In this thesis, enzymes acting on the primary cell wall hemicellulose xyloglucan are studied.  Xyloglucans are ubiquitous in land plants which make them an important polysaccharide to utilise for microbes and a potentially interesting raw material for various industries.  The function of xyloglucans in plants is mainly to improve primary cell wall characteristics by coating and tethering cellulose microfibrils together.  Some plants also utilise xyloglucans as storage polysaccharides in their seeds. In microbes, a variety of different enzymes for degrading xyloglucans have been found.  In this thesis, the structure-function relationship of three different microbial endo-xyloglucanases from glycoside hydrolase families 5, 12 and 44 are probed and reveal details of the natural diversity found in xyloglucanases.  Hopefully, a better understanding of how xyloglucanases recognise and degrade their substrate can lead to improved saccharification processes of plant matter, finding uses in for example biofuel production. In plants, xyloglucans are modified in muro by the xyloglucan transglycosylase/hydrolase (XTH) gene products.  Interestingly, closely related XTH gene products catalyse either transglycosylation (XET activity) or hydrolysis (XEH activity) with dramatically different effects on xyloglucan and on cell wall characteristics.  The strict transglycosylases transfer xyloglucan segments between individual xyloglucan molecules while the hydrolases degrade xyloglucan into oligosaccharides.  Here, we describe and determine, a major determinant of transglycosylation versus hydrolysis in XTH gene products by solving and comparing the first 3D structure of an XEH, Tm-NXG1 and a XET, PttXET16-34.  The XEH activity was hypothesised, and later confirmed to be restricted to subset of the XTH gene products.  The in situ localisation of XEH activity in roots and hypocotyls of Arabidopsis was also visualised for the first time.  Furthermore, an evolutionary scheme for how XTH gene products developed from bacterial beta-1,3;1,4 glucanases was also presented based on the characterisation of a novel plant endo-glucanase, PtEG16-1. The EG16s are proposed to predate XTH gene products and are with activity on both xyloglucan and beta-1,3;1,4 glucans an “intermediate” in the evolution from beta-1,3;1,4 glucanases to XTH gene products. / QC 20110401

Atualmente a procura por produtos sustentáveis têm-se mostrado cada vez mais frequente e promissora. Em espécies de importância comercial, procura-se obter a maior produtividade possível dentro de um curto espaço de tempo aliado à preservação do meio ambiente. Dentro disso, a transformação genética de plantas se mostra uma alternativa atrativa para a geração de variedades de cana-de-açúcar que gerem produtos de maneira mais eficaz. O sucesso da transformação genética está diretamente associada a cultura de tecidos de plantas que precisa ser adequada a cada genótipo e situação de cultivo, sendo a luminosidade um dos principais fatores para a produção de plantas vigorosas. Outro fator importante é a seleção das plantas transgênicas, que precisam ser submetidas a uma quantidade de agente seletivo suficiente para identificar as plantas modificadas geneticamente. Em cana-de-açúcar, a identificação de plantas transgênicas por PCR e a definição do número de cópias é um procedimento de difícil execução e muito oneroso. Isto se dá pois no processo transformação via biolística, a inserção de genes é aleatória, produzindo plantas com variados números de cópias. Em consideração a estes fatores envolvidos na eficiência de obtenção de plantas transgênicas de cana-de-açúcar, os objetivos deste trabalho foram o aperfeiçoamento do protocolo de cultura de tecidos, transformação genética da variedade SP803280 com os genes xth, AtDdm1, como também, definir genes de referência para a quantificação do número de cópias dos genes xth e AtDdm1 inseridos na variedade SP803280 e do gene neo na RB835089, análise de ploidia e tamanho de genoma dos eventos transgênicos comparado com as plantas controle. No estudo a respeito da melhor qualidade de luz durante o cultivo in vitro na fase de regeneração de plantas, tem-se que a luz branca e a junção das luzes LED e branca se mostraram melhores para regeneração e desenvolvimento das plantas enquanto que para plântulas, as luzes LED e branca separadamente foram mais efetivas no crescimento. Para a seleção das plantas uma concentração de geneticina entre 40 e 50 mgL-1 é recomendada. As taxas de sucesso nas transformações genéticas para o gene xth variaram entre 2,5 a 18,3% dependendo do experimento e para AtDdm1 foi de 2,2% em um bombardeamento.Não houveram alterações de ploidia e tamanho do genoma nos transgênicos das duas variedades em relação à planta selvagem. Os genes p4h e prr foram identificados como os melhores para a quantificação relativa de genes inseridos por PCR em tempo real na variedade SP803280 enquanto que para a RB835089 aprt e prr se mostraram mais eficazes. A análise do número de cópias inseridas em eventos transgênicos por PCR em tempo real foi possível através das duas metodologias de cálculo testados por este trabalho, com resultados que concordam com uma tendência nesta determinação de maneira simples e rápida. / Currently the demand for sustainable products has been shown to be frequent and promising. In species of commercial importance, there is an effort to obtain the highest possible productivity in a short time, along with the environment preservation. In this context, genetic transformation of plants appears as an attractive alternative for the development of sugarcane varieties able to generate products in a more effective way. The genetic transformation success is directly associated to plant tissue culture that requires specific condition for each genotype and cultivation process, in which, luminosity is one of the main factors that determines the production of vigorous plants. Another important factor is the selection of transgenic plants, that occur by exposing plants to a sufficient amount of selective agent in order to identify only genetic modified plants. In sugarcane, identification of transgenic plants by PCR and the definition of copy numbers is a difficult procedure to implement and usually is very costly. It is because in the process of genetic transformation by biolistic, the insertion of genes occurs randomly and also produce plants with varied copy numbers. In consideration of these factors directly involved in the efficiency to obtain sugarcane transgenic plants the objectives of this study were the improvement of a tissue culture protocol, the genetic transformation of the variety SP803280 with xth and AtDdm1 genes. Also, the studies include the definition of reference genes for determining the number of copies inserted of xth and AtDdm1 genes into the variety SP803280 and neo gene in RB835089, ploidy analysis and genome size of the transgenic events compared to control plants. In the study related to the best light quality for in vitro plant regeneration, white light and the combination of LED and white lights proved to be better for plants regeneration and development while for seedlings, LED and white light separately were more effective for growth. In order to obtain selection of transgenic plants, geneticin concentration between 40 and 50 mg L-1 is recommended. Success rates in xth genetic transformation ranged from 2.5 to 18.3% depending on the experiment, and for AtDdm1 was only 2.2% in just one biolistic bombardment. There were no changes in ploidy and genome size in transgenic events related to their wild type plant. The genes p4h and prr were defined to be the best for determining the copy number of transgenic events by real time PCR in SP803280 variety, while for RB835089, the genes aprt and prr were the most effective. The analysis of the number of inserted copies was possible using the two calculation methodologies tested by this work, with results that agree with a tendency in a simple and fast quantification methodology.

Atualmente a procura por produtos sustentáveis têm-se mostrado cada vez mais frequente e promissora. Em espécies de importância comercial, procura-se obter a maior produtividade possível dentro de um curto espaço de tempo aliado à preservação do meio ambiente. Dentro disso, a transformação genética de plantas se mostra uma alternativa atrativa para a geração de variedades de cana-de-açúcar que gerem produtos de maneira mais eficaz. O sucesso da transformação genética está diretamente associada a cultura de tecidos de plantas que precisa ser adequada a cada genótipo e situação de cultivo, sendo a luminosidade um dos principais fatores para a produção de plantas vigorosas. Outro fator importante é a seleção das plantas transgênicas, que precisam ser submetidas a uma quantidade de agente seletivo suficiente para identificar as plantas modificadas geneticamente. Em cana-de-açúcar, a identificação de plantas transgênicas por PCR e a definição do número de cópias é um procedimento de difícil execução e muito oneroso. Isto se dá pois no processo transformação via biolística, a inserção de genes é aleatória, produzindo plantas com variados números de cópias. Em consideração a estes fatores envolvidos na eficiência de obtenção de plantas transgênicas de cana-de-açúcar, os objetivos deste trabalho foram o aperfeiçoamento do protocolo de cultura de tecidos, transformação genética da variedade SP803280 com os genes xth, AtDdm1, como também, definir genes de referência para a quantificação do número de cópias dos genes xth e AtDdm1 inseridos na variedade SP803280 e do gene neo na RB835089, análise de ploidia e tamanho de genoma dos eventos transgênicos comparado com as plantas controle. No estudo a respeito da melhor qualidade de luz durante o cultivo in vitro na fase de regeneração de plantas, tem-se que a luz branca e a junção das luzes LED e branca se mostraram melhores para regeneração e desenvolvimento das plantas enquanto que para plântulas, as luzes LED e branca separadamente foram mais efetivas no crescimento. Para a seleção das plantas uma concentração de geneticina entre 40 e 50 mgL-1 é recomendada. As taxas de sucesso nas transformações genéticas para o gene xth variaram entre 2,5 a 18,3% dependendo do experimento e para AtDdm1 foi de 2,2% em um bombardeamento.Não houveram alterações de ploidia e tamanho do genoma nos transgênicos das duas variedades em relação à planta selvagem. Os genes p4h e prr foram identificados como os melhores para a quantificação relativa de genes inseridos por PCR em tempo real na variedade SP803280 enquanto que para a RB835089 aprt e prr se mostraram mais eficazes. A análise do número de cópias inseridas em eventos transgênicos por PCR em tempo real foi possível através das duas metodologias de cálculo testados por este trabalho, com resultados que concordam com uma tendência nesta determinação de maneira simples e rápida. / Currently the demand for sustainable products has been shown to be frequent and promising. In species of commercial importance, there is an effort to obtain the highest possible productivity in a short time, along with the environment preservation. In this context, genetic transformation of plants appears as an attractive alternative for the development of sugarcane varieties able to generate products in a more effective way. The genetic transformation success is directly associated to plant tissue culture that requires specific condition for each genotype and cultivation process, in which, luminosity is one of the main factors that determines the production of vigorous plants. Another important factor is the selection of transgenic plants, that occur by exposing plants to a sufficient amount of selective agent in order to identify only genetic modified plants. In sugarcane, identification of transgenic plants by PCR and the definition of copy numbers is a difficult procedure to implement and usually is very costly. It is because in the process of genetic transformation by biolistic, the insertion of genes occurs randomly and also produce plants with varied copy numbers. In consideration of these factors directly involved in the efficiency to obtain sugarcane transgenic plants the objectives of this study were the improvement of a tissue culture protocol, the genetic transformation of the variety SP803280 with xth and AtDdm1 genes. Also, the studies include the definition of reference genes for determining the number of copies inserted of xth and AtDdm1 genes into the variety SP803280 and neo gene in RB835089, ploidy analysis and genome size of the transgenic events compared to control plants. In the study related to the best light quality for in vitro plant regeneration, white light and the combination of LED and white lights proved to be better for plants regeneration and development while for seedlings, LED and white light separately were more effective for growth. In order to obtain selection of transgenic plants, geneticin concentration between 40 and 50 mg L-1 is recommended. Success rates in xth genetic transformation ranged from 2.5 to 18.3% depending on the experiment, and for AtDdm1 was only 2.2% in just one biolistic bombardment. There were no changes in ploidy and genome size in transgenic events related to their wild type plant. The genes p4h and prr were defined to be the best for determining the copy number of transgenic events by real time PCR in SP803280 variety, while for RB835089, the genes aprt and prr were the most effective. The analysis of the number of inserted copies was possible using the two calculation methodologies tested by this work, with results that agree with a tendency in a simple and fast quantification methodology.

Soybean (Glycine max) yield is significantly affected by soybean cyst nematode (SCN), Heterodera glycines, and causes an annual loss of billions of US dollars. In this study, Glycine max xyloglucan endotransglycosylase/hydrolase gene (Gm-XTH52) was transformed into a nematode susceptible G. max [Williams 82/PI 518671] variety of soybean to test whether the protein expression has a role in resistance to H. glycines, and possible chemical changes the expression may cause in the plant composition. Expression level of the Gm-XTH52 gene was three times higher than in controls. Significant reduction in the number of SCN cysts suggested suppression of H. glycines parasitism upon transformation. While total sugar amounts did not significantly differ between the transformed and control plants, xyloglucan amounts of loosely bound sugars of genetically mosaic plants were significantly lower in comparison to controls. Control plants showed lower molecular weight sugars than the transformed plants not subjected to H. glycines infection.

El present treball de recerca s'emmarca en un projecte Europeu anomenat E.D.E.N. (Enzyme Discovery in hybrid aspen for fibre ENgineering, QLK5-CT-2001-00443), l'objectiu del qual és la identificació de nous enzims vegetals per entendre amb major profunditat els processos de formació i modificació de les fibres vegetals per abordar en el futur la millora dels paràmetres de qualitat d'aquestes fibres, mitjançant la generació de línies transgèniques de plantes. En el present projecte es pretén aprofundir en el coneixement de les xiloglucà endotransglicosilases (XET), enzims claus en la construcció i modificació controlada de la xarxa de xiloglucà cel·lulosa, estudiant el seu mecanisme d'acció i la seva especificitat per substrat. En aquest treball s'estudia una XET de Populus tremula x tremuloides, concretament la XET16A (Ptt-XET16A). Es dissenya i es valida un nou assaig enzimàtic mitjançant electroforesis capil·lar (HPCE), que permet l'estudi cinètic de les XET, emprant oligosacàrids de baix pes molecular de xiloglucà amb una estructura coneguda. Aquest substrats han estat sintetitzats en el present treball i també per l'equip del Dr. Driguez en el CERMAV-CNRS. Es determina que el màxim d'activitat de la Ptt-XET16A es dóna entre pH 5 i 5.5 i entre 30 i 40 ºC. Es demostra que aquest enzim actua mitjançant un mecanisme cinètic bi-bi ping-pong, en el que l'acceptor actua com a inhibidor competitiu del donador unint-se a l'enzim lliure i en el que, depenent del donador emprat, aquest també poc actuar com a inhibidor competitiu de l'acceptor, unint-se als subsetis positius de l'intermedi glicosil-enzim i donant diferent reaccions secundàries com són la polimerització del donador o l'elongació del producte, només en el cas que el donador presenti un grup glucosil en l'extrem no reductor. S'avalua un llibreria de xilogluco-oligosacàrids sintetitzada per l'equip del Dr. Driguez al CERMAV-CNRS com a donadors de la Ptt-XET16A. D'aquesta forma s'aprofundeix en el coneixement de l'activitat de les XTH, en el coneixement de la seva especificitat per substrat i es realitza un mapeig del centre actiu, obtenint la contribució dels diferents subsetis de la Ptt-XET16A en l'estabilització de l'estat de transició de la reacció de transglicosidació catalitzada per l'enzim estudiat. Finalment, s'ha dissenyat un substrat bifluorogènic derivat del tetradecasacàrid emprat com a substrat estàndard en el present treball, per mesurar les activitats hidrolasa i transglicosilasa de les XETs mitjançant fluorescence resonance energy transfer (FRET). El substrat bifluorogènic ha estat obtingut i caracteritzat, tanmateix, no s'ha pogut demostrar si aquest substrat és adequat per mesurar les activitats hidrolasa i transglicosilasa de les XETs ja que les propietats fluorescents del marcador s'han perdut en el procés de síntesis del substrat. / El presente trabajo de investigación se enmarca en un proyecto Europeo llamado E.D.E.N. (Enzyme Discovery in hybrid aspen for fibre ENgineering, QLK5-CT-2001-00443), el objetivo del cual es la identificación de nuevos enzimas vegetales para entender con mayor profundidad los procesos de formación y modificación de las fibras vegetales para abordar en el futuro la mejora de los parámetros de calidad de estas fibras, mediante la generación de líneas transgénicas de plantas. En el presente proyecto se pretende profundizar en el conocimiento de las xiloglucano endotransglicosilasas (XET), enzimas claves en la construcción y modificación controlada de la red de xiloglucano-celulosa, estudiando su mecanismo de acción y su especificidad por sustrato. En este trabajo se estudia una XET de Populus tremula x tremuloides, concretamente la XET16A (Ptt-XET16A). Se diseña y se valida un nuevo ensayo enzimático mediante electroforesis capilar (HPCE), que permite el estudio cinético de las XET, utilizando oligosacáridos de xiloglucano de bajo peso molecular y de estructura conocida como sustratos. Estos sustratos han estado sintetizados en el presente trabajo y también por el equipo del Dr. Driguez en el CERMAV-CNRS. Se determina que el máximo de actividad de la Ptt-XET16A se da entre pH 5 y 5.5 y entre 30 y 40 ºC. Se demuestra que este enzima actúa mediante un mecanismo cinético bi-bi ping-pong, en el que el aceptor actúa como inhibidor competitivo del dador uniéndose al enzima libre y en el que, dependiendo del dador utilizado , éste también puede actuar como inhibidor competitivo del aceptor uniéndose en los subsitios positivos del intermedio glicosilo-enzima y dando diferentes reacciones secundarias como son la polimerización del dador o la elongación del producto, solamente si el dador presenta un grupo glucosilo en el extremo no reductor. Se evalúa una librería de xilogluco-oligosacáridos sintetizada por el equipo del Dr. Driguez en el CERMAV-CNRS como dadores de la Ptt-XET16A. De esta forma se profundiza en el conocimiento de la actividad de las XTHs, en el conocimiento de su especificidad por sustrato y se realiza un mapeo del centro activo del enzima, obteniéndose la contribución de los diferentes subsitios de la Ptt-XET16A en la estabilización del estado de transición de la reacción de transglicosidación catalizada por el enzima estudiado. Finalmente, se ha diseñado un sustrato bifuorogénico derivado del tetradecasacárido utilizado como sustrato estándar en el presente trabajo para medir las actividades hidrolasa y transglicosilasa de las XETs mediante fluorescence resonance energy transfer (FRET). El sustrato biofluorogénico ha sido obtenido y caracterizado, sin embargo no se ha podido demostrar si este sustrato es adecuado para medir las actividades hidrolasa y transglicosilasas de las XETs, ya que las propiedades fluorescentes del marcador se han perdido durante la síntesis del sustrato. / The present work is part of an European project named E.D.E.N. (Enzyme Discovery in hybrid aspen for fibre ENgineering, QLK5-CT-2001-00443). The general objective of the project is to identify novel plant enzymes for deeper understanding of the process of fiber formation and modification for future improvement of the quality parameters of wood fibers. The present project pretends to increase the knowledge about xyloglucan endotransglycosylases (XET), which are thought to be key enzymes in the construction and controlled modification of the xyloglucan¬cellulose network. It is pretended to study the mechanism of action and the substrate specificity of a XET from Populus tremula x tremuloides, concretely XET16A (Ptt-XET16A). A new enzymatic assay based on capillary electrophoresis is designed and validated. This assay allows the kinetic study of XETs using as substrates, low molecular mass xyloglucan oligosaccharides with defined structures. These substrates have been synthesized in the present work and also in collaboration with Dr. Driguez team from CERMAV-CNRS. It is concluded that the maximum of activity of Ptt-XET16A is between pH 5 and 5.5 and 30 and 40 ºC. It is demonstrated that Ptt-XET16A follows a bi-bi ping-pong kinetic mechanism, in which the acceptor acts as competitive inhibitor of the donor binding to the free enzyme and depending on the donor used, this one can act also as competitive inhibitor of the acceptor binding to the acceptor subsites of the glycosyl-enzyme intermediate giving rise to side reaction such as donor polymerization and product elongation only in case that the donor shows a glucosyl residue in the non reducing end. A library of xylogluco-oligosaccharides, synthesized in CERMAV-CNRS by Dr. Driguez team, is evaluated as Ptt-XET16A donors. With this studies we are able to deeper understand the activity of XETs, their substrate specificity and a subsite maping of the binding cleft is done, obtaining the contribution of different subsites of Ptt-XET16A to the stabilization of the transition state of the transglycosylation reaction catalyzed by the studied enzyme. Finally, a bifluorogenic substrate derived from the tetradecasacharide used as standard substrate in this project has been designed to measure hydrolase and transferase activities of XET enzymes by fluorescense resonance energy transfer (FRET). The bifluorogenic substrate was obtained, however, it could not be demonstrated if it is an adequate substrate to measure hydrolase and transferase activities because the fluorescent properties of the label were lost during substrate synthesis.