Les voies de synthèse des lignanes chez les linacées : quels gènes et quelles protéines pour quels lignanes?

The synthetic pathways of lignans in Linaceae : pairing pinoresinol-lariciresinol reductases to specific lignan biosynthesis

Putevi biosinteze lignana u Linaceae : povezivanje pinoresinol-lariciresinol reduktaza s biosintezom pojedinih lignana

• Auteur / Autrice : Lucija Markulin
• Direction : Eric Lainé, Daniel Hagège
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie moléculaire végétale
• Date : Soutenance le 27/09/2017
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, Sciences Biologiques et Chimie du Vivant (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physiologie, Ecologie et Environnement (Orléans)
• Jury : Président / Présidente : Brigitte Thomasset
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Lainé, Brigitte Thomasset, Simon Hawkins, Olivier Van Wuystvinkel, Annabelle Déjardin, Christophe Hano, Ophélie Fliniaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Simon Hawkins, Olivier Van Wuystvinkel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extraction par solvant

Eutectiques

Solvants organiques

Facteurs de transcription

Lignanes

Lin

Mots clés libres

Lin

Lignanes

Pinorésinol-laricirésinol réductases

WRKY (facteur de transcription)

NADES

Flax

Lignans

Pinoresinol-lariciresinol reductases

WRKY transcription factor

NADES

Résumé

Le lin cultivé (Linum usitatissimum L.) est l’une des principales sources de lignanes, faisant de cette plante un modèle d’étude de cette voie du métabolisme spécialisé. Les principaux lignanes de lin dérivent de composés optiquement actifs, en particuliers les stéréoisomères du sécoisolaricirésinol qui sont synthétisés à partir de pinorésinol via laricirésinol. Les principales enzymes impliquées dans la synthèse de ces stéréoisomères sont deux isoformes de pinorésinol-laricirésinol réductases (PLR) déjà caractérisées et possédant des énantiospécificitées opposées. Néanmoins l'action de ces deux réductases bifonctionnelles ne permet pas d'expliquer les profils d'accumulation complexes notamment de laricirésinol et ses dérivés observés dans les graines, tiges et suspensions cellulaires de lin. Afin de mieux comprendre les mécanismes mis en oeuvre menant à ces profils d’accumulation de lignanes chez cette plante, la recherche de nouvelles PLRs a révélé l’existence de deux nouvelles isoformes. L’analyse de l'expression des gènes ainsi que l'activité enzymatique in vitro de ces deux nouvelles PLR putatives, LuPLR3 et LuPLR4 ont été élucidées. LuPLR4, in vitro, présente une activité réductase uniquement du pinorésinol. Ce type d’activité est ici décrit pour la première fois en dehors de la famille Brassicées et permet d’expliquer en partie les profils d’accumulation complexes observés chez le lin. De par leurs propriétés biocides, les lignanes sont suspectés jouer un rôle dans les mécanismes de défense des plantes. Dans le cadre de ce travail, suite à une élicitation fongique à l’aide d’extraits de Fusarium oxysporum spp. linii, un agent pathogène commun du lin, l’analyse de l’expression des différents gènes codant les isoformes de PLRs a révélées une induction globale et coordonnée. En particulier, dans le cas de l’isoforme LuPLR1, des délétions et mutations dans la région promotrice de son gène ont permis de mettre en évidence une région impliquée dans la régulation de la réponse à l’élicitation par F. oxysporum. Cette région contient plusieurs boîtes W, sites de liaison putatifs pour des facteurs de transcription de type WRKY. Les facteurs de transcription WRKY jouent un rôle dans les réponses aux stress biotique et abiotique. Un facteur de transcription candidat LuWRKY36 a été isolé à partir de suspensions cellulaires traitées avec des éliciteurs de F. oxysporum ou de l'acide abscissique. En particulier, les expériences de gel-retard et DPI-ELISA ont montré la capacité de liaison de LuWRKY36 à la boîte W3 présente du promoteur du gène LuPLR1. Cette régulation a ensuite été confirmée in vivo. Nous rapportons également l'impact différentiel de l'élicitation par des extraits de F. oxysporum sur l’expression des gènes LuWRKY36 et LuPLR1 ainsi que la production de sécoisolaricirésinol dans les variétés de lin sensible (Barbara) et résistante (Baïkal) à la fusariose. Enfin, la pleine exploitation des nombreux effets bénéfiques (en santé humaine ou cosmétique notamment) du sécoisolaricirésinol et des autres composés phénoliques accumulés dans les graines de lin nécessitent la mise au point de procédés d’extraction “verts”, efficaces voir sélectifs. Nous rapportons ici que l’utilisation de solvants eutectiques de type NADES (Natural Deep Eutectic Solvent) qui couplée à une extraction assistée par ultrasons, dans le cadre d’un procédé de type cracking, utilisant comme matériel de départ un coproduit d’extraction de l’huile de lin produit de manière innovante, permet d’obtenir des rendements d’extraction élevés et sélectifs de ces différents composés d’intérêt dans le cadre d’une démarche d’éco-extraction.

L. usitatissimum is one of the richest sources of lignans. Main flax lignan is optically active secoisolariciresinol that is synthesized from pinoresinol via lariciresinol. Key enzymes involved in the synthesis of this lignans are two isoforms of pinoresinol-lariciresinol reductases with opposite enantiospecificity. The action of bifunctional reductase does not allow for an explanation for the accumulation of lariciresinol and its derivates in seeds, stem and cell suspension. To try and better understand complex lignan profile we report expression and activity of two new putative PLRs, LuPLR3 and LuPLR4. LuPLR4 in vitro acts only as pinoresinol reductase what has only been seen in Brassicaceae family until now. Lignans play a role in plant defense. All PLRs are upregulated following Fusarium oxysporum attack, a common flax pathogen. Promoter deletions and mutation evidenced region involved in regulation of LuPLR1 gene response to Fusarium. The region contains several W boxes, putative binding sites for WRKY transcription factors. WRKY transcription factors play a role in response to biotic and abiotic stress. We have isolated LuWRKY36 from two cell suspension treated with Fusarium oxysporum or abscisic acid. Gel-shift assay and DPI-ELISA showed binding of LuWRKY36 to W box present in the LuPLR1 gene promoter. This regulation was also confirmed in vivo. We also report the differential impact of F. oxysporum elicitation on LuWRKY36 and LuPLR1 gene expression and secoisolariciresinol production in flax cultivars Barbara (Fusarium sensitive) and Baikal (Fusarium tolerant). Many beneficial effects of secoisolariciresinol and other phenolic compounds found in flax require “green” extraction and sometimes targeted purification of a specific compound. We report here that natural deep eutectic solvents using ultrasound assisted extraction can extract phenolic compounds from flax seed coat and that results indicate that by tuning different parameters of extraction we can target purification of desired plant product.