Functional Characterization of Monoterpenoid Indole Alkaloid (MIA) Biosynthetic Genes in Catharanthus roseus

The monoterpenoid indole alkaloids (MIAs) of Madagascar periwinkle (Catharanthus roseus) are known to be among the most important source of natural drugs used in various cancer chemotherapies. MIAs are derived by combining the iridoid secologanin with tryptamine to form the central precursor strictosidine that is then converted to most known MIAs, such as catharanthine and vindoline that dimerize to form anticancer vinblastine and vincristine. While their assembly is still poorly understood, the complex multistep pathways involved occur in several specialized cell types within leaves that are regulated by developmental and environmental cues. The organization of MIA pathways is also coupled to secretory mechanisms that allow the accumulation of catharanthine in the waxy leaf surface, separated from vindoline found within leaf cells. While the spatial separation of catharanthine and vindoline provides an explanation for the low levels of dimeric MIAs found in the plants, the secretion of catharanthine to the leaf surface is shown to be part of plant defense mechanisms against fungal infection and insect herbivores. The transcriptomic databases of Catharanthus roseus and various MIA producing plants are facilitating bioinformatic approaches to identify novel MIA biosynthetic genes. Virus-induced gene silencing (VIGS) is being used to screen these candidate genes for their involvement in iridoid biosynthesis pathway, especially in the identification of 7-deoxyloganic acid 7-hydroxylase (CrDL7H) shown by the accumulation of its substrate, 7-deoxyloganic acid and decreased level of secologanin along with catharanthine and vindoline. VIGS can also confirm the biochemical function of genes being identified, such as in the glucosylation of 7-deoxyloganetic acid by CrUGT8 shown by decreased level of secologanin and MIAs within silenced plants. Silencing of other iridoid biosynthetic genes, loganic acid O-methyltransferase (LAMT) and secologanin synthase (SLS) also confirm the metabolic route for iridoid biosynthesis in planta through 7-deoxyloganic acid, loganic acid, and loganin intermediates. This route is validated by high substrate specificity of CrUGT8 for 7-deoxyloganetic acid and CrDL7H for 7-deoxyloganic acid. Further localization studies of CrUGT8 and CrDL7H also show that these genes are preferentially expressed within Catharanthus leaves rather than in epidermal cells where the last two steps of secologanin biosynthesis occur.

Preliminary characterization of VmTPT2, a putative monoterpene indole alkaloid (MIA) transporter from Vinca minor L. (Apocynaceae)

The various steps of monoterpene indole alkaloid (MIA) biosynthesis are known to occur in specialized cell types and subcellular compartments. Numerous MIAs display powerful biological activities that have led to their use as pharmaceutical treatments for cancer, hypertension and malaria. Many of these compounds accumulate on the leaf surface of medicinally important Apocynaceae plants, which led to the recent discovery and characterization of an ABC transporter (CrTPT2) that was shown to mobilize catharanthine from its site of biosynthesis in epidermal cells to the leaf surface of Catharanthus roseus. Bioinformatic analysis of transcriptomes from several geographically distant MIA-producing species led to the identification of proteins with high amino acid sequence identity to CrTPT2. Molecular cloning of a similar transporter (VmTPT2) from Vinca minor was carried out and expressed in a yeast heterologous system for transport experiments and functional characterization. In planta studies involved transcript expression analysis of the early MIA biosynthetic gene VmTDC and putative transporter VmTPT2, and alkaloid profile analyses. RT-qPCR results showed that VmTPT2 expression increased 15-fold between the first two leaf pairs, and high levels were maintained across older leaves. The alkaloid accumulation profile on leaf surfaces matched that of VmTPT2 expression, especially for the MIAs vincadifformine and vincamine. Gene expression and alkaloid profile analyses suggest that the functional protein may act as a similar transporter to CrTPT2. However, although VmTPT2 had 88.4% identity at the amino acid level to CrTPT2, it displayed an altered expression pattern in planta across developing leaves, and functional characterization using a previously developed yeast heterologous system was unsuccessful due to difficulties with reproducibility of transport assays.

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.

Implementación de la técnica de PCR para el diagnóstico de Puntamorada de la papa (Solanum tuberosum L.) y su ocurrencia en la región de San Rafael, municipio de Galeana, Nuevo León

Tesis (Maestría en Ciencias con Especialidad en Producción Agrícola) UANL

Evaluación de características morfofisiológicas y de productividad de papa (Solanum tuberosum L.) variedad Alpha proveniente de diferentes condiciones agrotecnológicas [por] Gloria Estela Terán Sarabia

Tesis (Maestría en Ciencias con Especialidad en Botánica) U.A.N.L.

Efecto del tamaño del minitubérculo de papa (Solanum tuberosum L.) de segunda generación, Var. Atlantic, en el rendimiento de minitubérculo de tercera generación bajo microtúneles por Markis Adames Mancebo

Tesis (Maestría en Ciencias con la Especialidad en Producción Agrícola) U.A.N.L.

Parámetros fisicoquímicos para la obtención de modelos de predicción en la calidad poscosecha del tomate (solanum lycopersicum).

Tesis (Maestría en Ciencias Agrícolas) UANL, 2011.

Evaluación de sustratos y enrenados en producción de tomate bola (Solanum lycopersicum L.) en invernadero.

Tesis (Maestro en Ciencias en Producción Agrícola) UANL, 2014.

Caracterización de Germoplasma sobresaliente de papa solanum tuberosum L. en México mediante RAPD y SSR

1Tesis ( Doctor en Ciencias con Especialidad en Biotecnología ) U.A.N.L.

Establecimiento de normas Dris, diagnóstico nutricional y calibración de las normas obtenidas para el cultivo de papa (Solanum,tuberosum L.) en Coahuila y Nuevo León

[Tesis] (Doctor en Ciencias Agrícolas con Especialidad en Agua-Suelo) U.A.N.L.

Extraction, purification et caractérisation d’isoformes d’hexokinase du tubercule de pomme de terre (Solanum tuberosum)

L’hexokinase (HK) est la première enzyme du métabolisme des hexoses et catalyse la réaction qui permet aux hexoses d’entrer dans le pool des hexoses phosphates et donc par le fait même la glycolyse. Bien que le glucose soit son principal substrat, cette enzyme peut aussi phosphoryler le mannose et le fructose. Malgré son importance dans le métabolisme primaire, l’HK n’a jamais été purifiée à homogénéité sous forme native. Le but de ce travail était donc de purifier une isoforme d’HK à partir de tubercule de Solanum tuberosum et par la suite de caractériser ses propriétés cinétiques. Bien avant que je commence mon travail, un groupe de recherche avait déjà séparé et partiellement purifié trois isoformes d’HK de S. tuberosum. Un protocole d’extraction était donc disponible, mais l’HK ainsi extraite était peu stable d’où le besoin d’y apporter certaines modifications. En y ajoutant certains inhibiteurs de protéases ainsi qu’en modifiant les concentrations de certains éléments, le tampon d’extraction ainsi modifié a permis d’obtenir un extrait dont l’activité HK était stable pendant au moins 72h après l’extraction, en empêchant la dégradation. À l’aide du tampon d’extraction optimisé et d’une chromatographie sur colonne de butyl sépharose, il a été possible de séparer 4 isoformes d’HKs. Par la suite, une isoforme d’HK (HK1) a été purifiée à l’homogénéité à l’aide de 5 étapes de chromatographie supplémentaires. En plus de caractériser les propriétés cinétiques de cette enzyme, l’analyse de séquençage par MS/MS a permis de l’associer au produit du gène StHK1 de Solanum tuberosum. Avec une activité spécifique de 10.2 U/mg de protéine, il s’agit de l’HK purifiée avec l’activité spécifique la plus élevée jamais rapportée d’un tissu végétal.L’ensemble des informations recueillies lors de la purification de HK1 a ensuite été utilisée pour commencer la purification d’une deuxième isoforme (HK3). Ce travail a permis de donner des lignes directrices pour la purification de cette isoforme et certains résultats préliminaires sur sa caractérisation enzymatique.

La régulation génique chez Solanum chacoense : de la pollinisation jusqu’à l’embryogenèse

Chez les végétaux supérieurs, l’embryogenèse est une phase clé du développement au cours de laquelle l’embryon établit les principales structures qui formeront la future plante et synthétise et accumule des réserves définissant le rendement et la qualité nutritionnelle des graines. Ainsi, la compréhension des évènements moléculaires et physiologiques menant à la formation de la graine représente un intérêt agronomique majeur. Toutefois, l'analyse des premiers stades de développement est souvent difficile parce que l'embryon est petit et intégré à l'intérieur du tissu maternel. Solanum chacoense qui présente des fleurs relativement grande facilitant l’isolation des ovules, a été utilisée pour l’étude de la biologie de la reproduction plus précisément la formation des gamètes femelles, la pollinisation, la fécondation et le développement des embryons. Afin d'analyser le programme transcriptionnel induit au cours de la structuration de ces étapes de la reproduction sexuée, nous avons mis à profit un projet de séquençage de 7741 ESTs (6700 unigènes) exprimés dans l’ovule à différents stades du développement embryonnaire. L’ADN de ces ESTs a été utilisé pour la fabrication de biopuces d’ADN. Dans un premier temps, ces biopuces ont été utilisé pour comparer des ADNc issus des ovules de chaque stade de développement embryonnaire (depuis le zygote jusqu’au embryon mature) versus un ovule non fécondé. Trois profils d’expression correspondant au stade précoce, intermédiaire et tardive ont été trouvés. Une analyse plus approfondie entre chaque point étudié (de 0 à 22 jours après pollinisation), a permis d'identifier des gènes spécifiques caractérisant des phases de transition spécifiques. Les annotations Fonctionnelles des gènes differentiellement exprimés nous ont permis d'identifier les principales fonctions cellulaires impliquées à chaque stade de développement, révélant que les embryons sont engagés dans des actifs processus de différenciation. Ces biopuces d’ADN ont été par la suite utilisé pour comparer différent types de pollinisation (compatible, incompatible, semi-compatible et inter-espèce) afin d’identifier les gènes répondants à plusieurs stimuli avant l'arrivé du tube pollinique aux ovules (activation à distance). Nous avons pu démontrer que le signal perçu par l’ovaire était différent et dépend de plusieurs facteurs, incluant le type de pollen et la distance parcourue par le pollen dans le style. Une autre analyse permettant la comparaison des différentes pollinisations et la blessure du style nous a permis d’identifier que les programmes génétiques de la pollinisation chevauchent en partie avec ceux du stress. Cela était confirmé en traitant les fleurs par une hormone de stress, méthyle jasmonate. Dans le dernier chapitre, nous avons utilisé ces biopuces pour étudier le changement transcriptionnel d’un mutant sur exprimant une protéine kinase FRK2 impliqué dans l’identité des ovules. Nous avons pu sélectionner plusieurs gènes candidat touchés par la surexpression de cette kinase pour mieux comprendre la voie se signalisation. Ces biopuces ont ainsi servi à déterminer la variation au niveau transcriptionnelle des gènes impliqués lors de différents stades de la reproduction sexuée chez les plantes et nous a permis de mieux comprendre ces étapes.

Implication du peptide ScRALF3 dans le développement du gamétophyte femelle chez Solanum chacoense

La coordination du développement par les communications intercellulaires est essentielle pour assurer la reproduction chez les plantes. Plusieurs études démontrent qu’une communication entre le sac embryonnaire et le tissu maternel, le sporophyte, est essentielle au bon développement des gamètes. Les molécules, peptides ou autres protagonistes impliqués dans ces voies de signalisation ainsi que leur mode d’action restent toutefois nébuleux. Les gènes de type RALF codent pour des petits peptides sécrétés retrouvés de manière spécifique ou ubiquitaire dans la plante. Leur structure en font de parfaits candidats pour permettre ces communications cellule-cellule entre les différents tissus. Treize gènes de type RALF ont été isolés actuellement chez la pomme de terre sauvage Solanum chacoense. Maintenant, nous montrons qu’un de ceux-ci, ScRALF3, est impliqué dans la polarisation du sac embryonnaire et dans la synchronicité des divisions mitotiques assurant la formation d’un gamétophyte femelle mature fonctionnel. Étant exprimé de manière spécifique au niveau des téguments de l’ovule, ScRALF3 est un candidat idéal pour réguler les communications cellule-cellule entre le sporophyte et le sac embryonnaire.

Implication des peptides RALFs dans les communications cellulaires lors du développement du gamétophyte femelle chez Solanum chacoense et Arabidopsis thaliana.

Chez les angiospermes, la reproduction passe par la double fécondation. Le tube pollinique délivre deux cellules spermatiques au sein du gamétophyte femelle. Une cellule féconde la cellule œuf pour produire un zygote; l’autre féconde la cellule centrale pour produire l’endosperme. Pour assurer un succès reproductif, le développement du gamétophyte femelle au sein de l’ovule doit établir un patron cellulaire qui favorise les interactions avec le tube pollinique et les cellules spermatiques. Pour ce faire, un dialogue doit s’établir entre les différentes cellules de l’ovule lors de son développement, de même que lors de la fécondation. D’ailleurs, plusieurs types de communications intercellulaires sont supposées suite à la caractérisation de plusieurs mutants développementaux. De même, ces communications semblent persister au sein du zygote et de l’endosperme pour permettre la formation d’un embryon viable au sein de la graine. Malgré les développements récents qui ont permis de trouver des molécules de signalisation supportant les modèles d’interactions cellulaires avancés par la communauté scientifique, les voies de signalisation sont de loin très incomplètes. Dans le but de caractériser des gènes encodant des protéines de signalisation potentiellement impliqués dans la reproduction chez Solanum chacoense, l’analyse d’expression des gènes de type RALF présents dans une banque d’ESTs (Expressed Sequence Tags) spécifiques à l’ovule après fécondation a été entreprise. RALF, Rapid Alcalinization Factor, est un peptide de 5 kDa qui fait partie de la superfamille des «protéines riches en cystéines (CRPs)», dont les rôles physiologiques au sein de la plante sont multiples. Cette analyse d’expression a conduit à une analyse approfondie de ScRALF3, dont l’expression au sein de la plante se limite essentiellement à l’ovule. L’analyse de plantes transgéniques d’interférence pour le gène ScRALF3 a révélé un rôle particulier lors de la mégagamétogénèse. Les plantes transgéniques présentent des divisions mitotiques anormales qui empêchent le développement complet du sac embryonnaire. Le positionnement des noyaux, de même que la synchronisation des divisions au sein du syncytium, semblent responsables de cette perte de progression lors de la mégagamétogénèse. L’isolement du promoteur de même que l’analyse plus précise d’expression au sein de l’ovule révèle une localisation sporophytique du transcrit. La voie de signalisation de l’auxine régule également la transcription de ScRALF3. De surcroît, ScRALF3 est un peptide empruntant la voie de sécrétion médiée par le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi. En somme, ScRALF3 est un important facteur facilitant la communication entre le sporophyte et le gamétophyte pour amener à maturité le sac embryonnaire. L’identification d’un orthologue potentiel chez Arabidopsis thaliana a conduit à la caractérisation de AtRALF34. L’absence de phénotype lors du développement du sac embryonnaire suggère, cependant, de la redondance génétique au sein de la grande famille des gènes de type RALF. Néanmoins, les peptides RALFs apparaissent comme d’importants régulateurs lors de la reproduction chez Solanum chacoense et Arabidopsis thaliana.

Destins des S-RNases et interactions moléculaires dans le tube pollinique dans le cadre de l’auto-incompatibilité gamétophytique chez Solanum chacoense

L’auto-incompatibilité (AI) est une barrière reproductive prézygotique qui permet aux pistils d’une fleur de rejeter leur propre pollen. Les systèmes d’AI peuvent prévenir l’autofertilisation et ainsi limiter l’inbreeding. Dans l’AI gamétophytique, le génotype du pollen détermine son propre phénotype d’incompatibilité, et dans ce système, les déterminants mâles et femelles de l’AI sont codés par un locus multigénique et multi-allélique désigné le locus S. Chez les Solanaceae, le déterminant femelle de l’AI est une glycoprotéine stylaire extracellulaire fortement polymorphique possédant une activité ribonucléase et désignée S-RNase. Les S-RNases montrent un patron caractéristique de deux régions hypervariables (HVa et HVb), responsables de leur détermination allélique, et cinq régions hautement conservées (C1 à C5) impliquées dans l’activité catalytique ou la stabilisation structurelle de ces protéines. Dans ce travail, nous avons investigué plusieurs caractéristiques des S-RNases et identifié un nouveau ligand potentiel aux S-RNases chez Solanum chacoense. L’objectif de notre première étude était l’élucidation du rôle de la région C4 des S-RNases. Afin de tester l’hypothèse selon laquelle la région C4 serait impliquée dans le repliement ou la stabilité des S-RNases, nous avons généré un mutant dans lequel les quatre résidus chargés présents en région C4 furent remplacés par des résidus glycine. Cette protéine mutante ne s’accumulant pas à des niveaux détectables, la région C4 semble bien avoir un rôle structurel. Afin de vérifier si C4 est impliquée dans une liaison avec une autre protéine, nous avons généré le mutant R115G, dans lequel un acide aminé chargé fût éliminé afin de réduire les affinités de liaison dans cette région. Ce mutant n’affectant pas le phénotype de rejet pollinique, il est peu probable que la région C4 soit impliquée dans la liaison des S-RNases avec un ligand ou leur pénétration à l’intérieur des tubes polliniques. Enfin, le mutant K113R, dans lequel le seul résidu lysine conservé parmi toutes les S-RNases fût remplacé par un résidu arginine, fût généré afin de vérifier si cette lysine était un site potentiel d’ubiquitination des S-RNases. Toutefois, la dégradation des S-RNases ne fût pas inhibée. Ces résultats indiquent que C4 joue probablement un rôle structurel de stabilisation des S-RNases. Dans une seconde étude, nous avons analysé le rôle de la glycosylation des S-RNases, dont un site, en région C2, est conservé parmi toutes les S-RNases. Afin d’évaluer la possibilité que les sucres conjugués constituent une cible potentielle d’ubiquitination, nous avons généré une S11-RNase dont l‘unique site de glycosylation en C2 fût éliminé. Ce mutant se comporte de manière semblable à une S11-RNase de type sauvage, démontrant que l’absence de glycosylation ne confère pas un phénotype de rejet constitutif du pollen. Afin de déterminer si l’introduction d’un sucre dans la région HVa de la S11-RNase pourrait affecter le rejet pollinique, nous avons généré un second mutant comportant un site additionnel de glycosylation dans la région HVa et une troisième construction qui comporte elle aussi ce nouveau site mais dont le site en région C2 fût éliminé. Le mutant comportant deux sites de glycosylation se comporte de manière semblable à une S11-RNase de type sauvage mais, de manière surprenante, le mutant uniquement glycosylé en région HVa peut aussi rejeter le pollen d’haplotype S13. Nous proposons que la forme non glycosylée de ce mutant constitue un allèle à double spécificité, semblable à un autre allèle à double spécificité préalablement décrit. Il est intéressant de noter que puisque ce phénotype n’est pas observé dans le mutant comportant deux sites de glycosylation, cela suggère que les S-RNases ne sont pas déglycosylées à l’intérieur du pollen. Dans la dernière étude, nous avons réalisé plusieurs expériences d’interactions protéine-protéine afin d’identifier de potentiels interactants polliniques avec les S-RNases. Nous avons démontré que eEF1A, un composant de la machinerie de traduction chez les eucaryotes, peut lier une S11-RNase immobilisée sur résine concanavaline A. Des analyses de type pull-down utilisant la protéine eEF1A de S. chacoense étiquetée avec GST confirment cette interaction. Nous avons aussi montré que la liaison, préalablement constatée, entre eEF1A et l’actine est stimulée en présence de la S11-RNase, bien que cette dernière ne puisse directement lier l’actine. Enfin, nous avons constaté que dans les tubes polliniques incompatibles, l’actine adopte une structure agrégée qui co-localise avec les S-RNases. Ces résultats suggèrent que la liaison entre eEF1A et les S-RNases pourrait constituer un potentiel lien fonctionnel entre les S-RNases et l’altération du cytosquelette d’actine observée lors des réactions d’AI. Par ailleurs, si cette liaison est en mesure de titrer les S-RNases disponibles à l’intérieur du tube pollinique, ce mécanisme pourrait expliquer pourquoi des quantités minimales ou « seuils » de S-RNases sont nécessaires au déclenchement des réactions d’AI.