides et leur élimination des nutriments dans les eaux usées à des températures différentes (10 ± 2°C et 22 ± 2°C). Les espèces ayant une production potentiellement élevée en lipides ont été sélectionnées. L’utilisation des eaux usées, comme milieu de culture, diminue le coût de production du biocarburant et sert en même temps d'outil pour le traitement des eaux usées. Nous avons comparé la biomasse et le rendement en lipides des souches cultivées dans une eau usée par apport à ceux dans un milieu synthétique, pour finalement identifié un certain nombre d'isolats ayant montré une bonne croissance à 10°C, voir une teneur élevée en lipides (allant de 20% à 45% du poids sec) ou une grande capacité d'élimination de nutriment (>97% d'élimination). De plus, nous avons caractérisé l'une des souches intéressantes ayant montré une production en lipides et une biomasse élevée, soit la microalgue Chlorella sp. PCH90. Isolée au Québec, sa phylogénie moléculaire a été établie et les études sur la production de lipides en fonction de la concentration initiale de nitrate, phosphate et chlorure de sodium ont été réalisées en utilisant de la méthodologie des surfaces de réponse. Dans les conditions appropriées, cette microalgue pourrait produire jusqu'à 36% de lipides et croitre à la fois dans un milieu synthétique et un milieu issu d'un flux secondaire de traitement des eaux usées, et cela à 22°C ou 10°C. Ainsi, on peut conclure que cette souche est prometteuse pour poursuivre le développement en tant que productrice potentielle de biocarburants dans des conditions climatiques locales.

Développement des marqueurs moléculaires spécifiques pour l'identification et la quantification de deux espèces de champignons mycorhiziens arbusculaires en utilisant la PCR en temps réel

Les champignons mycorhizien à arbuscules (CMA) sont des organismes pouvant établir des symbioses avec 80% des plantes terrestres. Les avantages d'une telle symbiose sont de plus en plus caractérisés et exploités en agriculture. Par contre, jusqu'à maintenant, il n'existe aucun outil permettant à la fois l'identification et la quantification de ces champignons dans le sol de façon fiable et rapide. Un tel outil permettrait, entre autres, de mieux comprendre les dynamiques des populations des endomycorhizes dans le sol. Pour les producteurs d'inoculum mycorhiziens, cela permettrait également d'établir un suivi de leurs produits en champs et d'avoir un contrôle de qualité de plus sur leurs inoculants. C'est ce que nous avons tenté de développer au sein du laboratoire du Dr. Hijri. Depuis environ une trentaine d'années, des outils d'identification et/ou de quantification ont été développés en utilisant les profiles d'acides gras, les isozymes, les anticorps et finalement l'ADN nucléaire. À ce jour, ces méthodes d’identification et de quantification sont soit coûteuses, soit imprécises. Qui plus est, aucune méthode ne permet à la fois la quantification et l’identification de souches particulières de CMA. L’ADN mitochondrial ne présente pas le même polymorphisme de séquence que celui qui rend l’ADN nucléaire impropre à la quantification. C'est pourquoi nous avons analysé les séquences d’ADN mitochondrial et sélectionné les régions caractéristiques de deux espèces de champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA). C’est à partir de ces régions que nous avons développé des marqueurs moléculaires sous forme de sondes et d’amorces TaqMan permettant de quantifier le nombre de mitochondries de chacune de ces espèces dans un échantillon d’ADN. Nous avons ensuite tenté de déterminer une unité de quantification des CMA, soit un nombre de mitochondries par spore. C’est alors que nous avons réalisé que la méthode de préparation des échantillons de spores ainsi que la méthode d’extraction d’ADN avaient des effets significatifs sur l’unité de quantification de base. Nous avons donc optimisé ces protocoles, avant d’en e tester l’application sur des échantillons de sol et de racines ayant été inoculés avec chacune des deux espèces cibles. À ce stade, cet outil est toujours semi-quantificatif, mais il permet 9 l’identification précise de deux espèces de CMA compétentes dans des milieux saturés en phosphore inorganique. Ces résultats , en plus d’être prometteurs, ont permis d’augmenter les connaissances méthodologiques reliées à la quantification des CMA dans le sol, et suggèrent qu’à cause de leurs morphologies différentes, l’élaboration d’un protocole de quantification standardisé pour toutes les espèces de CMA demeure un objectif complexe, qui demande de nouvelles études in vivo.

Évaluation de l’effet antidiabétique de plantes médicinales de la forêt boréale et identification des principes actifs de deux espèces prometteuses

Le diabète de type 2 est une maladie chronique dont l’incidence est en augmentation continuelle. Le risque de développer le diabète de type 2 chez les populations autochtones du Canada est de trois à cinq fois plus élevé que le reste de la population canadienne. La forêt boréale comporte plusieurs plantes médicinales ayant un potentiel pour le traitement ou la prévention du diabète. Certaines de ces plantes font partie de la médecine traditionnelle et alternative Crie. Des enquêtes ethnobotaniques ont amené notre équipe de recherche à identifier 17 extraits de plantes médicinales utilisées par les Cris d’Eeyou Istchee (Baie James, Québec) pour traiter les symptômes du diabète. Parmi ces extraits, certains ont montré des activités anti-diabétiques au niveau des cellules musculaires, des adipocytes et dans des études in vivo réalisées chez des animaux. Le but de cette thèse est d’élucider l’effet de ces 17 plantes sur l’homéostasie hépatique de glucose, d’identifier l’espèce la plus prometteuse et isoler ces constituants actifs. De même, le bleuet nain du genre Vaccinium angustifolium fait partie de la forêt boréale canadienne et est connu pour ses activités anti-diabétiques. Une biotransformation du jus de bleuet lui confère une activité antioxydante accrue et un profil biologique différent. Le deuxième but de cette thèse est d’élucider les mécanismes d’action par lesquels le jus de bleuet biotransformé (BJ) exerce son effet anti-diabétique et d’identifier ses principes actifs. Les résultats ont montré que trois extraits de plantes Cris se sont démarqués par leur effet sur l’homéostasie hépatique de glucose. Picea glauca exerce son effet en diminuant la production de glucose alors que Larix laricina agit en augmentant le stockage de glucose. Abies balsamea a montré le profil le plus prometteur, elle agit simultanément en diminuant l’activité de la Glucose-6-phosphatase (G6Pase) via la stimulation des voies insulino-dépendante et - indépendante et en augmentant l’activité de la Glycogène synthétase (GS) suite à la phosphorylation de la Glycogène synthase kinase-3. Le fractionnement de l’extrait d’Abies balsamea guidé par les deux bioessais a mené à l’isolation de trois composés actifs; l’acide abiétique (AA), l’acide déhydroabiétique (DAA) et le squalène (SQ). Les principes actifs ont montré le même mécanisme d’action que l’extrait brut en diminuant l’activité de la G6Pase et augmentant celle de la GS ainsi qu’en activant les voies de signalisation impliquées. Le DAA ii s’est démarqué par son effet le plus puissant et très comparable à celui de l’extrait d’Abies balsamea dans toutes les expériences. De son côté le BJ a montré un effet sur la diminution de la production hépatique de glucose, l’augmentation de son stockage ainsi que l’augmentation de son transport dans le muscle. Son fractionnement guidé par les bioessais a permis d’isoler sept fractions dont trois étaient les plus actives. L’identification des constituants de ces fractions actives a mené à isoler quatres composés phénoliques; l’acide chlorogénique, l’acide gallique, l’acide protocatéchique et le catéchol. Le catéchol s’est démarqué avec ses effets les plus puissants en diminuant l’activité de la G6Pase, augmentant celle de la GS et en stimulant le transport de glucose dans le muscle. Les résultats de cette thèse indiquent que la diminution de la production hépatique de glucose peut s’ajouter au profil anti-diabétique de certaines plantes médicinales Cries et surtout à celui d’A.balsamea dont les composés actifs peuvent aider dans le développement de nouvelles molécules anti-diabétiques. De plus, les résultats de cette thèse ont montré que l’activité antidiabétique du BJ implique le contrôle de l’homéostasie de glucose au niveau du foie et du muscle. L’identification du catéchol comme principe actif avec potentiel anti-diabétique prometteur pourra servir pour des fins thérapeutiques ultérieures.

Combinatorial peptide ligand libraries and plant proteomics: a winning strategy at a price

The mechanism of action and properties of a solid-phase ligand library made of hexapeptides (combinatorial peptide ligand libraries or CPLL), for capturing the "hidden proteome", i.e. the low- and very low-abundance proteins constituting the vast majority of species in any proteome, as applied to plant tissues, are reviewed here. Plant tissues are notoriously recalcitrant to protein extraction and to proteome analysis. Firstly, rigid plant cell walls need to be mechanically disrupted to release the cell content and, in addition to their poor protein yield, plant tissues are rich in proteases and oxidative enzymes, contain phenolic compounds, starches, oils, pigments and secondary metabolites that massively contaminate protein extracts. In addition, complex matrices of polysaccharides, including large amount of anionic pectins, are present. All these species compete with the binding of proteins to the CPLL beads, impeding proper capture and identification / detection of low-abundance species. When properly pre-treated, plant tissue extracts are amenable to capture by the CPLL beads revealing thus many new species among them low-abundance proteins. Examples are given on the treatment of leaf proteins, of corn seed extracts and of exudate proteins (latex from Hevea brasiliensis). In all cases, the detection of unique gene products via CPLL capture is at least twice that of control, untreated sample.

Identification of trade-offs underlying the primary strategies of plants

Question: What are the key physiological and life-history trade-offs responsible for the evolution of different suites of plant traits (strategies) in different environments? Experimental methods: Common-garden experiments were performed on physiologically realistic model plants, evolved in contrasting environments, in computer simulations. This allowed the identification of the trade-offs that resulted in different suites of traits (strategies). The environments considered were: resource rich, low disturbance (competitive); resource poor, low disturbance (stressed); resource rich, high disturbance (disturbed); and stressed environments containing herbivores (grazed). Results: In disturbed environments, plants increased reproduction at the expense of ability to compete for light and nitrogen. In competitive environments, plants traded off reproductive output and leaf production for vertical growth. In stressed environments, plants traded off vertical growth and reproductive output for nitrogen acquisition, contradicting Grime's (2001) theory that slow-growing, competitively inferior strategies are selected in stressed environments. The contradiction is partly resolved by incorporating herbivores into the stressed environment, which selects for increased investment in defence, at the expense of competitive ability and reproduction. Conclusion: Our explicit modelling of trade-offs produces rigorous testable explanations of observed associations between suites of traits and environments.

Combinatorial peptide ligand libraries and plant proteomics: a winning strategy at a price

The mechanism of action and properties of a solid-phase ligand library made of hexapeptides (combinatorial peptide ligand libraries or CPLL, for capturing the "hidden proteome", i.e. the low- and very low-abundance proteins Constituting the vast majority of species in any proteome. as applied to plant tissues, are reviewed here. Plant tissues are notoriously recalcitrant to protein extraction and to proteome analysis, Firstly, rigid plant cell walls need to be mechanically disrupted to release the cell content and, in addition to their poor protein yield, plant tissues are rich in proteases and oxidative enzymes, contain phenolic Compounds, starches, oils, pigments and secondary metabolites that massively contaminate protein extracts. In addition, complex matrices of polysaccharides, including large amount of anionic pectins, are present. All these species compete with the binding of proteins to the CPLL beads, impeding proper capture and identification I detection of low-abundance species. When properly pre-treated, plant tissue extracts are amenable to capture by the CPLL beads revealing thus many new species among them low-abundance proteins. Examples are given on the treatment of leaf proteins, of corn seed extracts and of exudate proteins (latex from Hevea brasiliensis). In all cases, the detection of unique gene products via CPLL Capture is at least twice that of control, untreated sample. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Dynamic recurrent neural network for system identification and control

A dynamic recurrent neural network (DRNN) that can be viewed as a generalisation of the Hopfield neural network is proposed to identify and control a class of control affine systems. In this approach, the identified network is used in the context of the differential geometric control to synthesise a state feedback that cancels the nonlinear terms of the plant yielding a linear plant which can then be controlled using a standard PID controller.