Devant des besoins grandissants en produits biopharmaceutiques pour la santé humaine, les plateformes d'expression végétales proposent une alternative prometteuse aux approches classiques pour la production efficiente de protéines recombinantes. Alors que des études récentes mettaient en lumière l'importance des conditions de culture sur le rendement en protéines dans les plantes, l'impact d'un mode de culture hydroponique sur l'accumulation de ces protéines demeure méconnu, notamment pour l'hôte d'expression Nicotiana benthamiana utilisé couramment pour l'expression de protéines d'intérêt médical. Jusqu'ici, les études s'intéressant à l'impact des conditions de culture ont considéré des plants cultivés en pots alors que l'industrie s'oriente désormais vers des systèmes culturaux hydroponiques mieux adaptés à l'automatisation des procédures et à une utilisation plus rationnelle des ressources du milieu. Dans ce contexte, nous avons testé ici l'hypothèse de recherche selon laquelle un mode de culture hydroponique influence la distribution et l'accumulation d'un vaccin antigrippal, l'hémagglutinine H1, dans N. benthamiana. L'objectif général du projet était de cartographier le patron d'accumulation de l'antigène H1 dans la plante cultivée sous différentes conditions, incluant le mode de culture à proprement parler, différentes densités de culture et des intensités lumineuses variables. En bref, nos résultats indiquent qu'une plante cultivée en gouttières hydroponiques montre une biomasse foliaire redistribuée vers le sommet et un rendement en H1 supérieur comparé aux plantes cultivées en pots. Une densité de culture élevée en mode hydroponique a peu d'incidence sur la production de biomasse foliaire et le rendement en H1 à l'échelle de la plante, y compris lorsqu'exprimé par unité de surface de serre. Enfin, une intensité lumineuse élevée pendant la phase de croissance des plantes en cultures hydroponiques conduit à une biomasse foliaire plus importante avant l'étape d'expression protéique à proprement parler, sans influence marquée toutefois sur le rendement spécifique en antigène H1 dans les feuilles.

Les plantes sont des hôtes prometteurs pour la production de protéines recombinantes d’intérêt médical et de nombreuses études ont été réalisées au cours des années pour optimiser le taux d’expression des transgènes ou la maturation des protéines en systèmes végétaux. En comparaison, les connaissances demeurent limitées au sujet de l’influence des facteurs environnementaux et des pratiques culturales sur l’expression et le rendement en protéines recombinantes dans les plantes. Les pratiques culturales courantes en serriculture, si elles permettent en général une production importante de biomasse et des rendements élevés en produits horticoles, ne sont pas nécessairement bien adaptés à la production de protéines recombinantes dans un contexte de moléculture. Dans cette étude, nous avons étudié les effets d’un enrichissement en CO2 atmosphérique, d’une forte irradiance sur le couvert végétal, d’une fertigation riche en ammonium et d’une densité de plantation élevée sur la croissance, le développement et le rendement en protéine recombinante chez l’hôte d’expression Nicotiana benthamiana utilisé pour la production du principe actif d’un vaccin contre la grippe, l’hémagglutinine H1 du virus de l’influenza. En bref, nos données ont montré les effets positifs (1) d’un enrichissement en CO2, d’une forte luminosité, d’un éclairage intercalaire dans la canopée végétale ou d’une solution nutritive riche en ammonium sur la production de biomasse et le contenu en protéines dans la plante; et (2) d’un éclairage intercalaire et d’une forte densité culturale sur le rendement en protéine H1 par unité de surface en culture. En revanche, le rendement en H1 n’a pas été altéré, ou l’a été négativement, sous de fortes concentrations en CO2 atmosphérique, sous une forte luminosité au-dessus du couvert végétal ou par une solution nutritive riche en ammonium. En somme, nos données indiquent que les conditions de culture optimales pour la production de produits horticoles en conditions confinées peuvent ne pas être appropriées dans un contexte de moléculture où l’objectif ultime est le rendement en protéine recombinante, non pas la production de biomasse foliaire, la teneur en nutriments ou le rendement en fruits ou en fleurs. / Plants are promising hosts for the production of medically-useful recombinant protein sand numerous studies have been done over the years to optimize transgene expression rates and protein maturation processes in plant systems. By comparison, little is still known about the influence of basic environmental factors and cultural practices on the expression and yield of heterologous proteins in plants. Current cultural practices in greenhouse settings, that generally allow for an increased biomass or food/flower product yield, are not necessarily well suited to recombinant protein production in a molecular farming context. In this study, we investigated the effects of CO2 enrichment, supplemental lighting, ammonium fertigation and plant culture density on growth, development and recombinant protein yield of the protein expression host Nicotiana benthamiana used to express the flu vaccine antigen influenza virus hemagglutinin H1. In brief, our data showed (1) atmospheric CO2 enrichment, high-light irradiance, supplemental LED inter-lighting in the plant canopy and high-ammonium fertigation to enhanced leaf biomass production and endogenous protein content on a plant basis, and (2) LED inter-lighting or elevated plant density to increase recombinant protein yield on a whole-crop area basis. On the other hand, H1 content was not influenced or negatively affected by CO2 enrichment, high-light irradiance or high-ammonium supply on a leaf fresh weight basis. Overall, our findings indicate that the optimal cultural practices for the production of horticultural food products or ornementals in controlled environment settings may not be optimal in molecular farming settings, where the ultimate goal is recombinant protein yield and quality, not leaf biomass, nutrient content, fruit yield or flower quality.

Cette étude visait à évaluer l'impact, durant les phases de croissance pré-infiltration et d'expression transitoire post-infiltration, de différents déficits de pression de vapeur d'eau (DPV) et de fréquences d'irrigation sur la croissance, le développement et la production de protéines recombinantes de plants de Nicotiana benthamiana (Nb) cultivés en NFT (technique sur film nutritif). Le premier volet consistait à étudier les adaptations anatomiques de Nb face à un DPV plus ou moins contraignant sous deux gestions d'irrigation et à relier ces adaptations aux rendements en antigène de l'hémagglutinine 1 du virus de l'Influenza (H1). Nous avons répertorié une plus faible densité des tissus foliaires, une diminution de la conductance stomatique et une croissance inférieure des plants sous irrigation réduite. Nous avons aussi observé de meilleurs rendements en protéines recombinantes chez les plants cultivés sous un DPV élevé et une irrigation réduite. En outre, une gestion d'irrigation abondante ainsi qu'un faible DPV ont provoqué d'intenses symptômes de nécroses foliaires au terme de la période d'incubation des plants. À la lumière des résultats obtenus dans le premier volet, nous avons étudié dans un second volet l'effet de la température et de l'humidité relative de l'air durant la phase post-infiltration sur la progression dans le temps de symptômes des nécroses foliaires sur des plants précédemment cultivés sous des traitements de DPV contrastants et une gestion d'irrigation réduite. Nos résultats ont montré que, bien que la synthèse des protéines recombinantes soit accélérée par une température plus élevée, l'augmentation de l'humidité relative n'a pas permis d'atténuer la progression des symptômes de nécroses foliaires. Cependant, un DPV élevé durant la croissance a permis de diminuer l'importance des symptômes de nécroses, agissant comme un facteur de protection. Ce projet a permis de mettre en lumière d'importants défis entourant les conditions de croissance et d'expression en vue d'une moléculture à grande échelle en gouttières NFT.