Vakuoläre PPasen (V-PPase) in Landpflanzen dienen dem Transport von Protonen in die Vakuole und dem Aufbau eines elektrochemischen Gradienten, während sie gleichzeitig durch Hydrolyse eine Anreicherung des toxischen PPi im Cytosol verhindern. Zahlreiche Publikationen bewiesen bereits positive Effekte der stabilen V-PPase-Überexpression in Pflanzen. Unter anderem zeigte die Ackerschmalwand, Tabak, Reis und Tomate eine erhöhte Biomasse und gesteigerte Stresstoleranz auf Grund einer erhöhten stabilen V-PPase Ex-pression. Um die zugrundeliegenden Prozesse ohne potenzielle pleiotropische Effekte während der Pflanzenentwicklung zu analysieren, wurden in der vorliegenden Dissertation die physiologischen Auswirkungen einer transienten V-PPase-Überexpression in Nicotiona benthamiana Blättern und die Einflussnahme von NaCl quantitativ erfasst. Zu diesem Zweck wurden zwei endogene V-PPasen (NbVHP1 und NbVHP2) aus N. bentha-miana zunächst bioinformatisch und dann auf Transkriptionsebene mittels quantitativer Real-Time-PCR identifiziert. Die endogenen V-PPasen wurden mittels der Agrobakterien-Infiltrationstechnik transient in N. benthamiana Blättern und ihre vakuoläre Lokalisation mit Hilfe von Fluoreszenzmarkern bestätigt. Die Protonenpump-Funktion der überexprimierten NbVHPs konnte mit der Patch-Clamp-Technik anhand des vier-fach erhöhten Protonenpump-stroms in den isolierten Mesophyllvakuolen verifiziert werden. Im Zuge der elektro-physiologischen Charakterisierung der endogenen N. benthamiana V-PPasen konnte die für V-PPasen typische Sensitivität gegenüber cytosolischem Calcium bestätigt werden, welche sich bei einem erhöhten Calcium-Spiegel in einer Hemmung der Pumpströme äußerte. Ferner wurde ihre gleichartige Substrataffinität (Km von 65 µM PPi) unabhängig des vakuolären pHs zwischen 5,5 und 7,5 festgestellt. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit analog durchgeführten Messungen an der bereits publizierten AtVHP1 von A. thaliana bestätigte die große Homo-logie der V-PPasen von Landpflanzen. Im Gegensatz zu den erwünschten Auswirkungen der stabilen V-PPase Überexpression resultierte diese starke transiente Überexpression nach drei Tagen im Absterben makroskopischer Blattbereiche. Das Ausmaß dieser Nekrosen wurde anhand des vorhandenen PhotosystemII in den transformierten Blättern mit der Puls-Amplituden-Modulations-Technik quantifiziert. Die analoge transiente Überexpression einer löslichen PPase (IPP1) führte allerdings zu keinerlei negativen Effekten für die Pflanze, wodurch die erhöhte Protonentransportaktivität im Gegensatz zur Hydrolyseaktivität der V-PPasen als Ursache des Zellsterbens verifiziert werden konnte. Aufgrund dieser unerwarteten negativen Auswirkungen der transienten V-PPase-Überex-pression auf die Blattvitalität wurde zusätzlich die Salzstresstoleranz der Blätter untersucht. Unter Berücksichtigung des kurzen Transformations- und damit Beobachtungszeitfensters wurde ein Salzapplikationsverfahren etabliert, bei dem simultan mit der Agrobakterien-infiltration 200 mM NaCl direkt in den Blattapoplasten eingeführt wurde. Anhand einer Zu-nahme in sowohl der Transskriptmenge der V-PPase als auch des PPi-induzierten Protonen-pumptransportes über den Tonoplasten wurde gezeigt, dass die NaCl-Anwesenheit im Blatt eine erhöhte Aktivität der endogenen V-PPasen des N. benthaminan Pflanzen bewirkte. Der gleichzeitige tendenzielle Rückgang der V-ATPase-Pumpaktivität in salzbehandelten Mesophyllvakuolen lässt vermuten, dass die V-PPasen eine größere Rolle bei der Bewahrung des vakuolären pH-Wertes und der protonenmotorische Kraft (PMF) unter Salzstress ein-nimmt. Interessanterweise führte die Salzapplikation bei einer V-PPase-Überexpression zu keinen additiven negativen Effekten, sondern verhinderte sogar das Auftreten der Nekrosen. Um dieses Phänomen zu ergründen, wurde zunächst mit Hilfe von Apoplastenwaschungen und Natrium-Konzentrationsmessungen bestätigt, dass das injizierte NaCl im Blatt verblieb und von den Blattzellen aufgenommen wurde. Für weitere Studien der Ursachen der Nekrosen wurden in-vivo-pH-, Membranpotenzial- und Metabolitmessungen durchgeführt. Während in V-PPase-überexprimierenden Zellen der vakuoläre pH-Wert zu Kontrollvakuolen signifikant sank, blieb er mit zusätzlicher Salzbehandlung auf Kontrollniveau. Des Weiteren schwächte die Salzapplikation die starke Depolarisation der Plasmamembran nach V-PPase-Über-expression um mehr als die Hälfte ab. Hingegen konnten keine nennenswerten Ver-änderungen im Metabolit- und Ionengehalt des Blattgewebes bei V-PPase-Überexpression festgestellt werden. Lediglich der Natrium- und Chlorid-Spiegel waren bei salz-behandelten Blättern erwartungsgemäß erhöht. Diese Ergebnisse bekräftigten, dass der stark erhöhte V-PPase-vermittelte Protonenpumpstrom und weniger metabolische Veränderungen für die Nekrosen von V-PPase-überexprimierte Pflanzen verantwortlich ist. Diese negativen Auswirkungen werden offensichtlich durch die Salzbehandlung stark vermindert, da die Aufnahme der Salz-ionen über Protonen-Na+/K+-Antiporter wie NHX antagonistisch auf die V-PPase verursachte Protonenanreicherung und die daraus folgende Veränderung des Membran-potentials und der PMF entgegenwirkt. In diese Arbeit wurde in einem neuen Blickwinkel deutlich, dass die natürliche Expressions-kontrolle der V-PPase in ausdifferenzierten Pflanzenzellen sich den Umweltbedingungen anpasst, um das Gleich-gewicht zwischen den positiven und negativen Auswirkungen der Pumpaktivität zu halten. / The plant vacuolar PPases (V-PPase) transport protons across the tonoplast from the cytosol into the vacuole. This establishes a trans-tonoplast electrochemical gradient and prevents the accumulation of toxic PPi in the cytosol. Many publications have already shown positive effects of stable V-PPase overexpression in plants. Arabidopsis, tobacco, rice and tomato for example, all showed increased biomass and greater stress tolerance with stable V-PPase overexpression. To understand the underlying processes without potential pleiotropic effects during plant development, we characterised V-PPase in Nicotiana benthamiana leaves using an electrophysiological approach, and investigated its physiology in overexpressing plants, concentrating on its regulation by NaCl. Two endogenous V-PPases (NbVHP1 and NbVHP2) from N. benthamiana were identified using bioinformatics and quantified with real-time PCR. Endogenous V-PPases were transiently overexpressed using Agrobacteria in N. benthamiana leaves, with their vacuolar localisation confirmed by fluorescence labelling. The proton pump activity of the NbVHPs was verified by a fourfold increase in the patch clamp-recorded proton current response of isolated mesophyll vacuoles. For the electrophysiological characterisation of the endogenous V-PPases, the V-PPase-typical cytosolic calcium sensitivity was confirmed; the proton pump became inhibited with increased calcium levels. Furthermore, their similar substrate affinity, a Km of 65 μM PPi, was found to be independent of the vacuolar pH between 5.5 and 7.5. Both attributes were comparable to the already published AtVHP1 of Arabidopsis thaliana, showing a high homology of plant V-PPases. The physiological effects of V-PPase overexpression was obvious from the time-delayed death of transformed cells. In contrast to the desired effects of stable V-PPase over-expression, this strong transient overexpression resulted in macroscopic dead leaf areas after three days. The extent of these necroses was quantified by counting the existing photosystems in the transformed leaves using the pulse-amplitude modulation technique (PAM). In contrast, no necrosis was found in plants where a soluble PPase (IPP1) was over-expressed. This supports the hypothesis that the increased proton transport activity of V-PPases, not the hydrolysis activity, is the cause of cell death. Because of these unexpected negative effects of transient V-PPase over-expression on leaf vitality, the salt stress tolerance of the leaves was also examined. The short transformation and observation time window meant we needed to establish a new way of salt application; we injected 200 mM NaCl directly into the leaf apoplast simultaneously with the agrobacterial material. Absorption of NaCl by leaf cells was confirmed by apoplast washing and sodium concentration measurements. The NaCl treatment increased the amount of transcripts of endogenous V-PPases in tobacco and increased the PPi-induced proton transport across the vacuolar membrane. The concomitant decline in V-ATPase pumping activity in saline-treated mesophyll vacuoles indicates that V-PPases have a significant role in maintaining the vacuolar pH and proton motive force (PMF) under saline conditions. Interestingly, simultaneous salt administration with V-PPase overexpression did not result in an additive negative effect but did prevent the occurrence of necrotic leaf areas. For further analysis of the necrosis, in vivo pH, membrane potential and metabolite measurements were performed. Under V-PPasen over-expression and salt treatment, the vacuolar pH remained constant and did not decrease as it did in non-salt-treated V-PPase over-expressing cells. Furthermore, the salt application attenuated the strong depolarisation of the plasma membrane by more than a half in V-PPase overexpressing plants, but no noteworthy changes in cell metabolism could be detected by metabolite and ion concentration measurements. Only the Na+ and Cl- levels were, as expected, increased in salt-treated leaves. This decrease in vacuolar pH alongside a membrane depolarisation confirms that the strong proton pump current of the V-PPase overexpressing vacuoles is the cause of the observed necrosis. These negative effects are obviously greatly reduced by salt treatment, since the uptake of the salt ions via proton:Na+/K+ antiporters such as NHX acts as an antagonist to V-PPase-induced proton accumulation in the vacuole and the consequent change in membrane potential and PMF. This work reveals in a new perspective, that the natural expression control of V-PPase in differentiated plant cells adapts to environmental conditions to balance the positive and negative effects of pumping activity.

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.

Les furocoumarines constituent l'une des classes de métabolites secondaires dérivant de la voie de biosynthèse des phénylpropanoïdes. Elles ont été décrites comme étant des phytoaléxines mais sont également très largement utilisées par l'Homme pour leurs propriétés thérapeutiques. Un certain nombre d'études biochimiques ont été réalisées afin d'en comprendre la biosynthèse mais peu de choses sont connues concernant leur déterminisme moléculaire. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur la caractérisation fonctionnelle de gènes appartenant aux prényltransférases aromatiques potentiellement impliquées dans cette voie de biosynthèse. Les prényltransférases catalysent la première étape de la voie de biosynthèse des furocoumarines linéaires ou angulaires. Elles permettent l'addition d'un groupement dimethylally pyrophosphate (DMAPP) sur l'umbelliférone. En utilisant SfN8DT-1, une prényltransférase aromatique récemment caractérisée, comme sonde, nous avons identifié 7 gènes candidats chez deux familles de plantes (Rutaceae et Apiaceae). Dans la mesure où il a été décrit que ces enzymes étaient des protéines membranaires, nous avons adapté un système d'expression hétérologue basé sur l'utilisation de N. benthamiana. Ce système a été validé par l'expression de deux protéines membranaires : un cytochrome P450 CYP98A22 et une prényltransférase déjà caractérisée SfN8DT-1. Nous avons ensuite utilisé ce système d'expression pour réaliser l'étude des 7 gènes nouvellement isolés. Ces travaux nous ont permis de caractériser la première umbelliferone prenyltransferase de Petroselinum crispum capable de catalyser in vitro et in vivo la prénylation du carbone 6 ou 8 de l'umbelliférone en présence de DMAPP permettant ainsi la synthèse respectivement de demethylsuberosin et d'osthenol. Par ailleurs, une étude réalisée in planta chez le persil a permis de mettre en évidence une relation positive entre le niveau d'expression du gène et la teneur en umbelliférone prénylée. L'étude de la surexpression du gène chez Ruta graveolens a permis de mettre en évidence un lien entre l'expression du gène et la disparition de l'umbelliférone. Enfin nous avons identifié la même activité pour une prényltransférase de Pastinaca sativa, ce qui nous amène à émettre l'hypothèse que l'étape de prénylation n'est pas une étape limitante dans la biosynthèse des furocoumarines angulaires, étant donné que le persil ne produit que des furocoumarines linéaires, tandis que le panais produit des furocoumarines linéaires et angulaires. L'utilisation de ces mêmes systèmes d'expression hétérologue de N. benthamiana et R. graveolens nous a également permis d'identifier une seconde prényltransférase aromatique capable de catalyser l'addition de géranylpyrophosphate (GPP) sur l'umbelliférone et sur l'esculétine / Furanocoumarins constitute one of the classes of secondary metabolites deriving from the phenylpropanoid biosynthetic pathway. These molecules are described as phytoalexins in plants but are also used by humans for their pharmaceutical properties. A large number of biochemical studies were carried out to understand their biosynthetic pathway but little information was available concerning the genes involved in the pathway. In this study, we focused on the characterization of genes encoding for aromatic prenyltransferases which were described to be involved in this pathway. Prenlyltransferases catalyze the entry step to the linear or angular furanocoumarin pathway. Hence they catalyze the addition of a dimethylallyl pyrophosphate (DMAPP) prenyl moiety to umbelliferone. Using a recently characterized aromatic prenyltransferase (SfN8DT-1) as a probe, we isolated 7 different candidate genes from two plant families (Rutaceae and Apiaceae). As these enzymes were described as membrane bound proteins, we adapted a heterologous expression system made up of Nicotiana benthamian aand we validated its efficiency by using two membrane-associated enzymes: a cytochrome P450 (CYP98A22) and the already described prenyltransferase SfN8DT-1. Subsequently, this system was used to perform the functional characterization of the 7 newly identified proteins. This way we succeeded to characterize the first umbelliferone prenyltransferase of Petroselinum crispum that was able to catalyze both the 6-C and 8-C prenylation of umbelliferone with DMAPP producing demethylsuberosin and osthenol respectively. We made evidence that these reactions occurred both in vitro and in vivo. In addition, in planta studies performed in P.crispum showed a positive relationship between the gene expression level and the content of prenylated umbelliferone. The overexpression of this gene was investigated in Ruta graveolens and we could provide evidences of a link between the enzymatic activity and the disappearance of umbelliferone. We also reported a similar activity for a prenyltransferase isolated from Pastinaca sativa, which makes us assume that the prenylation step is not a rate limiting step in the biosynthetic pathway of angular furanocoumarins since parsley is producing only linear furanocoumarins whereas parsnip is producing both linear and angular furanocoumarins. In addition, using the same N. benthamiana and R. graveolens heterologous expression systems, we identified a second aromatic prenyltransferase able to catalyze the addition of geranyl pyrophosphate (GPP) both to umbelliferone and esculetin

Hemicelluloses are synthesized by proteins encoded by genes from the cellulose synthasegene superfamily. One subgroup of this gene family is the cellulose synthase-like B, which islargely uncharacterized and unexplored. The common model organism Nicotianabenthamiana has one such gene in its genome, NbCslB, encoding a membrane protein. Theexpression of this gene has previously been studied in vivo, but in order to study the protein invitro a viable solubilization and purification protocol is required. This study evaluated the useof the detergent n-Dodecyl β-D-maltoside (DDM) for solubilization, followed by purificationusing immobilized metal ion affinity chromatography (IMAC), and thereafter reconstitutionof the protein into proteoliposomes. SDS-PAGE as well as Western blot analyses showed thatthe purification was successful and provided a pure sample of protein. Throughout theanalyses performed, an anti-FLAG antibody was discovered to bind well to the protein, andthereby be especially useful for analysis. An activity assay was performed on the purifiedprotein, to characterize its function and evaluate whether the protein had maintained itsactivity and conformation after the steps of purification and reconstitution. No activity couldbe detected in the enzymatic assay, which indicated that the purification protocol may havebeen too rough on the protein, that the reconstitution was not successful, or that the assayconditions were not optimal. These results can be used as a base for future research, where theprotocols for solubilization, purification, and reconstitution should be further refined in orderto obtain an end result where the purified protein is active. When an active and pure proteinsample is achieved, it will be possible to perform further attempts at characterizing thefunction of the protein using enzymatic activity assays. Additionally, the results showed thatthe choice of antibody can be crucial for proper analysis of this protein. / Hemicellulosa syntetiseras av proteiner vars gener återfinns i genfamiljen cellulosasyntas. Enundergrupp till denna genfamilj är cellulosasyntasliknande B, en grupp som till stor del ärokarakteriserad och outforskad. Den vanliga modellorganismen Nicotiana benthamiana haren sådan gen i sitt genom, NbCslB, som kodar för ett membranprotein. Hur denna genuttrycks har tidigare studerats in vivo, men for att kunna studera proteinet in vitro krävs etthållbart protokoll för solubilisering och rening. Denna studie utvärderade användningen avlösningsmedlet n-Dodecyl β-D-maltoside (DDM) för solubilisering, följt av rening medimmobiliserad metalljon-affinitetskromatografi (IMAC), och efter det rekonstitution avproteinet till proteoliposomer. SDS-PAGE och Western blot analyser visade att reningen varlyckad, och att ett rent proteinprov erhållits. När analyserna genomfördes upptäcktes att enanti-FLAG antikropp band särskilt väl till proteinet, och därmed var mycket användbar vidanalys. En aktivitetsanalys genomfördes med det renade proteinet för att karakterisera dessfunktion och utvärdera huruvida proteinet hade bevarat sin aktivitet och konformation efterrening och rekonstitution. Ingen aktivitet kunde detekteras i den enzymatiskaaktivitetsanalysen, vilket indikerade att reningen eventuellt var för hård mot proteinet,alternativt att rekonstitutionen inte var lyckad, eller att förhållandena för analysen inte varoptimala. Dessa resultat kan användas som en bas för framtida forskning om proteinet, därprotokollen för solubilisering, rening och rekonstitution bör vidareutvecklas för att uppnå ettslutresultat där det renade proteinet är aktivt. När ett aktivt och rent proteinprov uppnåtts ärdet möjligt att genomföra ytterligare försök att karakterisera proteinets funktion medenzymatiska aktivitetsanalyser. Resultaten visade också att valet av antikropp kan varaavgörande för att ordentligt kunna analysera detta protein.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Cette étude visait à caractériser la croissance, la capacité photosynthétique, la concentration en azote et protéines totales solubles, la production de protéines recombinantes (HA) ainsi que la quantité de lumière interceptée à différents stades de développement de plants de Nicotiana benthamiana afin d’optimiser la production de vaccins. L’évolution des réponses physiologiques étudiées fut similaire chez toutes les feuilles primaires, suggérant que le processus de sénescence s’initie et progresse de façon semblable indépendamment de leur ordre d’initiation. Toutefois, la superposition des patrons temporels de sénescence et de croissance foliaire a mené à un rendement HA maximal se situant invariablement dans la partie médiane du plant lorsqu’exprimé sur une base foliaire. À l’échelle du plant entier, nos résultats suggèrent qu’il est possible d’augmenter la production de vaccins en récoltant les plants à un stade de développement plus tardif, ou en augmentant la densité de culture et en récoltant ces plants plus tôt. / Nicotiana benthamiana is a wild relative of tobacco increasingly used as a plant protein expression platform to produce recombinant vaccine antigens against the influenza virus. Investigation on the physiological determinants of this production is essential to optimize and regulate vaccines production following a new flu outbreak. We examined the photosynthetic photon flux density, growth, light-saturated photosynthesis, total soluble protein, nitrogen content and recombinant protein production at different phenological stages. The similar evolution of the studied physiological responses suggested that the senescence process is initiated and progresses in a similar way in all primary leaves, regardless of the order of initiation. In contrast, the superposition of the time pattern of senescence with that of leaf growth shows that maximal HA yield expressed on a leaf basis is invariably located in the middle part of the plant. At the whole plant scale, our results suggest that it is possible to increase the production of antigens by harvesting plants at a later developmental stage, or by increasing plant density and harvesting these plants earlier.

Ce projet avait pour but la production de protéines recombinantes pour des procédures vaccinales dans un système végétal. Les protéines choisies ont été d'une part, deux protéines virales d'un Arterivirus, le virus du syndrome reproducteur et respiratoire porcin (PRRSV), les protéines GP5 et M, et d'autre part une protéine du flagelle, la flagelline ou FljB de Salmonella typhimurium. Le PRRSV est responsable de pertes économiques majeures dans l'industrie porcine mondiale et l'efficacité des vaccins actuels contre ce virus est limitée. La protéine M a été choisie pour sa propriété à former un hétérodimère avec la protéine GP5 qui augmente la réponse immunitaire. La glycoprotéine GP5, quant à elle, possède deux épitopes dans sa région N-terminale dont un joue un rôle majeur puisqu' il est capable de stimuler la production d'anticorps neutralisants nécessaires à la clairance du virus. Enfin FljB, qui est une protéine bien conservée chez les bactéries Gram négatives, a été retenue pour ses propriétés adjuvantes intéressantes de par sa capacité à se lier au récepteur 5 de type toll (TLR5) et à induire des réponses immunitaires systémiques et mucosales. Les hypothèses pour cette étude étaient que la production d'une protéine recombinante M::GP5 intégrant trois mutations (M::GP5mut) à des sites stratégiques de celle-ci induirait une meilleure réponse immunitaire que la protéine GP5 sauvage ; que l'administration par voie orale de plante produisant la protéine M::GP5mut induirait une immunité protectrice contre le PRRSV ; que les propriétés adjuvantes de FljB produite chez Nicotiana benthamiana devraient être comparables à celles de FljB recombinante produite chez E. coli. Pour répondre à ces questions, un système transitoire d'expression chez N. benthamiana a été choisi. Il a l'avantage de pouvoir produire des protéines rapidement et à des niveaux élevés. L'immunogénicité de la protéine M::GP5mut, et les propriétés adjuvantes de la flagelline ont été testées dans un système murin. Dans le cas de la flagelline, l'ovalbumine (OVA) a été choisie comme immunogène. Peu de résultats ont été obtenus dans le cadre du projet des protéines du PRRSV du fait de l'absence de production de celles-ci à un niveau détectable bien que la présence des ARNm ait été confirmée. En revanche, pour FljB, il a été montré que l'administration par voie orale de celle-ci induisait une réponse immunitaire contre l'OVA d'une intensité égale à celle produite par l'administration du mélange OVA avec de la FljB recombinante produite par E. coli et supérieure à celle de l'OVA administrée seule. De plus, FljB recombinante produite dans N. benthamiana a permis d'obtenir une réponse plus précoce qu'avec l'utilisation de FljB recombinante produite chez E. coli. En conclusion, il a pu être montré grâce à FljB que le système de production utilisé était efficace et que FljB est un bon adjuvant qui conserve ses propriétés quand elle est produite chez N. benthamiana. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : PRRSV, FljB, expression transitoire, adjuvant, réponse immunitaire, Nicotiana benthamiana

Soil application of a known activator of Systemic Acquired Resistance (SAR), benzo(1,2,3)thiadiazole-7-carbothioic acid-S-methyl ester (BTH), and Harmonizer, a polychlorinated copper (II) phthalocyanine pigment, reduced severity of Colletotrichum orbiculare in Nicotiana benthamiana by 99% and 38%, respectively. BTH induced expression of nine SAR/progammed cell death-related genes and primed expression of two Induced Systemic Resistance (ISR)-related genes, while Harmonizer induced expression of only one SAR-related gene. Soil application of Harmonizer also reduced severity of Sclerotinia homoeocarpa in Agrostis stolonifera up to 39%, whereas BTH was ineffective. Next generation sequencing identified over 1000 genes in A. stolonifera with two-fold or higher increased expression following Harmonizer treatment relative to a water control, and induced expression of three defense-related genes was confirmed by relative RT-PCR. These results demonstrate that Harmonizer can activate systemic resistance in a dicot and a monocot, but changes in expression of genes indicated that it differed from BTH-activated SAR. / Petro-Canada, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, Ontario Turfgrass Research Foundation

Thesis (MSc (Plant Biotechnology))--University of Stellenboscg, 2010. / Includes bibliography. / Title page: Dept. of Genetics, Faculty of Natural Sciences. / ENGLISH ABSTRACT: Novel plant growth regulating substances (PGRs) are emerging as a useful tool to investigate important growth traits in plants. This study reports on growth promotion pathways leading to enhanced biomass accumulation in two PGRs sharing a common α, β-unsaturated furanone moiety. Growth promotion by GR24, a synthetic strigolactone, and an aqueous smoke solution (including the active compound, KAR1) in physiologically normal seedlings was characterized by enhanced biomass accumulation and higher seedling vigour. Root architecture (lateral root number and root length) and shoot size (fresh and dry shoot weight and leaf area) were also dramatically improved following GR24 and smoke/KAR1 treatment. Despite these apparent similarities, parallel transcript and phytohormone profiling identified only a limited number of overlapping entities. Four common up-regulated and nineteen down-regulated mRNA transcripts were identified; whilst amongst the phytohormones that were analyzed, only ABA and JA levels were commonly increased between the treatments. This suggests that, whilst the phenotypic end response(s) was similar, it was attained via distinct pathways. The limited number of co-expressed transcripts between these treatments, as well as repressed biomass accumulation when combining GR24 and aqueous smoke in a single treatment suggests, however, that a certain degree of cross-talk in either signal perception/transduction and/or biomass regulation could not be ruled out. In light of the structural similarity between the strigolactone and KAR1 molecules and the degree of redundancy between these treatments, it is possible that these two molecules might share a common receptor/perception pathway. Two silencing vectors were constructed, specifically aimed at silencing Nicotiana benthamiana genes MAX4 and MAX2 which are known to function in the strigolactone biosynthesis pathway and signal transduction pathway, respectively. Transgenes designed to express single- or double-stranded-self- complementary hairpin RNA have a post translational gene silencing effect. The pHELLSGATE2 plasmid a binary vector that incorporates GATEWAY cloning technology which makes use of λ-phage-based site specific recombination, rather than restriction endonucleases and ligation, was used to construct these gene silencing vectors. These constructs can in future be used to produce Nicotiana plants with impaired strigolactone production and perception abilities and may provide evidence as to whether the signaling cascade of KAR1 and strigolactone share a degree of crosstalk. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Aanvraag na plantmateriaal is besig om toe te neem, hetsy vir gebruik as mens- en diervoeding of vir die produksie van biobrandstof. Om aan hierdie behoefte te voldoen, word verskeie pogings geloods wat fokus op die optimisering van plantproduksiestelsels. Om plantgroei te stimuleer/verbeter, is ’n ingewikkelde proses en is oor die algemeen moeilik om te begryp. Die produksie van plantbiomassa is nou gekoppel aan primêre metabolisme en enige verandering in hierdie biochemiese padweë kan lei tot ongewenste newe-effekte. Gevolglik word primêre metabolisme streng beheer deur reguleringsmeganismes. ’n Nuttige alternatief tot metaboliese wysiging is deur bio-aktiewe agente te karakteriseer op grond van die veranderinge aan plantgroei wat waargeneem word. Nuwe stowwe met biologiese aktiwiteite in plantontwikkeling word elke dag ontdek en speel ’n belangrike rol in die studie van plantgroei en -ontwikkeling. Hier word verslag gelewer van twee plantgroei-stimulerende stowwe wat albei lei tot die aktivering van verbeterde plantbiomassa-akkumulasie-padweë. Swaarder plantjies met ’n verhoogde oorlewingsvermoё is waargeneem in fisiologies normale saailinge wat met ’n sintetiese strigolaktoon (GR24) of met rookwater (met aktiewe bestanddeel, KAR1) behandel is. Behandeling met hierdie twee stowwe het gelei tot soortgelyke plantbiomassa-akkummulasie- vermoё. Hierdie twee stowwe (GR24 en KAR1) deel ’n ooreenstemmende molekulêre struktuur in die vorm van ’n α, β-onversadigde furanone-moieteit. Ten spyte van die groeiverbeteringsooreenkomste, gesien in saalinge behandel met GR24 en rook/KAR1, dui verskille in transkripsie- en hormoonprofiel op twee verskillende groeistimuleringspadweë. Saailinge wat gelyktydig behandel is met ’n kombinasie van die twee stowwe het egter ’n stremming in groei getoon in vergelyking met die kontroleplantjies. Dit is egter waargeneem dat daar wel ’n mate van oorvleueling in die aantal transkripte was tussen die drie behandelinge, wat daarop dui dat die groei-regulerende padweë nie in totale onafhanklikheid funksioneer nie, maar wel sekere stappe deel. Na aanleiding van die strukturele ooreenkomste tussen die strigolaktoon (GR24) en KAR1 molekules en die mate van molekulêre kommunikasieoorvleueling word gepostuleer dat hierdie twee molekules dalk aan dieselfde reseptormodule kan bind of stimuleer. Om hierdie rede is twee geendempingsvektors geskep wat daarop gemik is om twee gene, MAX2 en MAX4, in Nicotiana benthamiana uit te doof. Die MAX2 geenproduk is betrokke in die kommunikasie en waarneming van die strigolaktoon en die MAX4 geenproduk is betrokke by die vervaardiging van die hormoon. Oordraagbare geen-kostruksies wat daarop gemik is om enkel- en dubbelstring selfkomplimentêre haarnaald-RNS te vorm, besit die vermoë om getranskribeerde geenprodukte te vernietig. Die pHELLSGATE2 plasmied is ’n binêre vektor wat GATEWAY kloneringstegnologie gebruik, waar λ-faag gebaseerde setelspesifieke rekombinasie eerder as die tradisionele ligeringsreaksie gebruik word. Hierdie konstrukte kan gebruik word om transgeniese plantjies te skep waar die vermoë om strigolaktoon te maak of waar te neem, verloor of onderdruk is. Hierdie transgeniese plantjies kan gebruik word om te bepaal of die plantgroei-stimulerende vermoë van GR24 en rook/KAR1 wel dieselfde padweë gebruik.

abstract: Anti-retroviral drugs and AIDS prevention programs have helped to decrease the rate of new HIV-1 infections in some communities, however, a prophylactic vaccine is still needed to control the epidemic world-wide. Despite over two decades of research, a vaccine against HIV-1 remains elusive, although recent clinical trials have shown promising results. Recent successes have focused on highly conserved, mucosally-targeted antigens within HIV-1 such as the membrane proximal external region (MPER) of the envelope protein, gp41. MPER has been shown to play critical roles in the viral mucosal transmission, though this peptide is not immunogenic on its own. Gag is a structural protein configuring the enveloped virus particles, and has been suggested to constitute a target of the cellular immunity potentially controlling the viral load. It was hypothesized that HIV-1 enveloped virus-like particles (VLPs) consisting of Gag and a deconstructed form of gp41 comprising the MPER, transmembrane, and cytoplasmic domains (dgp41) could be expressed in plants. Plant-optimized HIV-1 genes were constructed and expressed in Nicotiana benthamiana by stable transformation, or transiently using a tobacco mosaic virus-based expression system or a combination of both. Results of biophysical, biochemical and electron microscopy characterization demonstrated that plant cells could support not only the formation of HIV-1 Gag VLPs, but also the accumulation of VLPs that incorporated dgp41. These particles were purified and utilized in mice immunization experiments. Prime-boost strategies combining systemic and mucosal priming with systemic boosting using two different vaccine candidates (VLPs and CTB-MPR - a fusion of MPER and the B-subunit of cholera toxin) were administered to BALB/c mice. Serum antibody responses against both the Gag and gp41 antigens could be elicited in mice systemically primed with VLPs and these responses could be recalled following systemic boosting with VLPs. In addition, mucosal priming with VLPs allowed for a robust boosting response against Gag and gp41 when boosted with either candidate. Functional assays of these antibodies are in progress to test the antibodies' effectiveness in neutralizing and preventing mucosal transmission of HIV-1. This immunogenicity of plant-based Gag/dgp41 VLPs represents an important milestone on the road towards a broadly-efficacious and inexpensive subunit vaccine against HIV-1. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Molecular and Cellular Biology 2011