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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. / Hexokinase (HK) catalyzes the first step of hexose metabolism by phosphorylating hexose to generate the corresponding hexose phosphate thereby allowing hexose entrance in glycolysis. Even though glucose is the main substrate, HK can also phosphorylate a broad spectrum of hexoses. Despite its importance this enzyme has never been purified to homogeneity in a native form. The aim of this work was therefore to purify this enzyme from Solanum tuberosum tubers and subsequently characterize its kinetic properties. Before I started this work, another group had already separated and partially purified 3 HK isoform from S. tuberosum. An extraction protocol was available but improvement was necessary since the extracted HK had little stability. By adding some protease inhibitors and by modifying the concentration of certain components in the extraction buffer we were able to obtain an extract with a HK activity stable for at least 72 h after extraction by preventing degradation. With this buffer and chromatography on butyl sepharose it was possible to separate 4 HK isoforms from S. tuberosum. After 5 more chromatographic steps, one HK isoform was purified to homogeneity (HK1). This enzyme was characterized and sequenced by MS/MS. We were able to associate this protein sequence with the gene product of StHK1 from S. tuberosum. With a specific activity of 10.2 U/mg of protein, this is the HK with the highest specific activity ever reported from a plant tissue. All the information gathered while purifying HK1 was used to undertake the purification of a second isoform (HK3). We were able to obtain preliminary results on its kinetic properties.

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Ce projet a pour but d’évaluer la capacité de la voie des pentoses phosphates (VPP) dans les racines transgéniques de pomme de terre (Solanum tuberosum) modifiées pour exprimer différents niveaux de l'hexokinase (HK) et de la triosephosphate isomérase cytosolique (cTPI). Dans les racines, la VPP alimente la voie de l’assimilation de l’azote en equivalents réducteurs et permet donc la biosynthèse des acides aminés. Le glucose-6-phosphate produit par l’HK est consommé par la partie oxydative de la VPP catalysée par la glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PDH) et la 6-phosphogluconate déshydrogénase (6PGDH). Les changements dans l'expression de HK et cTPI peuvent affecter le fonctionnement de la VPP et les mécanismes qui sont liés à l’utilisation des équivalents réducteurs produits par la VPP, comme l'assimilation de l’azote et la synthèse des acides aminés. Afin d’évaluer l’effet des manipulations génétiques de l’HK et de la cTPI sur l’assimilation de l’azote, nous avons cultivé les racines transgéniques sur des milieux contenant des concentrations élevées (7 mM) ou basses (0,7 mM) de nitrate d’ammonium comme source d’azote. Les résultats montrent que la culture sur un milieu riche en azote induit les activités G6PDH et 6PGDH. Les données montrent que la capacité de la VPP est plus grande avec des niveaux élevés en HK ou en cTPI. Nous avons aussi pu démontrer une plus grande activité spécifique de l’HK dans les conditions pauvres en azote. Ces données ont été complémentées par des mesures des pools d’acides aminés dans les racines transgéniques cultivées sur différents niveaux d’azote. Aucune tendance notable des pools d’acides aminés n’a été remarquée dans les racines modifiées pour leur contenu en HK suggèrant que la manipulation de HK n’affecte pas l'assimilation de l’azote. Dans les racines transgéniques modifiées pour la cTPI, les ratios Gln/Glu et Asn/Asp sont plus élevés chez les clones antisens, indiquant une assimilation de l’azote plus élevée. Ces résultats ont démontré l'activation de l'assimilation de l’azote chez les clones antisens cTPI dans les conditions élevées et basses d’azote alors que la manipulation de l’HK n’affecte pas l’assimilation de l’azote. / This study investigates the capacity of the oxidative pentose phosphate pathway (oxPPP) and nitrogen metabolism in transgenic potato (Solanum tuberosum) roots modified to express different levels of hexokinase (HK) or cytosolic triosephosphate isomerase (cTPI) growing under different nitrogen regimes. The flux of carbon through the oxPPP in cTPI antisense roots is higher than control roots growing under high supply of N. On the other hand, the conversion of Glucose (Glc) to Glucose-6-phosphate (G6P) is higher in roots overexpressing HK than in antisense HK roots growing at a high level of N. Therefore, overexpression of HK or down regulation of cTPI activities in transgenic roots might be compensated by increased C catabolism through the oxPPP. In order to see the affect of HK and cTPI manipulation on N assimilation, the transgenic roots were grown on media with low or high concentration of ammonium nitrate as the N source. The specific activity of the oxPPP enzymes glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH) and 6-phosphogluconate dehydrogenase (6PGDH) were both increased by an increased N supply in HK and cTPI transgenic roots. This is consistent with the provision of reducing equivalents for N assimilation. The data also show that the capacity of the oxPPP is higher in roots with high HK or cTPI activity. We were able to detect higher HK specific activity in N deficient conditions. These data were complemented with measurements of amino acid pools in transgenic roots. No trend in amino acid pools was found in roots modified for HK activity. However, down regulation of cTPI led to higher Gln, Gln/Glu and Asn/Asp ratios, indicating higher assimilation of N. These results demonstrated the activation of N assimilation in cTPI antisense clones while the manipulation of HK is unlikely to affect the N assimilation.

Le fer est un micronutriment important pour la croissance et le développement des plantes. Il agit comme cofacteur pour plusieurs enzymes et il est important pour des processus tels que la photosynthèse et la respiration. Souvent, le Fe dans le sol n’est pas bio-disponible pour la plante. Les plantes ont développé des stratégies pour solubiliser le Fe du sol pour le rendre disponible et assimilable pour elles. Il y a deux stratégies, la première est caractéristique des dicotylédones et la seconde est caractéristique des monocotylédones. Le modèle utilisé dans cette étude est une culture cellulaire de Solanum tuberosum. Une partie de la recherche effectuée a permis la mesure d’activité et d’expression relative de certaines enzymes impliquées dans le métabolisme énergétique et la fourniture de précurseurs pour la synthèse d’ADN : la Nucléoside diphosphate kinase, la Ribonucléotide reductase, la Glucose 6-phosphate déshydrogénase et la 6-Phosphogluconate déshydrogénase dans les cellules en présence ou en absence de Fe. Chez certains organismes, la déficience en Fe est associée à une perte de croissance qui est souvent liée à une diminution de la synthèse d’ADN. Chez les cultures de cellules de S. tuberosum, les résultats indiquent que la différence de biomasse observée entre les traitements n’est pas due à une variation de l’activité ou l’expression relative d’une de ces enzymes. En effet, aucune variation significative n’a été détectée entre les traitements (+/- Fe) pour l’activité ni l’expression relative de ces enzymes. Une autre partie de la recherche a permis d’évaluer l’activité des voies métaboliques impliquées dans la stratégie 1 utilisée par S. tuberosum. Cette stratégie consomme des métabolites énergétiques: de l’ATP pour solubiliser le Fe et du pouvoir réducteur (NAD(P)H), pour réduire le Fe3+ en Fe2+. Des études de flux métaboliques ont été faites afin d’étudier les remaniements du métabolisme carboné en déficience en Fe chez S. tuberosum. Ces études ont démontré une baisse du régime dans les différentes voies du métabolisme énergétique dans les cellules déficientes en Fe, notamment dans le flux glycolytique et le flux de C à travers la phosphoenolpyruvate carboxylase. En déficience de Fe il y aurait donc une dépression du métabolisme chez S. tuberosum qui permettrait à la cellule de ralentir son métabolisme pour maintenir sa vitalité. En plus des flux, les niveaux de pyridines nucléotides ont été mesurés puisque ceux-ci servent à réduire le Fe dans la stratégie 1. Les résultats démontrent des niveaux élevés des formes réduites de ces métabolites en déficience de Fe. L’ensemble des résultats obtenus indiquent qu’en déficience de Fe, il y a une baisse du métabolisme permettant à la cellule de s’adapter et survivre au stress. / Iron is an important micronutrient for plant growth and development. It participates as a cofactor for several enzymes and is important for processes such as photosynthesis and respiration. Often soil Fe is not bioavailable to the plant. Plants have developed strategies to solubilize the Fe in the soil to make it available and easy to assimilate. There are two strategies, the first is characteristic of dicotyledones and the second is characteristic of monocotyledones. The model used in these studies is a cell culture of Solanum tubersoum. A first part of the research involved the study of expression and activity of enzymes required in energy metabolism and the provision of precursors for DNA synthesis: Nucleoside dehydrogenase, Ribonucleotide reductase, Glucose 6-phohate dehydrogenase and 6-Phosphogluconate dehydrogenase. In several organisms, Fe deficiency induces a loss of biomass which is often associated with a decrease in DNA synthesis. In S. tuberosum cell cultures, the results indicate that the loss of biomass observed in Fe deficiency is not linked to a change in the activity or relative expression of these enzymes. Indeed, no significant changes were detected between treatments (+/- Fe) for activity or relative expression. In another part of the research, we evaluated the activity of the metabolism pathways involved in strategy 1, which is used by S. tuberosum. This strategy consumes energetic metabolites: ATP to solubilize Fe and reducing power (NAD(P)H) to reduce the Fe3+ to Fe2+. Metabolic flux studies were done to investigate the alterations of carbon metabolism during Fe deficiency in S. tuberosum. These studies demonstrated that in Fe deficient cells, there is a decrease in the fluxes of some pathways of energy metabolism. Particularly, in the glycolytic flux and the anaplerotic flux of PEPC. Under Fe deficiency there would be a depression of metabolism in S. tuberosum which would allow the cell to slow its metabolism to maintain its vitality. In addition to the fluxes, the levels of pyridine nucleotides were measured since they serve to reduce Fe in the strategy 1. The results show an increase in the reduced forms of these metabolites during Fe deficiency. All results together point out that during Fe deficiency the metabolism decreases, allowing the cell to survive and adapt to the stress.

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Ce projet a pour but d’évaluer la capacité de la voie des pentoses phosphates (VPP) dans les racines transgéniques de pomme de terre (Solanum tuberosum) modifiées pour exprimer différents niveaux de l'hexokinase (HK) et de la triosephosphate isomérase cytosolique (cTPI). Dans les racines, la VPP alimente la voie de l’assimilation de l’azote en equivalents réducteurs et permet donc la biosynthèse des acides aminés. Le glucose-6-phosphate produit par l’HK est consommé par la partie oxydative de la VPP catalysée par la glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PDH) et la 6-phosphogluconate déshydrogénase (6PGDH). Les changements dans l'expression de HK et cTPI peuvent affecter le fonctionnement de la VPP et les mécanismes qui sont liés à l’utilisation des équivalents réducteurs produits par la VPP, comme l'assimilation de l’azote et la synthèse des acides aminés. Afin d’évaluer l’effet des manipulations génétiques de l’HK et de la cTPI sur l’assimilation de l’azote, nous avons cultivé les racines transgéniques sur des milieux contenant des concentrations élevées (7 mM) ou basses (0,7 mM) de nitrate d’ammonium comme source d’azote. Les résultats montrent que la culture sur un milieu riche en azote induit les activités G6PDH et 6PGDH. Les données montrent que la capacité de la VPP est plus grande avec des niveaux élevés en HK ou en cTPI. Nous avons aussi pu démontrer une plus grande activité spécifique de l’HK dans les conditions pauvres en azote. Ces données ont été complémentées par des mesures des pools d’acides aminés dans les racines transgéniques cultivées sur différents niveaux d’azote. Aucune tendance notable des pools d’acides aminés n’a été remarquée dans les racines modifiées pour leur contenu en HK suggèrant que la manipulation de HK n’affecte pas l'assimilation de l’azote. Dans les racines transgéniques modifiées pour la cTPI, les ratios Gln/Glu et Asn/Asp sont plus élevés chez les clones antisens, indiquant une assimilation de l’azote plus élevée. Ces résultats ont démontré l'activation de l'assimilation de l’azote chez les clones antisens cTPI dans les conditions élevées et basses d’azote alors que la manipulation de l’HK n’affecte pas l’assimilation de l’azote. / This study investigates the capacity of the oxidative pentose phosphate pathway (oxPPP) and nitrogen metabolism in transgenic potato (Solanum tuberosum) roots modified to express different levels of hexokinase (HK) or cytosolic triosephosphate isomerase (cTPI) growing under different nitrogen regimes. The flux of carbon through the oxPPP in cTPI antisense roots is higher than control roots growing under high supply of N. On the other hand, the conversion of Glucose (Glc) to Glucose-6-phosphate (G6P) is higher in roots overexpressing HK than in antisense HK roots growing at a high level of N. Therefore, overexpression of HK or down regulation of cTPI activities in transgenic roots might be compensated by increased C catabolism through the oxPPP. In order to see the affect of HK and cTPI manipulation on N assimilation, the transgenic roots were grown on media with low or high concentration of ammonium nitrate as the N source. The specific activity of the oxPPP enzymes glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH) and 6-phosphogluconate dehydrogenase (6PGDH) were both increased by an increased N supply in HK and cTPI transgenic roots. This is consistent with the provision of reducing equivalents for N assimilation. The data also show that the capacity of the oxPPP is higher in roots with high HK or cTPI activity. We were able to detect higher HK specific activity in N deficient conditions. These data were complemented with measurements of amino acid pools in transgenic roots. No trend in amino acid pools was found in roots modified for HK activity. However, down regulation of cTPI led to higher Gln, Gln/Glu and Asn/Asp ratios, indicating higher assimilation of N. These results demonstrated the activation of N assimilation in cTPI antisense clones while the manipulation of HK is unlikely to affect the N assimilation.

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L'objectif général de la thèse est d'examiner la variation et l'évolution des traits fonctionnels<p>susceptibles de sous-tendre des variations de capacité d'invasion, au sein du complexe de plantes envahissantes F. japonica, F. xbohemica et F. sachalinensis en Belgique. Ces trois taxons d'origine asiatique présentent un intérêt majeur en écologie des invasions car ils possèdent une aptitude à l'invasion contrastée bien qu'ils fassent partie du même complexe hybride, aient la même forme de vie, et la même distribution géographique. <p>En particulier, la thèse examine si Fallopia sachalinensis présente une combinaison particulière de traits fonctionnels liés à la capture et à l'utilisation des ressources susceptible d'expliquer sa capacité d'invasion plus faible. La thèse tâche également de déterminer si les hybrides sont intermédiaires entre les parents pour ces traits ou manifestent des propriétés originales susceptibles<p>d'entraîner un comportement plus invasif. Les traits fonctionnels pris en considération comprennent notamment l'architecture des parties aériennes, le SLA (surface foliaire spécifique), les teneurs foliaires en nutriments, la vitesse de décomposition des litières et la plasticité phénotypique de ces caractères. La stratégie scientifique repose sur trois approches complémentaires:<p>- des comparaisons in situ entre les taxons dans des sites ou ils coexistent;<p>- des cultures en conditions semi-contrôlées au jardin expérimental;<p>- une expérience de décomposition des litières.<p>Les résultats mettent en lumière la stratégie unique de capture et d'utilisation des ressources<p>de F. sachalinensis, ainsi que ses réponses plastiques moins adaptées (moins d'accroissement de la hauteur et de la surface foliaire totale en réponse a l'ombre, et de la biomasse et du nombre de tiges en réponse a une augmentation de la fertilité du sol). Cette stratégie contribue a sa capacité d'invasion plus faible en réduisant son efficacité d'utilisation et de capture de la lumière et des nutriments. D'autre part, l'hybride ne présente pas de valeurs transgressives pour les traits étudiés et est similaire à F. japonica en termes de traits et de plasticité. Toutefois, le nombre limité de<p>populations hybrides étudiées ne nous permet pas d'en conclure que l'hybride ne présente pas de<p>variation transgressive a l'échelle européenne. De plus, la variabilité génétique de l'hybride pourrait permettre une évolution future de sa capacité d'invasion, ce qui en fait une priorité pour la prévention et la gestion a l'échelle mondiale. / The objective of the thesis is to examine variation and evolution of functional traits that are susceptible to underlie variation of invasiveness in the invasive complex of Fallopia japonica, F. xbohemica and F. sachalinensis in Belgium. These three taxa originate from Asia and present a major interest in invasion ecology since they display contrasting invasiveness although they are part of the same hybrid complex, have the same life form and distribution area.<p>In particular, we ask if F. sachalinensis displays a specific combination of functional traits related to resource capture and use that is susceptible to explain its lower invasiveness. We also try to determine if the hybrids have intermediary trait values or if they show specific properties susceptible to increase their invasiveness. Functional traits measured include architecture, SLA (specific leaf area), nutrient foliar concentrations, litter decomposition rate and phenotypic plasticity of the same traits. Scientific strategy uses three different methods:<p>- in situ comparisons between the taxa in sites where they coexist;<p>- common gardens with semi controlled conditions;<p>- litter decomposition experiment.<p>Results show the unique strategy of F. sachalinensis concerning resource capture and use, as well as its less adaptive plastic responses (smaller increase of height and total leaf area in response to shade, and of biomass and shoot number in response to soil fertility). This strategy contributes to its lower invasiveness through a reduction in light and nutrient capture and use efficiency. The hybrid does not display transgressive variation for the studied traits and is similar to F. japonica concerning its traits and its plasticity. However, the limited number of hybrid accessions does not allow to conclude that the hybrid presents no transgressive variation throughout Europe. Moreover, genetic variability in the hybrid might allow future evolution of its invasiveness, making the hybrid a priority for prevention and management throughout the world. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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