WO2004024928A2 - Plantes transformees a biosynthese de prenylquinones amelioree - Google Patents

Plantes transformees a biosynthese de prenylquinones amelioree Download PDF

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WO2004024928A2
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Bayer CropScience SA
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    • C12N5/12—Fused cells, e.g. hybridomas
    • C12N5/14—Plant cells

Definitions

  • the present invention relates to transformed plants, in particular transformed plants producing greater amounts of plastoquinones, tocotrienols and tocopherols, than identical untransformed plants.
  • the invention also relates to a method for producing these plants, as well as to a method for growing these plants.
  • the plants according to the invention also have the property of being tolerant to herbicides which inhibit the enzyme -hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (hereinafter called HPPD).
  • Prenylquinones are a large group of lipid affinity compounds including, among others, plastoquinones, tocopherols, and tocotrienols. In plants, prenylquinones are synthesized via the homogentisate pathway.
  • vitamin E or ⁇ -tocopherol, an essential element of human and animal nutrition, in particular that of mammals which do not produce it naturally, but have a nutritional need for it.
  • the most recognized effect of vitamin E is its antioxidant action on the lipids of cell membranes (Epstein et al., 1966, Radical Research 28: 322-335; Kamel-Eldin and Appelqvist, 1996, Lipids 31: 671-701 ).
  • tocotrienols although not essential in human and animal nutrition, have particularly interesting antioxidant properties, higher than those of vitamin E (Kamat et al., 1997, Mol. Cell. Biochem. 170, 131-137). These compounds are notably known for protecting cells against free radicals, as well as for preventing the appearance of cardiovascular diseases or cancers (Packer et al., 2001, J. Nutr. 131 (2): 369S-373S) . In addition, tocotrienols exhibit anti-cancer activity by inhibiting the proliferation of estrogen receptors, an activity which the tocopherols do not have (Guthrie et al., 1997, J. Nutr. 127: 544-548).
  • Plastoquinones have no known role in human or animal health, but play a vital role in plants. These molecules are present in the membranes of chloroplasts and have the function of transporting electrons during the photosynthesis reaction (Grumbach, 1984, Structure Function and Metabolism of plant lipids, Siegenthaler and Eichenberger eds).
  • prenylquinones should give plants better resistance to oxidative stresses, in particular cold, dryness, or strong illumination.
  • HPPD hydroxyphenylpyruvate dioxygenase
  • HPPDs are enzymes involved in the catabolic degradation pathway of the aromatic amino acid Tyrosine (Goodwin, 1972, in Tyrosine Metabolism: The biocheinical, physiological, and clinical significance of p-hydroxyphenylpyruvate oxygenase, Goodwin BL , ed., Oxford University press, 1-94).
  • HPPDs catalyze the transformation reaction of para-hydroxy-phenyl-pyruvate (HPP), a degradation product of tyrosine, into ho ogentisate.
  • HPP para-hydroxy-phenyl-pyruvate
  • PPH is a precursor of Tyrosine, and it is synthesized by the action of a prephenate dehydrogenase enzyme (hereinafter PDH) which transforms the prephenate in HPP (Lingens et al, 1967 European J. Biochem 1: 363-374; Sampathkumar and Morrisson 1982 Bioch Biophys Acta 702: 204-211).
  • PDH prephenate dehydrogenase enzyme
  • the inventors of the present patent application have sought to increase the flow of the precursor HPP in the cells of these plants by connecting the synthesis of said precursor to the so-called shikimate pathway. by overexpression of a PDH enzyme.
  • the expected effect is a greater flux of the precursor HPP which is expected to increase the biosynthesis of prenylquinones overall. It has actually been found that the transformation of plants with a gene coding for a PDH enzyme makes it possible to increase the production of prenylquinones by said plants. This increase is very significant when the plants transformed with a gene encoding a PDH enzyme are plants also overexpressing an HPPD enzyme.
  • H has also been found that the transformation of plants with a gene coding for a PDH enzyme makes it possible to increase the tolerance of said plants to HPPD inhibitors. This increase in tolerance is very significant when the plants transformed with a gene encoding a PDH enzyme are plants also overexpressing an HPPD enzyme.
  • herbicides targeting HPPD are in particular isoxazoles (EP 418 175, EP 470 856, EP 487 352, EP 527 036, EP 560 482, EP 682 659, US 5 424 276) in particular isoxaflutole, herbicide corn, diketonitriles (EP 496 630, EP 496 631), in particular 2-cyano-3-cyclopropyl-l- (2-S ⁇ 2 CH3-4-CF3 phenyl) propane-1, 3-dione and 2 - cyano-3-cyclopropyl-l- (2-S ⁇ 2 CH3-4-2.3 CI2 phenyl) propane-1, 3-dione, triketones (EP 625 505, EP 625 508, US 5,506,195), in particular sulcotrione or mesotrione, or pyrazolinates.
  • herbicides targeting enzymes involved in the vital metabolic pathways of plants are their broad spectrum of activity on plants of distant phylogenetic origins.
  • herbicides also have the major drawback, when applied to crops to eliminate unwanted plants or "weeds", to act also on cultivated plants.
  • This drawback can be overcome by the use of cultivated plants tolerant to said herbicides.
  • Such plants are generally obtained by genetic engineering by introducing into their genome a gene encoding an enzyme for resistance to said herbicide so that they overexpress said enzyme in their tissues.
  • the first is to detoxify the herbicide by transforming the plant with a gene encoding a detoxification enzyme.
  • This enzyme transforms the herbicide, or its active metabolite, into non-toxic degradation products, such as the enzymes for tolerance to bromoxynil or basta (EP 242 236, EP 337 899).
  • the second strategy consists in transforming the plant with a gene encoding the mutated target enzyme so that it is less sensitive to the herbicide, or its active metabolite, such as, for example, the glyphosate tolerance enzymes (EP 293 356 ; Padgette et al., 1991, J. Biol. Chem. 266: 33).
  • the third strategy consists in overexpressing the sensitive target enzyme, so as to produce in the plant large quantities of target enzyme, if possible much greater than the quantity of herbicide penetrating the plant. This strategy makes it possible to maintain a sufficient level of functional enzyme, despite the presence of its inhibitor.
  • This third strategy was implemented and made it possible to obtain plants tolerant to HPPD inhibitors (WO 96/38567). Furthermore, this strategy of simple overexpression of the sensitive target enzyme (not mutated) was used for the first time with success to confer on plants an tolerance at an agronomic level to a herbicide.
  • the present invention implementing an increase in the flow of the HPP substrate from HPPD by overexpression of a PDH enzyme, seems to constitute a fourth possible strategy for obtaining plants tolerant to herbicides, in particular to inhibiting herbicides of HPPD.
  • the present invention therefore relates to transformed plants, characterized in that they comprise: (1) a functional gene in plants allowing the overexpression of a PDH enzyme (2) a functional gene in plants allowing the overexpression of 'an HPPD enzyme.
  • the invention relates to transformed plants, characterized in that they comprise: (1) a functional gene in plants allowing the overexpression of a PDH enzyme (2) a functional gene in plants allowing the overexpression of an HPPD enzyme, with the exception of a functional gene in plants allowing the overexpression of a phytylprenyl transferase enzyme.
  • the invention relates to transformed plants, characterized in that they consist of plants transformed with:
  • the plants transformed according to the invention can be represented by transformed plant cells.
  • transformed plants or transformed plant cells By transformed plants or transformed plant cells is meant according to the invention plants or plant cells which have stably integrated into their genome at least one transgene, said transgene may come from the transformed plant or from any other organism.
  • a transgene according to the invention is represented by a chimeric gene comprising elements originating from at least one other organism than the transformed plant.
  • a transgene according to the invention may contain, among other elements, at least one promoter, a coding sequence and a terminator originating from different organisms, said organisms also being different from the transformed plant.
  • PDH in the expression "functional gene in plants allowing the overexpression of a PDH enzyme", the term PDH should be interpreted as referring to any native PDH enzyme, or mutated, having the PDH activity of transformation of the prephenate in HPP.
  • said PDH enzyme can come from any type of organism.
  • the identification of an enzyme with PDH activity can be carried out by any method making it possible either to measure the reduction in the amount of the prephenate substrate, or to measure the accumulation of a product resulting from the enzymatic reaction, namely PPH or one of the NADH or NADPH cofactors.
  • the measurement of PDH activity can be carried out by the method described in Example 2.
  • PDH enzymes are described in the literature and their sequences can be identified on the website http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/.
  • the gene coding for the PDH enzyme of the yeast Saccharomyces cerevisiae as described in Mannier et al. (1989, Gene 85, 303-311), of bacteria of the genus Bacillus, in particular of the species B. subtilis (Accession No. P20692) as described in Henner et al. (1986, Gene 49 (1), 147-152), of bacteria of the genus Escherichia, in particular of the species E.
  • HPPD In the expression "functional gene in plants allowing the overexpression of an HPPD enzyme", the term HPPD must be interpreted as referring to any native HPPD enzyme, mutated or chimeric, having the HPPD activity of transfomiation of PPH homogentisate.
  • a measurement of the enzymatic activity of the HPPDs can be carried out by any method making it possible either to measure the reduction in the quantity of the HPP substrate, or to measure the accumulation of the product resulting from the enzymatic reaction, namely the homogentisate.
  • the measurement of the HPPD activity can be carried out by the method described in Example 1 and in Garcia et al. (1997, Biochem. J. 325, 761-769) or Garcia et al. (1999, Plant Physiol. 119, 1507-1516).
  • HPPD enzyme can come from any type of organism.
  • Many genes encoding HPPD enzymes are described in the literature, in particular the genes of bacteria such as Pseudomonas (R ⁇ etschi & al., 1992, Eur. J. Biochem., 205, 459-466, WO 96/38567), of plants such as àArabidopsis (WO 96/38567, Genebank AF047834) or carrot (WO 96/38567, Genebank 87257), Coccicoides (Genebank COITRP), or mammals such as mice or pigs.
  • bacteria such as Pseudomonas (R ⁇ etschi & al., 1992, Eur. J. Biochem., 205, 459-466, WO 96/38567
  • plants such as àArabidopsis (WO 96/38567, Genebank AF047834) or carrot (WO 96/38567, Genebank 87257), Coccicoides (Genebank CO
  • mutated HPPD is meant according to the invention a HPPD having at least one mutation compared to a native HPPD, and having the property of being more tolerant to herbicides inhibitors of HPPD than the corresponding native HPPD.
  • the mutated HPPD is a mutated HPPD in its C-terminal part as described in patent application WO 99/24585.
  • the mutated HPPD comprises the mutation W336 as described in patent application WO 99/24585.
  • chimeric HPPD an HPPD comprising elements originating from different HPPDs.
  • Such chimeric HPPDs are especially described in patent application WO 99/24586.
  • the HPPD is an HPPD from Pseudomonas fluorescens (WO 96/38567) or AArabidopsis thaliana (WO 96/38567).
  • phytylprenyl transferase In the expression "functional gene in plants allowing the overexpression of a phytylprenyl transferase enzyme”, the term phytylprenyl transferase should be interpreted as referring to a phytylprenyl transferase enzyme as described in patent application WO 02 / 089,561.
  • said "functional gene in plants allowing the overexpression of a phytylprenyl transferase enzyme” consists of a gene selected from the synechocystis slrl736 gene (sequence described in Cyanobase on the website http: //www.kazusa.or .ip / Cyanobase). and the ATPT2 AArabidopsis gene (Smith et al., 1997, Plant J. 11, 83-92).
  • Plants or plant cells transformed according to the invention produce higher amounts of prenylquinones than those of unprocessed plants.
  • the plants or plant cells transformed according to the invention produce higher amounts of prenylquinones than those of plants transformed with only one of the functional genes in plants allowing the overexpression of a PDH or HPPD enzyme.
  • the prenylquinones produced by the plants or plant cells transformed according to the invention are tocopherols and / or tocotrienols and / or plastoquinones. Many methods for measuring the amount of tocopherols, tocotrienols and plastoquinones are known and available to those skilled in the art.
  • tocopherols, tocotrienols, and plastoquinones can be measured by the method of Frazer et al. (2000, Plant J. 24: 551-558).
  • Frazer et al. 2000, Plant J. 24: 551-558.
  • higher amounts is meant according to the present invention amounts preferably at at least 2 times greater, preferably at least 5 times greater, preferably at least 10 times greater, preferably at least 50 times greater, preferably at least 100 times greater, preferably at least 500 times greater, and preferably at least minus 1000 times higher.
  • Plants transformed according to the invention also have the effect of being tolerant to HPPD inhibitors.
  • transformed plants tolerant to HPPD inhibitors is meant transformed plants as described above having at least the characteristic of being tolerant towards a dose of normally toxic HPPD inhibitor for identical, unprocessed plants.
  • the dose of HPPD inhibitor normally toxic to an unprocessed plant depends on the HPPD inhibitor used and the plant to which said inhibitor is applied, as well as at what stage it is applied to said plant.
  • the transformed plants tolerant to the HPPD inhibitors according to the invention are tolerant with respect to a dose of HPPD inhibitor normally toxic for identical plants transformed with only the functional gene in the plants allowing the overexpression of an HPPD enzyme.
  • HPPD inhibitors any compound, of natural or artificial origin, capable of binding to a plant HPPD enzyme so as to block, temporarily or permanently, its natural enzymatic activity of transformation of PPH homogentisate.
  • HPPD inhibitors according to the invention induce the death or the inhibition of growth of the plants to which they are applied, said death generally occurring after a "whitening" of said plants.
  • HPPD inhibitors As examples of HPPD inhibitors, mention may be made of isoxazoles (EP 418 175, EP 470 856, EP 487 352, EP 527 036, EP 560 482, EP 682 659, US 5 424 276) in particular isoxaflutole, a selective herbicide for corn, diketonitriles (hereinafter called DKN, and described in EP 496 630, EP 496 631), in particular 2-cyano-3-cyclopropyl-1- (2-S ⁇ 2 CH3-4-CF3 phenyl) propane- 1, 3 -dione and 2-cyano-3-cyclopropyl -l- (2-S ⁇ 2 CH3-4-2,3 CI2 phenyl) propane-1, 3-dione, triketones (EP 625 505, EP 625 508, US 5,506,195), in particular sulcotrione or mesotrione, or also pyrazolinates.
  • DKN diketonitriles
  • functional gene in plants is meant according to the invention a gene capable of functioning in a plant.
  • a gene capable of functioning in a plant is a gene capable of expressing the protein for which it codes in at least one tissue of said plant.
  • the functional genes in plants according to the invention allow the overexpression of the PDH and HPPD enzymes.
  • the overexpression of a protein means the expression of this protein in the tissues of the transformed plant at a level higher than that existing in an identical untransformed plant, said level being measured at an identical stage of development of said plants.
  • the functional gene in plants according to the invention is a chimeric gene which can comprise elements originating from organisms other than the plant into which it is introduced.
  • the functional genes in plants according to the invention are preferably chimeric genes comprising at least, operatively linked to them, a functional promoter in a plant, a sequence coding for a PDH and / or HPPD enzyme, and a functional terminator in this same plant.
  • the various elements that a chimeric gene can contain are, on the one hand, elements regulating the transcription, translation and maturation of proteins, such as a promoter, a sequence coding for a signal peptide or a peptide transit, or a terminator constituting a polyadenylation signal, and on the other hand a sequence coding for a protein.
  • operably linked means that said elements of the chimeric gene are linked together so that their functioning is coordinated and allows expression of the coding sequence.
  • a promoter is operably linked to a coding sequence when it is capable of ensuring the expression of said coding sequence.
  • the construction of a chimeric gene according to the invention and the assembly of its various elements is achievable by the use of techniques well known to those skilled in the art, in particular those described in Sa brook et al. (1989, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Nolan C. ed., New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press).
  • the choice of regulatory elements constituting the chimeric gene is essentially a function of the plant in which they must function, and the skilled person is able to select functional regulatory elements in a given plant.
  • the promoters that the chimeric gene according to the invention may contain can be constitutive, inducible, spatially or temporally regulated.
  • constitutive promoters which can be used in the chimeric gene of the present invention
  • bacterial promoters such as that of the octopine synthase gene or that of the nopaline synthase gene
  • viral promoters such as that of the gene controlling the transcription of RNA19S or 35S of the cauliflower mosaic virus (CaMV; Lawton et al. , 1987, Plant Mol. Biol. 9, 315-324; Odell et al., 1985, Nature, 313, 810-812
  • cassava rib mosaic virus promoters CsVMV; as described in WO 97/48819).
  • promoters of plant origin mention will be made of the promoter of the gene for the small ribulose-biscarboxylase / oxygenase subunit (RuBisCO), the promoter of a histone gene as described in application EP 0 507 698, or the promoter of a rice actin gene (Wang et al., 1992, Mol. Cell. Biol, 12 (8): 3399-3406; US 5,641,876).
  • RuBisCO small ribulose-biscarboxylase / oxygenase subunit
  • inducible promoters which can be used in the chimeric gene of the present invention, we may cite by way of example, the promoter of the gene coding for the auxin-binding protein (Schwob et al., 1993, Plant J.
  • tissue-specific promoters which can be used in the chimeric gene of the present invention
  • root-specific promoters such as, for example, that described in patent application WO 00/29594
  • flower-specific promoters such as those described in patent applications WO 98/22593, WO 99/15679 or WO 99/43818
  • fruit-specific promoters in particular seeds such as those described in WO patent applications 91/13993, WO 92/17580, WO 98/45460, WO 98/45461, or WO 99/16890.
  • terminating elements which can be used in the chimeric gene of the present invention, we can cite by way of example the terminating element nos of the gene coding for nopaline synthase from Agrobacterium tumefaciens (Bevan et al., 1983, Nucleic Acids Res. 11 (2), 369-385), or the terminator of a histone gene as described in application EP 0 633 317.
  • the chimeric gene may also include a subcellular addressing sequence, encoding a signal peptide or a transit peptide.
  • a sequence located upstream or downstream of the sequence coding for an HPPD and / or PDH enzyme, makes it possible to direct said HPPD or PDH enzyme specifically in a cell compartment of the host organism.
  • the chimeric gene can comprise a sequence encoding a signal peptide or a transit peptide making it possible to direct the HPPD and / or PDH enzyme towards a particular compartment of the cytoplasm such as mitochondria, plasts, endoplasmic reticulum or vacuoles.
  • the transit peptide can be a chloroplastic or mitochondrial addressing signal, which is then cleaved in the chloroplasts or the mitochondria.
  • the chimeric gene according to the invention comprises a subcellular addressing sequence coding for a transit peptide addressing the enzyme HPPD and / or PDH in the chloroplasts.
  • Transit peptides can be either single or double.
  • the double transit peptides are optionally separated by an intermediate sequence.
  • a preferred transit peptide according to the invention comprises, in the direction of transcription, a sequence coding for a transit peptide of a plant gene coding for an enzyme with plastid location, part of the sequence of the mature N-terminal part of a plant gene coding for a plastid localization enzyme, then a sequence coding for a second transit peptide of a plant gene coding for a plastid localization enzyme.
  • Such double transit peptides are for example described in patent application EP 0 508 909.
  • the chimeric gene can also comprise other regulatory sequences, which are located between the promoter and the coding sequence, such as transcription activators (enhancer), such as for example the transcription activator tobacco mosaic virus (VMT) described in application WO 87/07644, etch tobacco virus (TEV) described by Carrington & Freed (1990, J. Virol, 64 (4): 1590-7), or of the "figwort” mosaic virus (Figwort Mosaic Virus, US 5,994,521).
  • the chimeric gene according to the invention may also contain introns, in particular introns promoting the expression of genes in monocotyledonous plants such as intron 1 of the rice actin gene described in patent application WO 99 / 34005, or the adhl intron of corn.
  • Plants and plant cells according to the invention are transformed plants and plant cells. To obtain the plants and plant cells transformed according to the invention, those skilled in the art can use one of the many known methods of transforming plants.
  • the plants and plant cells according to the invention are transformed with a cloning, expression and / or transformation vector comprising a functional gene in the plants according to the invention allowing the overexpression of HPPD or PDH.
  • the vectors which may be useful for implementing the invention are for example plasmids, cosmids, bacteriophages or viruses.
  • the vectors for transforming plant cells or plants according to the invention are plasmids.
  • the main qualities of a vector must be an ability to maintain and self-replicate in plant cells, in particular thanks to the presence of an origin of replication.
  • the vector can also integrate into the genome. The choice of such a vector as well as the techniques for inserting into it the gene according to the invention are widely described in Sambrook et al. (1989, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Nolan C.
  • the vector used in the present invention also contains, in addition to the gene according to the invention, another gene encoding a selection marker.
  • the selection marker makes it possible to select the host organisms actually transformed, that is to say those which have incorporated the vector.
  • markers containing antibiotic resistance genes such as, for example, that of the hygromycin phosphotransferase gene (Gritz et al., 1983, Gene 25: 179-188), but also markers containing herbicide tolerance genes such as the bar gene (White et al., 1990, Nucleic Acid Res.
  • one of these consists in placing the cells or tissues of the plants to be transformed in the presence of polyethylene glycol (PEG) and of the vectors described above.
  • PEG polyethylene glycol
  • Electroporation is another method which consists in subjecting the cells or tissues to be transformed and the vectors to an electric field (Andreason and Evans, 1988, Biotechniques 6 (7), 650-660; Shigekawa and Dower, 1989, Aust. J Biotechnol. 3 (1), 56-62).
  • Another method is to inject the vectors directly into cells or tissues by micro-injection (Gordon and Ruddle, 1985, Gene 33 (2), 121-136).
  • the so-called “biolistic” method can be used. It consists in bombarding cells or tissues with particles on which the vectors are adsorbed (Bruce et al., 1989, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 86 (24), 9692-9696; Klein et al., 1992 , Biotechnology 10 (3), 286-291; US Patent No. 4,945,050).
  • the transformation of plant cells or tissues can be carried out using bacteria of the genus Agrobacterium, preferably by infection of the cells or tissues of said plants with tumefaciens (Knopf, 1979, Subcell. Biochem. 6, 143-173 ; Shaw et al., 1983, Gene 23 (3): 315-330) or A. rhizogenes (Bevan and Chilton, 1982, Annu. Rev. Genêt. 16: 357-384; Tepfer and Casse-Delbart, 1987, Microbiol Sci. 4 (1), 24-28).
  • the transformation of plant cells or tissues by Agrobacterium tumefaciens is carried out according to the protocol described by Ishida et al.
  • the present invention also relates to a process for producing plants according to the invention. This process consists in regenerating transformed plants from transformed plant cells as described above. Regeneration is obtained by any suitable process which depends on the nature of the plant.
  • the invention also includes parts of these transformed plants, and the offspring of these plants.
  • Part of these plants means any organ of these plants, whether aerial or underground.
  • the aerial organs are the stems, leaves, and flowers comprising the male and female reproductive organs.
  • the underground organs are mainly the roots, but they can also be tubers.
  • offspring is meant mainly the seeds containing the embryos resulting from the reproduction of these plants among themselves.
  • the term “offspring” applies to all the seeds formed in each new generation resulting from crosses of which at least one of the parents is a plant transformed according to the invention. Descendants can also be obtained by vegetative propagation of said transformed plants.
  • the seeds according to the invention can be coated with an agrochemical composition comprising at least one active product having an activity selected from the fungicidal, herbicidal, insecticidal, nematicidal, bactericidal or virucidal activities.
  • the plants transformed according to the invention may comprise at least one other gene coding for a protein of interest, which other gene is also artificially introduced into the genome of the plant, simultaneously, before or after the functional gene in plants allowing the overexpression of PDH and / or HPPD.
  • genes coding for a protein of interest mention may be made of genes coding for another herbicide resistance enzyme, for example the gene coding for the enzyme bar (White et al., NAR 18: 1062, 1990) for tolerance to bialaphos, or the gene coding for the EPSPS enzyme (US 5,188,642; WO 97/04103) for tolerance to glyphosate.
  • Other disease resistance genes may also be contained in these plants, for example a gene coding for the enzyme oxalate oxidase as described in patent application EP 0 531 498 or US patent 5,866,778, or a gene coding for another antibacterial and / or antifungal peptide such as those described in patent applications WO 97/30082, WO 99/24594, WO 99/02717, WO 99/53053, and WO99 / 91089.
  • genes coding for agronomic characteristics of the plant in particular a gene coding for a delta-6 desaturase enzyme as described in patents US 5,552,306, US 5,614,313, and patent applications WO 98/46763 and WO 98 / 46764, or a gene coding for a serine acetyltransferase enzyme (SAT) as described in patent applications WO 00/01833 and WO 00/36127.
  • SAT serine acetyltransferase enzyme
  • the additional genes encoding a protein of interest can be integrated by means of a vector.
  • the vector comprises the gene according to the invention coding for a PDH and / or HPPD enzyme and at least one gene coding for another peptide or protein of interest.
  • the plants according to the invention can also be obtained by crossing plants, one carrying the gene coding for a PDH and / or HPPD enzyme according to the invention, the other carrying another gene coding for at least one other peptide or protein of interest.
  • the plants transformed according to the invention can be monocots or dicots. Preferably, these plants are plants of agronomic interest.
  • the monocotyledonous plants are wheat, corn, rice.
  • the dicotyledonous plants are rapeseed, soybeans, tobacco, cotton.
  • the present invention also relates to a process for growing transformed plants according to the invention, characterized in that it consists in planting the seeds of said transformed plants on a surface of a field suitable for the cultivation of said plants, to be applied on said surface of said field at least one herbicidal composition comprising an HPPD inhibitor, without substantially affecting said seeds or said transformed plants, then harvesting the cultivated plants when they reach the desired maturity and optionally separating the seeds from the harvested plants.
  • the present invention also relates to a process for conferring on plants a tolerance to HPPD inhibitors, characterized in that said plants are transformed, simultaneously or successively, with:
  • the present invention also relates to a use of plants or plant cells according to the invention for producing prenylquinones, in particular tocopherols, tocotrienols and / or plastoquinones.
  • the present invention also relates to a method for increasing the amount of prenylquinones in plants, characterized in that said plants are transformed, simultaneously or successively, with: (1) a functional gene in plants allowing overexpression of PDH enzyme
  • the present invention also relates to a process for the production of prenylquinones, characterized in that it comprises a step of culturing a plant cell or a plant transformed according to the invention in a culture medium suitable for the growth and multiplication of said plant cell or said plant.
  • the prenylquinones produced are preferably tocopherols represented by vitamin E.
  • the prenylquinones produced are preferably tocotrienols.
  • said process for producing prenylquinones comprises a subsequent step of extraction of said prenylquinones produced by said plant cell or by said transformed plant cultivated in the first step.
  • said plant cells are cultivated in a culture medium favorable to their survival and their growth.
  • a culture medium favorable to their survival and their growth.
  • methods and media for cultivating plant cells are described in Murashige and Skoog (1962, Physiol. Plant. 15. 473-497) and in Gamborg et al. (1968, Exptl. Cell Research, 50: 151-159).
  • said prenylquinones produced can be secreted into the culture medium or not.
  • the extraction step of said method can be preceded by a step of recovering the culture medium by elimination of said plant cells.
  • a stage of recovery of the culture medium by elimination of said plant cells can be done by any means of separation of solid fractions included in a liquid fraction.
  • filtration and centrifugation are means adapted to the implementation of this step.
  • the extraction step can be carried out by the succession of steps for concentrating the cultivated plant cells, for cell breaking of the isolated plant cells, for centrifugation of the broken cell extract, then recovery of the supernatant comprising said prenylquinones.
  • the cell breaking step can be carried out by implementing techniques known to those skilled in the art such as mechanical grinding (by pressure difference, by action of ultrasound, by trituration), enzymatic lysis, or osmotic shock, said techniques can be used individually or in combination.
  • said plants are cultivated on a substrate suitable for their survival and their growth, said substrate possibly being natural or artificial.
  • a natural substrate can for example be soil, or a mixture of soils, and said plants can be cultivated under controlled conditions such as for example in a culture chamber, in semi-controlled conditions such as in a greenhouse, or in natural conditions such as for example in the open field.
  • An artificial substrate can for example be a liquid substrate or agar whose composition is favorable to the survival and growth of plants according to the invention. Those skilled in the art will be able to determine the composition of said artificial substrate so as to allow optimal growth of said plants.
  • plant growing substrates examples include rock wool or vermiculite media irrigated with a nutrient solution containing the nutrients N (Nitrogen), P (Phosphorus), K (Potassium), or any other nutritive solution, commercial or suitable, allowing plants to grow on these environments.
  • N Nonrogen
  • P Phosphorus
  • K Potassium
  • plant growing substrates examples include rock wool or vermiculite media irrigated with a nutrient solution containing the nutrients N (Nitrogen), P (Phosphorus), K (Potassium), or any other nutritive solution, commercial or suitable, allowing plants to grow on these environments.
  • N Nonrogen
  • P P
  • K Potassium
  • the plants transformed according to the invention can either be used directly and incorporated into food compositions intended for human or animal consumption, or undergo an extraction of the prenylquinones which they contain.
  • part of plants means any organ of these plants, whether aerial or underground.
  • the aerial organs are the stems, leaves, and flowers comprising the male and female reproductive organs, as well as the seeds.
  • the underground organs are mainly the roots, but they can also be tubers.
  • the seeds are the parts of the transformed plants intended for food.
  • the invention also includes the seeds of plants transformed according to the invention, said seeds being rich in prenylquinones compared to seeds of unprocessed plants.
  • the invention also comprises food compositions comprising seeds or any other part of the plants transformed according to the invention. The oil produced from these parts of plants, especially seeds, is also an object of the present invention.
  • an extraction stage can be carried out by the succession of stages of grinding the cultivated plants, of filtration and / or centrifugation of the ground material of plants, then of recovery of the supernatant comprising said prenylquinones, said recovery possibly consisting of an extraction of the lipid compounds.
  • the grinding step consists of mechanical grinding (by pressure difference, by action of ultrasound, by trituration), which can be followed by an enzymatic lysis, or an osmotic shock.
  • the present method can also implement a final stage of purification of the prenylquinones contained in the extract of plant cell or plant obtained.
  • the purification of said prenylquinones can be carried out by any technique of concentration or separation of compounds, in particular microfiltration, ultrafiltration, electrophoresis or well known to those skilled in the art.
  • a person skilled in the art will know how to use a method for measuring said prenylquinones to identify the purification fraction (s) containing said prenylquinones.
  • the said prenylquinones produced can have a purity preferably of 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 99%, or advantageously 100%.
  • the plants transformed according to the invention comprise, in addition to a functional gene in plants allowing the overexpression of PDH enzyme and a functional gene in plants allowing overexpression of the enzyme HPPD, a gene which is functional in plants and which allows the overexpression of the enzyme geranylgeranyl reductase (hereinafter GGR).
  • GGR geranylgeranyl reductase
  • the GGR enzyme is an enzyme catalyzing the transformation of geranylgeranyl pyrophosphate into phytylpyrophosphate.
  • the functional gene in plants allowing the overexpression of GGR comprises the coding sequence of a gene coding for a plant GGR.
  • a gene coding for a plant GGR As an example, one can use the sequence coding for the GGR ⁇ Arabidopsis as published in Keller et al., (1998, Eur. J. Biochem.
  • Example 1 Measurement of HPPD activity
  • the HPPD activity can be measured by the method described in Garcia et al. (1997,
  • the prephenate dehydrogenase activity is measured at 25 ° C. by spectrophotometric monitoring at 340 nm of the formation of NADH or NADPH in a solution containing 50 mM of Tris-HC1, pH 8.6, 300 ⁇ M of prephenate, and 1 mM of NAD or NADP in a total volume of 200 ⁇ l.
  • Example 3 Construction of a Chimeric Gene Overexpressing HPPD
  • a chimeric gene allowing the overexpression of HPPD to confer resistance to plants vis-à-vis herbicides inhibiting HPPD was constructed.
  • a chimeric gene overexpressing PDH consists in assembling, in the direction of transcription, a promoter called "double bistone" (PdH4) as described in patent application EP 0 507 698, the sequence of Tobacco etch virus translational enhancer (TEV) described in Carrington and Freed (1990; J. Virol. 64: 1590-1597), a sequence coding for an optimized transit peptide (OTP) as described in patent application EP 0 508 909, the coding part of the PDH yeast gene detected in Mannier et al. (1989, Gene 85, 303-311), then the nos terminator of the nopaline synthase gene described in Bevan et al (1983, Nucleic Acids Res. 11 (2), 369-385). The whole was then cloned into the binary vector pRD 224 containing a kanamycin resistance gene (NPTII) to give the vector pRD 224-PDH.
  • This vector has the structure:
  • This binary vector was then used to transform the SAgrobacterium EHA 105 strain and give the Agrobacterium EHA 105-pRD 224-PDH strain.
  • This Agrobacterium strain was used to transform PBD6 tobacco and PBD6-ARA9 tobacco (tobacco transformed with the chimeric gene allowing the overexpression of HPPD from Arabidopsis thaliana). The transformed plants are selected on Kanamycin.
  • PBD6-ARA9 tobaccos are tobaccos transformed with a chimeric gene as described in Example 3, and overexpressing HPPD from A. thaliana described in the patent application
  • ARA9-PDH lines The PBD6-ARA9 lines transformed with the PDH overexpressing chimeric gene as described in Example 4 are called ARA9-PDH lines.
  • the transformation is carried out with the non-oncogenic strain of Agrobacterium tumefaciens EHA 105-pRD 224-PDH according to the leaf disc technique (Horsch et al., 1985, Science 227: 1229-1231).
  • ARA9-PDH tobacco is carried out using leaf explants on a Murashig and Skoog (MS) base medium comprising 30 g / l of sucrose as well as 350 mg / l of cefotaxime and 200 mg ml of kanamycin.
  • the leaf explants are removed from plants in the greenhouse and regenerated using the leaf disc technique (Horsch et al., 1985, Science 227: 1229-1231) in three successive stages:
  • the first includes the induction of shoots on an MS medium supplemented with 30g / l of sucrose containing 0.05mg / l of naphthylacetic acid (ANA) and 2mg / l of benzylaminopurine (BAP) for 15 days and 200 mg / ml of kanamycin.
  • MS medium supplemented with 30g / l of sucrose containing 0.05mg / l of naphthylacetic acid (ANA) and 2mg / l of benzylaminopurine (BAP) for 15 days and 200 mg / ml of kanamycin.
  • ANA naphthylacetic acid
  • BAP benzylaminopurine
  • the green shoots formed during this stage are then developed by culture on an MS medium supplemented with 30g / l of sucrose and 200 mg / ml of kanamycin, but containing no hormone, for 10 days.
  • DKN diketonitrile
  • Example 7 Measurement of the levels of tocopherols and tocotrienols in PBD6- tobacco
  • a lipid extract is obtained by the method of Folch (Folch et al., 1957, J. Biol. Chem., 226-497) on samples of medium leaves and very young leaves of each of the plants analyzed. An analysis of their tocopherol and tocotrienol content is then carried out by HPLC according to the method of Frazer et al. (2000, Plant J. 24: 551-558). These contents are then quantified compared to reference products, then expressed in ⁇ g per g of dry mass. The results are presented in Table 1. Table 1: Levels of tocopherols and tocotrienols in samples of the plants PBD6, PBD6-ARA9 (ARA9) and ARA9-PDH (PDH4, PDH 14, PDH 18, PDH 24).

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Abstract

Plantes transformées à biosynthèse de prénylquinones amélioréeBAYER CROPSCIENCE S.A Résumé de l'invention: La présente invention concerne des plantes transformées, en particulier des plantes transformées produisant des quantités plus importantes de plastoquinones, tocotriénols et tocophérols, que des plantes identiques non transformées. Cette invention concerne également un procédé de production de ces plantes, ainsi qu'un procédé de culture de ces plantes. Les plantes selon l'invention ont également la propriété d'être tolérantes aux herbicides inhibiteurs de l'enzyme p-hydroxyphenylpyruvate dioxygénase.

Description

Plantes transformées à biosynthèse de prénylquinones améliorée
[0001] La présente invention concerne des plantes transformées, en particulier des plantes transformées produisant des quantités plus importantes de plastoquinones, tocotrienols et tocophérols, que des plantes identiques non transformées. Cette invention concerne également un procédé de production de ces plantes, ainsi qu'un procédé de culture de ces plantes. Les plantes selon l'invention ont également la propriété d'être tolérantes aux herbicides inhibiteurs de l'enzyme -hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (ci-après dénommée HPPD).
[0002] Les prénylquinones sont un large groupe de composés à affinités lipidiques comprenant, entre autres, les plastoquinones, les tocophérols, et les tocotrienols. Chez les plantes, les prénylquinones sont synthétisés via la voie de l'homogentisate.
[0003] La plus connue de prénylquinones est la vitamine E, ou α-tocophérol, élément essentiel de l'alimentation humaine et animale, en particulier celle des mammifères qui n'en produisent pas naturellement, mais en ont un besoin alimentaire. L'effet le plus reconnu de la vitamine E est son action antioxydante sur les lipides des membranes cellulaires (Epstein et al., 1966, Radical Research 28: 322-335; Kamel-Eldin et Appelqvist, 1996, Lipids 31: 671-701).
[0004] Au-delà de la vitamine E, il a été démontré que les tocotrienols, bien que non essentiels dans l'alimentation humaine et animale, possèdent des propriétés anti-oxydantes particulièrement intéressantes, plus élevées que celles de la vitamine E (Kamat et al., 1997, Mol. Cell. Biochem. 170, 131-137). Ces composés sont notamment connus pour protéger les cellules contre les radicaux libres, ainsi que pour prévenir l'apparition de maladies cardio-vasculaires ou de cancers (Packer et al., 2001, J. Nutr. 131(2): 369S-373S). En outre, les tocotrienols présentent une activité anti-cancer par inhibition de la prolifération de récepteurs estrogènes, activité que ne possèdent pas les tocophérols (Guthrie et al., 1997, J. Nutr. 127: 544-548). Ils présentent également une bien meilleure activité hypocholestérolémique que les tocophérols, (Pearce et al., 1992, J. Med. Chem. 35: 3595-3606; Qureshi et al., 2001, J. Nutr. 131: 2606-2618), ce qui les rend plus aptes à lutter contre l'artériosclérose.
[0005] Les plastoquinones n'ont pas de rôle connu en santé humaine ou animale, mais jouent un rôle capital dans les plantes. Ces molécules sont présentes dans les membranes des chloroplastes et ont pour fonction le transport d'électrons au cours de la réaction de photosynthèse (Grumbach, 1984, Structure Function and Métabolisme of plant lipids, Siegenthaler and Eichenberger eds).
[0006] En outre, une augmentation de la quantité de prénylquinones devrait conférer aux plantes une meilleure résistance vis-à-vis des stress oxydants, en particulier le froid, la sécheresse, ou une forte illumination.
[0007] Chez les plantes et les organismes photosynthétiques en général, l'homogentisate constitue le précurseur aromatique des prénylquinones. L'homogentisate est le produit de l'enzyme -hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (ci-après dénommée HPPD). Chez la plupart des organismes, les HPPD sont des enzymes impliquées dans la voie de dégradation catabolique de l'acide aminé aromatique Tyrosine (Goodwin, 1972, in Tyrosine Metabolism: The biocheinical, physiological, and clinical significance of p-hydroxyphenylpyruvate oxygenase, Goodwin B.L., éd., Oxford University press, 1-94). Les HPPD catalysent la réaction de transformation du para-hydroxy-phényl-pyruvate (HPP), produit de dégradation de la tyrosine, en ho ogentisate.
[0008] La plupart des plantes synthétisent la tyrosine via l'arogénate (Abou-Zeid et al. 1995 Applied Env Microb 41 : 1298-1302,; Bonner et al, 1995 Plant Cells Physiol. 36, 1013-1022; Byng et al, 1981 Phytochemistry 6: 1289-1292; Connely and Conn 1986 Z. Naturforsch 41c: 69-78; Gaines et al, 1982 Planta 156: 233-240). Chez ces plantes, l'HPP dérive uniquement de la dégradation de la tyrosine. Par contre, chez des organismes comme la levure Sacharomyces cerevisiae ou la bactérie Escherichia coït, l'HPP est un précurseur de la Tyrosine, et il est synthétisé par l'action d'une enzyme préphénate déshydrogénase (ci-après PDH) qui transforme le préphénate en HPP (Lingens et al, 1967 European J. Biochem 1: 363-374; Sampathkumar and Morrisson 1982 Bioch Biophys Acta 702: 204-211). Chez ces organismes, la production d'HPP est donc reliée directement à la voie de biosynthèse des acides aminés aromatiques (voie du shikimate), et non pas à la voie de dégradation de la tyrosine (voir Figure 1).
[0009] Afin d'augmenter la biosynthèse de prénylquinones par les plantes, les inventeurs de la présente demande de brevet ont cherché à augmenter le flux du précurseur HPP dans les cellules de ces plantes en connectant la synthèse dudit précurseur à la voie dite du shikimate par surexpression d'une enzyme PDH. L'effet attendu est un flux plus important du précurseur HPP devant augmenter globalement la biosynthèse de prénylquinones. [0010] Il a effectivement été constaté que la transformation de plantes avec un gène codant pour une enzyme PDH permettait d'augmenter la production de prénylquinones par lesdites plantes. Cette augmentation est très significative lorsque les plantes transformées avec un gène codant une enzyme PDH sont des plantes sur-exprimant également une enzyme HPPD.
[0011] H a également été constaté que la transformation de plantes avec un gène codant pour une enzyme PDH permettait d'augmenter la tolérance desdites plantes aux inhibiteurs d'HPPD. Cette augmentation de tolérance est très significative lorsque les plantes transformées avec un gène codant une enzyme PDH sont des plantes sur-exprimant également une enzyme HPPD.
[0012] Depuis quelques années, l'intérêt pour les HPPD s'est considérablement accru suite à la démonstration que cette enzyme est la cible de nouvelles familles d'herbicides dit "blanchissants". De tels herbicides ayant pour cible l'HPPD sont notamment les isoxazoles (EP 418 175, EP 470 856, EP 487 352, EP 527 036, EP 560 482, EP 682 659, US 5 424 276) en particulier l'isoxaflutole, herbicide sélectif du maïs, les dicétonitriles (EP 496 630, EP 496 631), en particulier la 2-cyano-3-cyclopropyl-l-(2-Sθ2 CH3-4-CF3 phényl) propane-l,3-dione et la 2- cyano-3-cyclopropyl-l-(2-Sθ2 CH3-4-2,3 CI2 phényl) propane-1, 3-dione, les tricétones (EP 625 505, EP 625 508, US 5,506,195), en particulier la sulcotrione ou la mésotrione, ou encore les pyrazolinates.
[0013] Un des avantages des herbicides ayant pour cible des enzymes impliquées dans les voies métaboliques vitales des plantes est leur large spectre d'activité sur des plantes d'origines phylogénétiques éloignées. Toutefois, de tels herbicides présentent également l'inconvénient majeur, lorsqu'ils sont appliqués sur des cultures pour éliminer les végétaux indésirables ou "mauvaises herbes", d'agir également sur les plantes cultivées. Cet inconvénient peut être pallié par l'utilisation de plantes cultivées tolérantes aux dits herbicides. De telles plantes sont généralement obtenues par génie génétique en introduisant dans leur génome un gène codant une enzyme de résistance audit herbicide de manière à ce qu'elles surexpriment ladite enzyme dans leurs tissus.
[0014] Jusqu'à présent trois principales stratégies utilisant le génie génétique ont été employée pour rendre des plantes tolérantes aux herbicides. La première consiste à détoxifier l'herbicide par transformation de la plante avec un gène codant une enzyme de détoxification. Cette enzyme transforme l'herbicide, ou son métabolite actif, en produits de dégradation non toxique, comme par exemple les enzymes de tolérance au bromoxynil ou au basta (EP 242 236, EP 337 899). La seconde stratégie consiste à transformer la plante avec un gène codant l'enzyme cible mutée de manière à ce qu'elle soit moins sensible à l'herbicide, ou son métabolite actif, comme par exemple les enzymes de tolérance au glyphosate (EP 293 356; Padgette et al., 1991, J. Biol. Chem. 266: 33). La troisième stratégie consiste à surexprimer l'enzyme cible sensible, de manière à produire dans la plante des quantités importantes d'enzyme cible, si possible bien supérieures à la quantité d'herbicide pénétrant la plante. Cette stratégie permet de maintenir un niveau suffisant d'enzyme fonctionnelle, malgré la présence de son inhibiteur.
[0015] Cette troisième stratégie a été mise en œuvre et a permis d'obtenir des plantes tolérantes aux inhibiteurs d'HPPD (WO 96/38567). En outre, cette stratégie de simple surexpression de l'enzyme cible sensible (non mutée) était employée pour la première fois avec succès pour conférer aux plantes une tolérance à un niveau agronomique à un herbicide.
[0016] On sait également que la plupart des herbicides inhibiteurs de l'HPPD sont des inhibiteurs compétitifs vis à vis du substrat, à fixation lente et quasi irréversible (Ellis et al., 1996, Chem. Res. Toxicol. 9: 24-27; Viviani et al., 1998, Pestic. Biochem. Physiol. 62: 125- 134). Leur mode d'action consiste donc à entrer en compétition avec l'HPP en se fixant de manière préférentielle sur son site de fixation. Le résultat de cette fixation est l'arrêt de synthèse par la cellule de l'homogentisate.
[0017] La présente invention, mettant en œuvre une augmentation du flux du substrat HPP de l'HPPD par sur-expression d'une enzyme PDH, semble constituer une quatrième stratégie possible pour obtenir de plantes tolérantes aux herbicides, en particulier aux herbicides inhibiteurs de l'HPPD.
Description
[0018] La présente invention concerne donc des plantes transformées, caractérisées en ce qu'elles comprennent: (1 ) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme PDH (2) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme HPPD.
[0019] Selon un mode particulier de réalisation, l'invention concerne des plantes transformées, caractérisées en ce qu'elles comprennent: (1) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme PDH (2) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme HPPD, à l'exception d'un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme phytylprényl transférase.
[0020] Selon un autre mode particulier de réalisation, l'invention concerne des plantes transformées, caractérisées en ce qu'elles consistent en des plantes transformées avec:
(1) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme PDH, et
(2) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme HPPD.
[0021] Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, les plantes transformées selon l'invention peuvent être représentées par des cellules végétales transformées.
[0022] Par plantes transformées ou cellules végétales transformées, on entend selon l'invention des plantes ou des cellules végétales ayant intégré de manière stable dans leur génome au moins un transgène, ledit transgène pouvant provenir de la plante transformée ou de tout autre organisme. De préférence, un transgène selon l'invention est représenté par un gène chimère comprenant des éléments provenant d'au moins un autre organisme que la plante transformée. En particulier, un transgène selon l'invention peut contenir, entre autres éléments, au moins un promoteur, une séquence codante et un terminateur provenant d'organismes différents, lesdits organismes étant également différents de la plante transformée.
[0023] Dans l'expression "gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme PDH", le terme PDH doit être interprété comme faisant référence à toute enzyme PDH native, ou mutée, présentant l'activité PDH de transformation du préphénate en HPP. En particulier, ladite enzyme PDH peut provenir de tout type d'organisme. L'identification d'une enzyme à activité PDH peut être réalisée par toute méthode permettant soit de mesurer la diminution de la quantité du substrat préphénate, soit de mesurer l'accumulation d'un produit issu de la réaction enzymatique, à savoir l'HPP ou un des cofacteurs NADH ou NADPH. En particulier, la mesure de l'activité PDH peut être réalisée par la méthode décrite à l'exemple 2.
[0024] De nombreux gènes codant des enzymes PDH sont décrites dans la littérature et leurs séquences peuvent être identifiées sur le site Web http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/. On connaît notamment le gène codant l'enzyme PDH de la levure Saccharomyces cerevisiae (No. d'accession S46037) telle que décrite dans Mannhaupt et al. (1989, Gène 85, 303-311), de bactéπe du genre Bacillus, en particulier de l'espèce B. subtilis (No. d'accession P20692) telle que décrite dans Henner et al. (1986, Gène 49 (1), 147-152), de bactérie du genre Escherichia, en particulier de l'espèce E. coh (No. d'accession KMECTD) telle que décrite dans Hudson et al. (1984, J. Mol. Biol. 180(4), 1023-1051), ou de bactérie du genre Erwinia, en particulier de l'espèce d'E. herbicola (No. d'accession S29934) telle que décrite dans Xia et al. (1992, J. Gen. Microbiol. 138(7), 1309-1316).
[0025] Dans l'expression "gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme HPPD", le terme HPPD doit être interprété comme faisant référence à toute enzyme HPPD native, mutée ou chimère, présentant l'activité HPPD de transfomiation de l'HPP en homogentisate. Une mesure de l'activité enzymatique des HPPD peut être réalisée par toute méthode permettant soit de mesurer la diminution de la quantité du substrat HPP, soit de mesurer l'accumulation du produit issu de la réaction enzymatique, à savoir l'homogentisate. En particulier, la mesure de l'activité HPPD peut être réalisée par la méthode décrite à l'exemple 1 et dans Garcia et al. (1997, Biochem. J. 325, 761-769) ou Garcia et al. (1999, Plant Physiol. 119, 1507-1516).
[0026] En particulier, ladite enzyme HPPD peut provenir de tout type d'organisme. De nombreux gènes codant des enzymes HPPD sont décrits dans la littérature, notamment les gènes de bactéries comme Pseudomonas (Rϋetschi & al., 1992, Eur. J. Biochem., 205, 459-466, WO 96/38567), de plantes comme àArabidopsis (WO 96/38567, Genebank AF047834) ou de carotte (WO 96/38567, Genebank 87257), de Coccicoides (Genebank COITRP), ou de mammifères comme la souris ou le cochon. [0027] Par HPPD mutée, on entend selon l'invention une HPPD possédant au moins une mutation par rapport à une HPPD native, et possédant la propriété d'être plus tolérante aux herbicides inhibiteurs d'HPPD que l'HPPD native correspondante. De manière avantageuse, l'HPPD mutée est une HPPD mutée dans sa partie C-terminale telle que décrite dans la demande de brevet WO 99/24585. De manière préférée, l'HPPD mutée comprend la mutation W336 telle que décrite dans la demande de brevet WO 99/24585.
[0028] Par HPPD chimère, on entend une HPPD comprenant des éléments provenant de différentes HPPD. De telles HPPD chimères sont notamment décrites dans la demande de brevet WO 99/24586.
[0029] De manière avantageuse, l'HPPD est une HPPD de Pseudomonas fluorescens (WO 96/38567) ou AArabidopsis thaliana (WO 96/38567).
[0030] Dans l'expression "gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme phytylprényl transférase", le terme phytylprényl transférase doit être interprété comme faisant référence à une enzyme phytylprényl transférase telle que décrite dans la demande de brevet WO 02/089561. En particulier, ledit "gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme phytylprényl transférase" consiste en un gène sélectionné parmi le gène slrl736 de Synechocystis (séquence décrite dans la Cyanobase sur le site Web http://www.kazusa.or.ip/cyanobase). et le gène ATPT2 AArabidopsis (Smith et al., 1997, Plant J. 11, 83-92).
[0031] Les plantes ou cellules végétales transformées selon l'invention produisent des quantités de prénylquinones supérieures à celles de plantes non transformées. De manière préférée, les plantes ou cellules végétales transformées selon l'invention produisent des quantités de prénylquinones supérieures à celles de plantes transformées avec un seul des gènes fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme PDH ou HPPD. De préférence, les prénylquinones produites par les plantes ou cellules végétales transformées selon l'invention sont des tocophérols et/ou des tocotrienols et/ou des plastoquinones. De nombreuses méthodes de mesure de la quantité de tocophérols, tocotrienols et plastoquinones sont connues et à la disposition de l'homme du métier. A titre d'exemple, les tocophérols, les tocotrienols, et les plastoquinones peuvent être mesurés par la méthode de Frazer et al. (2000, Plant J. 24: 551-558). Par quantités supérieures, on entend selon la présente invention des quantités de préférence au moins 2 fois supérieures, de préférence au moins 5 fois supérieures, de préférence au moins 10 fois supérieures, de préférence au moins 50 fois supérieures, de préférence au moins 100 fois supérieures, de préférence au moins 500 fois supérieures, et de manière préférée au moins 1000 fois supérieures.
[0032] Les plantes transformées selon l'invention ont également pour effet d'être tolérantes aux inhibiteurs de l'HPPD.
[0033] Par plantes transformées tolérantes aux inhibiteurs de l'HPPD, on entend des plantes transformées telles que décrites précédemment présentant au moins la caractéristique d'être tolérantes vis-à-vis d'une dose d'inhibiteur de l'HPPD normalement toxique pour des plantes identiques non transformées. La dose d'inhibiteur de l'HPPD normalement toxique pour une plante non transformée dépend de l'inhibiteur d'HPPD utilisé et de la plante sur laquelle ledit inhibiteur est appliqué, ainsi que du stade auquel il est appliqué sur ladite plante. Toutefois, un homme du métier saura déterminer une telle dose sachant que le caractère toxique dudit inhibiteur peut correspondre soit à un effet mortel dudit inhibiteur conduisant à la mort de la plante un certain nombre de jours après l'application dudit inhibiteur, ledit effet mortel pouvant être précédé par un effet dit de "blanchissement" de la plante comme cela est généralement le cas pour les inhibiteurs de l'HPPD, soit à un effet de diminution de la croissance de la plante. De préférence, les plantes transformées tolérantes aux inhibiteurs de l'HPPD selon l'invention sont tolérantes vis-à-vis d'une dose d'inhibiteur de l'HPPD normalement toxique pour des plantes identiques transformées avec uniquement le gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme HPPD.
[0034] Par inhibiteurs de l'HPPD, on entend tout composé, d'origine naturelle ou artificielle, capable de se lier à une enzyme HPPD de plante de manière à bloquer, de manière transitoire ou permanente, son activité enzymatique naturelle de transformation de l'HPP en homogentisate. Par le biais de cette propriété, les inhibiteurs de l'HPPD selon l'invention induisent la mort ou l'inhibition de croissance des plantes sur lesquelles ils sont appliqués, ladite mort intervenant généralement après un "blanchissement" desdites plantes.
[0035] A titre d'exemples d'inhibiteurs d'HPPD, on peut citer les isoxazoles (EP 418 175, EP 470 856, EP 487 352, EP 527 036, EP 560 482, EP 682 659, US 5 424 276) en particulier l'isoxaflutole, herbicide sélectif du maïs, les dicétonitriles (ci-après nommés DKN, et décrits dans EP 496 630, EP 496 631), en particulier la 2-cyano-3-cyclopropyl-l-(2-Sθ2 CH3-4-CF3 phényl) propane- 1, 3 -dione et la 2-cyano-3-cyclopropyl-l-(2-Sθ2 CH3-4-2,3 CI2 phényl) propane-1, 3-dione, les tricétones (EP 625 505, EP 625 508, US 5,506,195), en particulier la sulcotrione ou la mésotrione, ou encore les pyrazolinates.
[0036] Par gène fonctionnel dans les plantes, on entend selon l'invention un gène capable de fonctionner dans une plante. Un gène capable de fonctionner dans une plante est un gène capable d'exprimer la protéine pour laquelle il code dans au moins un tissu de ladite plante. En particulier, les gènes fonctionnels dans les plantes selon l'invention permettent la surexpression des enzymes PDH et HPPD. La surexpression d'une protéine signifie l'expression de cette protéine dans les tissus de la plante transformée à un niveau supérieur à celui existant dans une plante identique non transformée, ledit niveau étant mesuré à un stade identique de développement desdites plantes. De préférence, le gène fonctionnel dans les plantes selon l'invention est un gène chimère qui peut comprendre des éléments provenant d'organismes autres que la plante dans lequel il est introduit.
[0037] Les gènes fonctionnels dans les plantes selon l'invention sont de préférence des gènes chimères comprenant au moins, liés entre eux de manière opérationnelle, un promoteur fonctionnel dans une plante, une séquence codant pour une enzyme PDH et/ou HPPD, et un élément terminateur fonctionnel dans cette même plante. Les différents éléments qu'un gène chimère peut contenir sont, d'une part, des éléments régulateurs de la transcription, de la traduction et de la maturation des protéines, tels qu'un promoteur, une séquence codant pour un peptide signal ou un peptide de transit, ou un élément terminateur constituant un signal de polyadénylation, et d'autre part une séquence codant pour une protéine. L'expression "liés entre eux de manière opérationnelle" signifie que lesdits éléments du gène chimère sont liés entre eux de manière à ce que leur fonctionnement soit coordonné et permette l'expression de la séquence codante. A titre d'exemple, un promoteur est lié de manière opérationnelle à une séquence codante lorsqu'il est capable d'assurer l'expression de ladite séquence codante. La construction d'un gène chimère selon l'invention et l'assemblage de ses différents éléments est réalisable par l'emploi de techniques bien connues de l'homme du métier, notamment celles décrites dans Sa brook et al. (1989, Molecular Cloning : A Laboratory Manual, Nolan C. éd., New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press). Le choix des éléments régulateurs constituant le gène chimère est essentiellement fonction de la plante dans laquelle ils doivent fonctionner, et l'homme du métier est capable de sélectionner des éléments régulateurs fonctionnels dans une plante donnée.
[0038] Les promoteurs que peut contenir le gène chimère selon l'invention peuvent être constitutifs, inductibles, régulés spatialement ou temporellement.
[0039] Parmi les promoteurs constitutifs qui peuvent être utilisés dans le gène chimère de la présente invention, nous pouvons citer à titre d'exemple, des promoteurs bactériens, comme celui du gène de l'octopine synthase ou celui du gène de la nopaline synthase (Sanders et al., 1987, Nucleic Acids Res. 15, 1543-1548), des promoteurs viraux, comme celui du gène contrôlant la transcription des ARN19S ou 35S du virus de la mosaïque du Choux-Fleur (CaMV; Lawton et al., 1987, Plant Mol. Biol. 9, 315-324; Odell et al., 1985, Nature, 313, 810- 812), les promoteurs du virus de la mosaïque de la nervure du Manioc (CsVMV; tels que décrits dans la demande de brevet WO 97/48819). Parmi les promoteurs d'origine végétale on citera le promoteur du gène de la petite sous-unité de ribulose-biscarboxylase/oxygénase (RuBisCO), le promoteur d'un gène d'histone tel que décrit dans la demande EP 0 507 698, ou le promoteur d'un gène d'actine de riz (Wang et al., 1992, Mol. Cell. Biol, 12 (8) : 3399-3406; US 5,641,876).
[0040] Parmi les promoteurs inductibles qui peuvent être utilisés dans le gène chimère de la présente invention, nous pouvons citer à titre d'exemple, le promoteur du gène codant pour la protéine liant l'auxine (Schwob et al., 1993, Plant J. 4 (3) : 423-432), le promoteur du gène codant l'UDP -glucose flavonoide glycosyl-transférase (Ralston et al., 1988, Genêt., 119 (1), 185- 197), le promoteur du gène codant l'inhibiteur de la MIP protéinase (Cordero et al., 1994, Plant J., 6 (2) 141-150), ou le promoteur du gène codant la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (Martinez et al., 1989, J. Mol. Biol., 208 (4), 551-565; Quigley et al., 1989, J. Mol. Evol., 29 (5) , 412-421; Kohler et al., 1995, Plant Mol. Biol., 29 (6), 1293-1298).
[0041] Parmi les promoteurs tissus-spécifiques qui peuvent être utilisés dans le gène chimère de la présente invention, nous pouvons citer à titre d'exemple, les promoteurs spécifiques de racines comme par exemple celui décrit dans la demande de brevet WO 00/29594, des promoteurs spécifiques des fleurs tels que ceux décrits dans les demandes de brevets WO 98/22593, WO 99/15679 ou WO 99/43818, ou des promoteurs spécifiques des fruits, en particulier des graines comme ceux décrits dans les demandes de brevets WO 91/13993, WO 92/17580, WO 98/45460, WO 98/45461, ou WO 99/16890. [0042] Parmi les éléments terminateurs pouvant être utilisés dans le gène chimère de la présente invention, nous pouvons citer à titre d'exemple l'élément terminateur nos du gène codant la nopaline synthase d'Agrobacterium tumefaciens (Bevan et al., 1983, Nucleic Acids Res. 11(2), 369-385), ou l'élément terminateur d'un gène d'histone tel que décrit dans la demande EP 0 633 317.
[0043] Le gène chimère peut également comprendre une séquence d'adressage subcellulaire, codant un peptide signal ou un peptide de transit. Une telle séquence, située en amont ou en aval de la séquence codant pour une enzyme HPPD et/ou PDH, permet de diriger ladite enzyme HPPD ou PDH de manière spécifique dans un compartiment cellulaire de l'organisme hôte. Par exemple, le gène chimère peut comprendre une séquence codant un peptide signal ou un peptide de transit permettant de diriger l'enzyme HPPD et/ou PDH vers un compartiment particulier du cytoplasme comme les mitochondries, les plastes, le réticulum endoplasmique ou les vacuoles.
[0044] Le rôle de telles séquences est notamment décrit dans le numéro 38 de le revue Plant Molecular Biology (1998) consacré en grande partie au transport des protéines dans les différents compartiments de la cellule végétale (Sorting of proteins to vacuoles in plant cells pp 127-144 ; the nuclear pore complex pp 145-162 ; protein translocation into and across the chloroplastic enveloppe membranes pp 91-207 ; multiple pathways for the targeting of thylakoid proteins in chloroplasts pp 209-221 ; mitochondrial protein import in plants pp 311-338).
[0045] Selon un mode de réalisation, le peptide de transit peut être un signal d'adressage chloroplastique ou mitochondrial, lequel est ensuite clivé dans les chloroplastes ou les mitochondries. De manière préférée, le gène chimère selon l'invention comprend une séquence d'adressage subcellulaire codant pour un peptide de transit adressant l'enzyme HPPD et/ou PDH dans les chloroplastes.
[0046] Les peptides de transit peuvent être soit simples, soit doubles. Les peptides de transit doubles sont éventuellement séparés par une séquence intermédiaire. A titre d'exemple, un peptide de transit préféré selon l'invention comprend, dans le sens de la transcription, une séquence codant pour un peptide de transit d'un gène végétal codant pour une enzyme à localisation plastidiale, une partie de séquence de la partie mature N-terminale d'un gène végétal codant pour une enzyme à localisation plastidiale, puis une séquence codant pour un second peptide de transit d'un gène végétal codant pour une enzyme à localisation plastidiale. De tels peptides de transit doubles sont par exemple décrits dans la demande de brevet EP 0 508 909.
[0047] Selon l'invention, le gène chimère peut également comprendre d'autres séquences de régulation, qui sont situées entre le promoteur et la séquence codante, telles que des activateurs de transcription (enhancer), comme par exemple l'activateur de transcription du virus de la mosaïque du tabac (VMT) décrit dans la demande WO 87/07644, du virus etch du tabac (TEV) décrit par Carrington & Freed (1990, J. Virol, 64(4): 1590-7), ou du virus de la mosaïque du « figwort » (Figwort Mosaic Virus, US 5 994 521). Le gène chimère selon l'invention peut aussi contenir des introns, en particulier des intron favorisant l'expression des gènes dans les plantes monocotylédones tels que l'intron 1 du gène de l'actine de riz décrit dans la demande de brevet WO 99/34005, ou l'intron adhl de maïs.
[0048] Les plantes et les cellules végétales selon l'invention sont des plantes et des cellules végétales transformées. Pour obtenir les plantes et les cellules végétales transformées selon l'invention, l'homme du métier peut utiliser une des nombreuses méthodes de transformation des plantes connues.
[0049] De manière préférée, les plantes et les cellules végétales selon l'invention sont transformées avec un vecteur de clonage, d'expression et/ou de transformation comprenant un gène fonctionnel dans les plantes selon l'invention permettant la surexpression d'HPPD ou de PDH.
[0050] Les vecteurs qui peuvent être utiles pour mettre en œuvre l'invention sont par exemple des plasmides, des cosmides, des bactériophages ou des virus. De manière préférentielle, les vecteurs de transformation des cellules végétales ou des plantes selon l'invention sont des plasmides. De manière générale, les principales qualités d'un vecteur doivent être une capacité à se maintenir et à s'autorépliquer dans les cellules des plantes, notamment grâce à la présence d'une origine de réplication. Dans le but d'une transformation stable d'un organisme hôte, le vecteur peut aussi s'intégrer dans le génome. Le choix d'un tel vecteur ainsi que les techniques d'insertion dans celui-ci du gène selon l'invention sont largement décrits dans Sambrook et al. (1989, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Nolan C. éd., New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press) et font partie des connaissances générales de l'homme du métier. De manière avantageuse, le vecteur utilisé dans la présente invention contient également, en plus du gène selon l'invention, un autre gène codant un marqueur de sélection. Le marqueur de sélection permet de sélectionner les organismes hôtes effectivement transformés, c'est-à-dire ceux ayant incorporé le vecteur. Parmi les marqueurs de sélection utilisables, on peut citer des marqueur contenant des gènes de résistance aux antibiotiques tel que, par exemple, celui du gène de l'hygromycine phosphotransférase (Gritz et al., 1983, Gène 25:179-188), mais également des marqueurs contenant des gènes de tolérance aux herbicides tel que le gène bar (White et al., 1990, Nucleic Acid Res. 18(4): 1062) pour la tolérance au bialaphos, le gène EPSPS (US 5,188,642) pour la tolérance au glyphosate ou encore le gène HPPD (WO 96/38567) pour la tolérance aux isoxazoles. On peut également citer des gènes codant pour des enzymes facilement identifiables comme l'enzyme GUS, des gènes codant pour des pigments ou des enzymes régulant la production de pigments dans les cellules transformées. De tels gènes marqueurs de sélection sont notamment décrits dans les demandes de brevet WO 91/02071, WO 95/06128, WO 96/38567, et WO 97/04103.
[0051] Parmi les méthodes de transformation utilisables pour obtenir des plantes transformées selon l'invention, une de celles-ci consiste à mettre les cellules ou tissus des plantes à transformer en présence de polyéthylène glycol (PEG) et des vecteurs décrits ci-dessus (Chang and Cohen, 1979, Mol. Gen. Genêt. 168(1), 111-115; Mercenier and Chassy, 1988, Biochimie 70(4), 503-517). L'électroporation est une autre méthode qui consiste à soumettre les cellules ou tissus à transformer et les vecteurs à un champ électrique (Andreason and Evans, 1988, Biotechniques 6(7), 650-660; Shigekawa and Dower, 1989, Aust. J. Biotechnol. 3(1), 56-62). Une autre méthode consiste à injecter directement les vecteurs dans les cellules ou les tissus par micro-injection (Gordon and Ruddle, 1985, Gène 33(2), 121-136). De manière avantageuse, la méthode dite de "biolistique" pourra être utilisée. Elle consiste à bombarder des cellules ou des tissus avec des particules sur lesquelles sont adsorbés les vecteurs (Bruce et al., 1989, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 86(24), 9692-9696; Klein et al., 1992, Biotechnology 10(3), 286-291; US Patent No. 4,945,050). De manière préférentielle, la transformation de cellules ou tissus végétaux peut se faire à l'aide de bactéries du genre Agrobacterium, de préférence par infection des cellules ou tissus desdites plantes par_l tumefaciens (Knopf, 1979, Subcell. Biochem. 6, 143-173; Shaw et al., 1983, Gène 23(3):315-330) ou A. rhizogenes (Bevan et Chilton, 1982, Annu. Rev. Genêt. 16:357-384; Tepfer and Casse-Delbart, 1987, Microbiol. Sci. 4(1), 24-28). De manière préférentielle, la transformation de cellules ou tissus végétaux par Agrobacterium tumefaciens est réalisée selon le protocole décrit par Ishida et al. (1996, Nat. Biotechnol. 14(6), 745-750). L'homme du métier fera le choix de la méthode appropriée en fonction de la nature de la plante à transformer. [0052] La présente invention a également pour objet un procédé de production de plantes selon l'invention. Ce procédé consiste à régénérer des plantes transformées à partir de cellules végétales transformées telles que décrites ci-dessus. La régénération est obtenue par tout procédé approprié qui dépend de la nature de la plante.
[0053] L'invention comprend également des parties de ces plantes transformées, et la descendance de ces plantes. On entend par "partie de ces plantes", tout organe de ces plantes, qu'il soit aérien ou souterrain. Les organes aériens sont les tiges, les feuilles, et les fleurs comprenant les organes reproducteurs mâles et femelles. Les organes souterrains sont principalement les racines, mais ils peuvent également être des tubercules. Par "descendance", on entend principalement les graines contenant les embryons issus de la reproduction de ces plantes entre-elles. Par extension, le terme "descendance" s'applique à toutes les graines formées à chaque nouvelle génération issue de croisements dont au moins un des parents est une plante transformée selon l'invention. Une descendance peut également être obtenue par multiplication végétative desdites plantes transformées. Les graines selon l'invention peuvent être enrobées d'une composition agrochimique comprenant au moins un produit actif possédant une activité sélectionnée parmi les activités fongicide, herbicide, insecticide, nématicide, bactéricide ou virucide.
[0054] Les plantes transformées selon l'invention peuvent comprendre au moins un autre gène codant pour une protéine d'intérêt, lequel autre gène est également introduit artificiellement dans le génome de la plante, simultanément, antérieurement ou postérieurement au gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression de PDH et/ou HPPD. Parmi les gènes codant pour une protéine d'intérêt, on peut citer des gènes codant une autre enzyme de résistance à un herbicide, par exemple le gène codant pour l'enzyme bar (White et al., NAR 18:1062, 1990) pour la tolérance au bialaphos, ou le gène codant pour l'enzyme EPSPS (US 5,188,642; WO 97/04103) pour la tolérance au glyphosate. On peut également citer un gène codant pour une toxine insecticide, par exemple un gène codant pour une δ-endotoxine de la bactérie Bacillus thuringiensis (pour exemple, voir International Patent Application WO 98/40490). Peuvent également être contenus dans ces plantes d'autres gènes de résistance aux maladies, par exemple un gène codant pour l'enzyme oxalate oxydase tel que décrit dans la demande de brevet EP 0 531 498 ou le brevet US 5,866,778, ou un gène codant pour un autre peptide antibactérien et/ou antifongique tels que ceux décrits dans les demandes de brevets WO 97/30082, WO 99/24594, WO 99/02717, WO 99/53053, et WO99/91089. On peut également citer des gènes codant pour des caractères agronomiques de la plante, en particulier un gène codant pour une enzyme delta-6 désaturase tel que décrit dans les brevets US 5,552,306, US 5,614,313, et demandes de brevets WO 98/46763 et WO 98/46764, ou un gène codant pour une enzyme serine acétyltransférase (SAT) tel que décrit dans les demandes de brevets WO 00/01833 et WO 00/36127.
[0055] Les gènes supplémentaires codant une protéine d'intérêt peuvent être intégrés au moyen d'un vecteur. Dans ce cas, le vecteur comprend le gène selon l'invention codant pour une enzyme PDH et/ou HPPD et au moins un gène codant pour un autre peptide ou protéine d'intérêt.
[0056] Ils peuvent également être intégrés au moyen d'au moins un autre vecteur comprenant ledit gène supplémentaire, selon les techniques usuelles définies ci-dessus.
[0057] Les plantes selon l'invention peuvent encore être obtenues par croisement de plantes, l'une portant le gène codant pour une enzyme PDH et/ou HPPD selon l'invention, l'autre portant un autre gène codant pour au moins un autre peptide ou protéine d'intérêt.
[0058] Les plantes transformées selon l'invention peuvent être des monocotylédones ou des dicotylédones. De préférence, ces plantes sont des plantes d'intérêt agronomique. De manière avantageuse, les plantes monocotylédones sont le blé, le maïs, le riz. De manière avantageuse, les plantes dicotylédones sont le colza, le soja, le tabac, le coton.
[0059] La présente invention concerne également un procédé de culture des plantes transformées selon l'invention, caractérisé en ce qu'il consiste à planter les graines desdites plantes transformées sur une surface d'un champ approprié pour la culture desdites plantes, à appliquer sur ladite surface dudit champ au moins une composition herbicide comprenant un inhibiteur d'HPPD, sans affecter de manière substantielle lesdites graines ou lesdites plantes transformées, puis à récolter les plantes cultivées lorsqu'elles arrivent à la maturité souhaitée et éventuellement à séparer les graines des plantes récoltées.
[0060] La présente invention concerne également un procédé pour conférer aux plantes une tolérance aux inhibiteurs d'HPPD, caractérisé en ce que l'on transforme lesdites plantes, simultanément ou successivement, avec:
(1) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme PDH (2) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme HPPD
[0061] La présente invention concerne également une utilisation des plantes ou cellules végétales selon l'invention pour produire des prénylquinones, en particulier des tocophérols, des tocotrienols et/ou des plastoquinones.
[0062] La présente invention concerne également un procédé pour augmenter la quantité de prénylquinones dans les plantes, caractérisé en ce que l'on transforme lesdites plantes, simultanément ou successivement, avec: (1) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme PDH
(2) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme HPPD
[0063] La présente invention concerne également un procédé de production de prénylquinones, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mise en culture d'une cellule végétale ou d'une plante transformée selon l'invention dans un milieu de culture adapté à la croissance et à la multiplication de ladite cellule végétale ou de ladite plante.
[0064] Selon un mode particulier de réalisation dudit procédé, les prénylquinones produits sont préférentiellement des tocophérols représentés par la vitamine E.
[0065] Selon un mode particulier de réalisation dudit procédé, les prénylquinones produits sont préférentiellement des tocotrienols.
[0066] Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit procédé de production de prénylquinones comprend une étape ultérieure d'extraction desdits prénylquinones produits par ladite cellule végétale ou par ladite plante transformée cultivée à la première étape.
[0067] Lorsque ledit procédé de production de prénylquinones est mis en œuvre avec des cellules végétales transformées selon l'invention, lesdites cellules végétales sont cultivées dans un milieu de culture favorable à leur survie et à leur croissance. L'homme du métier saura déterminer la composition dudit milieu de culture de manière à permettre une croissance optimale desdites cellules végétales. A titre d'exemple, des méthodes et milieux de culture de cellules végétales sont décrits dans Murashige et Skoog (1962, Physiol. Plant. 15. 473-497) et dans Gamborg et al. (1968, Exptl. Cell Research, 50 : 151-159). [0068] En outre, lorsque ledit procédé est mis en œuvre avec des cellules végétales transformées selon l'invention, lesdits prénylquinones produits peuvent être sécrétés dans le milieu de culture ou non. Lorsque lesdits prénylquinones sont sécrétés dans le milieu de culture, l'étape d'extraction dudit procédé peut être précédée par une étape de récupération du milieu de culture par élimination desdites cellules végétales. Une telle étape de récupération du milieu de culture par élimination desdites cellules végétales peut se faire par tout moyen de séparation de fractions solides comprises dans une fraction liquide. En particulier, la filtration et la centrifugation sont des moyens adaptés à la mise en œuvre de cette étape.
[0069] Lorsque les prénylquinones ne sont pas sécrétés dans le milieu de culture, l'étape d'extraction peut être réalisée par la succession d'étapes de concentration des cellules végétales cultivées, de cassage cellulaire des cellules végétales isolées, de centrifugation de l'extrait cellulaire cassé, puis de récupération du surnageant comprenant lesdits prénylquinones. L'étape de cassage cellulaire peut être réalisée par la mise en œuvre de techniques connues de l'homme de l'art telles que le broyage mécanique (par différence de pression, par action des ultrasons, par trituration), la lyse enzymatique, ou le choc osmotique, lesdites techniques pouvant être employées individuellement ou en combinaison.
[0070] Lorsque ledit procédé de production de prénylquinones est mis en œuvre avec des plantes transformées selon l'invention, lesdites plantes sont cultivées sur un substrat approprié à leur survie et à leur croissance, ledit substrat pouvant être naturel ou artificiel. Un substrat naturel peut par exemple être de la terre, ou un mélange de terres, et lesdites plantes pourront être cultivées en conditions contrôlées comme par exemple en chambre de culture, en conditions semi-contrôlées comme par exemple en serre, ou en conditions naturelles comme par exemple en plein champ. Un substrat artificiel peut par exemple être un substrat liquide ou gélose dont la composition est favorable à la survie et à la croissance des plantes selon l'invention. L'homme du métier saura déterminer la composition dudit substrat artificiel de manière à permettre une croissance optimale desdites plantes. A titre d'exemple de substrats de culture de plantes on peut citer des milieux de type laine de Roche, ou vermiculite irrigués par une solution nutritive contenant les éléments nutritifs N (Azote), P (Phosphore), K (Potassium), ou toute autre solution nutritive, commerciale ou adaptée, permettant aux plantes de pousser sur ces milieux. Lorsque les plantes selon l'invention sont cultivées sur un substrat artificiel, elles sont généralement cultivées en conditions contrôlées en chambre de culture. [0071] En outre, lorsque ledit procédé est mis en œuvre avec des plantes transformées selon l'invention, lesdits prénylquinones produits sont généralement immobilisés dans lesdites plantes transformées.
[0072] Les plantes transformées selon l'invention, ou une partie desdites plantes, peuvent soit être utilisées directement et incorporées dans des compositions alimentaires destinées à l'alimentation humaine ou animale, soit subir une extraction des prénylquinones qu'elle contiennent. Comme indiqué précédemment, par "partie de plantes" on entend tout organe de ces plantes, qu'il soit aérien ou souterrain. Les organes aériens sont les tiges, les feuilles, et les fleurs comprenant les organes reproducteurs mâles et femelles, ainsi que les graines. Les organes souterrains sont principalement les racines, mais ils peuvent également être des tubercules. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, les graines sont les parties des plantes transformées destinées à l'alimentation.
[0073] L'invention comprend également les graines des plantes transformées selon l'invention, lesdites graines étant riches en prénylquinones comparativement à des graines de plantes non transformées. En outre, l'invention comprend également des compositions alimentaires comprenant des graines ou toute autre partie des plantes transformées selon l'invention. L'huile produite à partir de ces parties de plantes, en particulier des graines, est également un objet de la présente invention.
[0074] Afin de récupérer les prénylquinones produits dans la plante transformée, une étape d'extraction peut être réalisée par la succession d'étapes de broyage des plantes cultivées, de filtration et/ou centrifugation du broy t de plantes, puis de récupération du surnageant comprenant lesdits prénylquinones, ladite récupération pouvant consister en une extraction des composés lipidiques. De préférence, l'étape de broyage consiste en un broyage mécanique (par différence de pression, par action des ultrasons, par trituration), lequel peut être suivi d'une lyse enzymatique, ou d'un choc osmotique.
[0075] Le présent procédé peut également mettre en œuvre une étape finale de purification des prénylquinones contenus dans l'extrait de cellule végétale ou de plante obtenu. La purification desdits prénylquinones peut se faire par toute technique de concentration ou de séparation de composés, en particulier les techniques de microfiltration, d'ultrafiltration, d'électrophorèse ou de chromatographie bien connues de l'homme du métier. Afin de parvenir à des prénylquinones purifiés, l'homme du métier saura employer une méthode de mesure desdits prénylquinones pour identifier la ou les fractions de purification contenant lesdits prénylquinones. Selon ce procédé, lesdits prénylquinones produits peuvent avoir une pureté de préférence de 50%, de 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 99%, ou avantageusement 100%.
[0076] Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, les plantes transformées selon l'invention comprennent, en plus d'un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'enzyme PDH et d'un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'enzyme HPPD, un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'enzyme géranylgéranyl réductase (ci-après GGR). Parmi les prénylquinones produites, de telles plantes produisent préférentiellement des tocophérols, en particulier de la vitamine E, comparativement aux tocotrienols et aux plastoquinones.
[0077] L'enzyme GGR est une enzyme catalysant la transformation du géranylgéranyl pyrophosphate en phytylpyrophosphate. Selon un mode particulier de réalisation, le gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression de GGR comprend la séquence codante d'un gène codant pour une GGR de plante. A titre d'exemple, on peut utiliser la séquence codant pour la GGR άArabidopsis telle que publiée dans Keller et al., (1998, Eur. J. Biochem. 251(1- 2): 413-417), ou celles décrites par les numéros d'accession AJ 007789 (Tabac), AF 069318 (Mesembryanthenum crystallinum), Y14044 (Arabidopsis), Q55087 (Synechocystis sp PCC 6803).
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Toutes les méthodes ou opérations décrites ci-dessous dans ces exemples sont données à titre d'exemples et correspondent à un choix, effectué parmi les différentes méthodes disponibles pour parvenir au même résultat. Ce choix n'a aucune incidence sur la qualité du résultat et par conséquent, toute méthode adaptée peut être utilisée par l'homme de l'art pour parvenir au même résultat. En particulier, et à moins qu'il n'en soit précisé autrement dans les exemples, toutes les techniques d'ADN recombinant employées sont mises en œuvre selon les protocoles standards décrits dans Sambrook et al. (1989, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Second édition, Nolan C. éd., Cold Spring Harbor Laboratory Press, NY), dans Sambrook and Russel (2001, Molecular cloning: A laboratory manual, Third édition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, NY), dans Ausubel et al. (1994, Current Protocols in Molecular Biology, Current protocols, USA, Volumes 1 and 2), et dans Brown (1998, Molecular Biology LabFax, Second édition, Académie Press, UK). Des matériels et méthodes standards pour la biologie moléculaire des plantes sont décrits dans Croy R.D.D. (1993, Plant Molecular Biology LabFax, BIOS Scientific Publications Ltd (UK) and Blackwell Scientific Publications (UK). Des matériels et méthodes standards pour la PCR (Polymerase Chain Reaction) sont également décrits dans Dieffenbach and Dveksler (1995, PCR Primer: A laboratory manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, NY) et dans McPherson et al. (2000, PCR - Basics: From background to bench, First édition, Springer Verlag, Germany).
Exemple 1: Mesure de l'activité HPPD L'activité HPPD peut être mesurée par la méthode décrite dans Garcia et al. (1997,
Biochem. J. 325, 761-769) ou Garcia et al. (1999, Plant Physiol. 119, 1507-1516).
Exemple 2: Mesure de l'activité préphénate deshydrogénase
L'activité préphénate deshydrogénase est mesurée à 25°C par suivi spectrophotométrique à 340 nm de la formation de NADH ou NADPH dans une solution contenant 50 mM de Tris- HC1, pH 8.6, 300 μM de préphénate, et 1 mM de NAD ou NADP dans un volume total de 200 μl. Exemple 3: Construction d'un gène chimère surexprimant HPPD
Un gène chimère permettant la surexpression d'HPPD pour conférer la résistance à des plantes vis-à-vis des herbicides inhibant l'HPPD a été construit.
Il consiste à assembler dans le sens de la transcription, un promoteur dit "double bistone" (PdH4) tel que décrit dans la demande de brevet EP 0 507 698, la séquence du Tobacco etch virus translational enhancer (TEV) décrit dans Carrington and Freed (1990; J Virol. 64: 1590- 1597), une séquence codant pour un peptide de transit optimisé (OTP) tel que décrit dans la demande de brevet EP 0 508 909, la partie codante du gène de l'HPPD àArabidopsis thaliana décrite dans la demande de brevet WO 96/38567, puis le terminateur nos du gène de la nopaline synthase décrit dans Bevan et al. (1983, Nucleic Acids Res. 11(2), 369-385). L'ensemble est ensuite clone dans un vecteur binaire et a pour structure:
Figure imgf000024_0001
Exemple 4: Construction d'un gène chimère surexprimant PDH
La construction d'un gène chimère surexprimant PDH consiste à assembler dans le sens de la transcription, un promoteur dit "double bistone" (PdH4) tel que décrit dans la demande de brevet EP 0 507 698, la séquence du Tobacco etch virus translational enhancer (TEV) décrit dans Carrington and Freed (1990; J. Virol. 64: 1590-1597), une séquence codant pour un peptide de transit optimisé (OTP) tel que décrit dans la demande de brevet EP 0 508 909, la partie codante du gène PDH de levure décπte dans Mannhaupt et al. (1989, Gène 85, 303-311), puis le terminateur nos du gène de la nopaline synthase décrit dans Bevan et al (1983, Nucleic Acids Res. 11(2), 369-385). L'ensemble a ensuite été clone dans le vecteur binaire pRD 224 contenant un gène de résistance à la kanamycine (NPTÏÏ) pour donner le vecteur pRD 224-PDH. Ce vecteur a pour structure:
BamHÏ
Figure imgf000024_0002
Ce vecteur binaire a ensuite été utilisé pour transformer la souche SAgrobacterium EHA 105 et donner la souche d'Agrobacterium EHA 105-pRD 224-PDH. Cette souche d'Agrobacterium a été utilisée pour transformer du tabac PBD6 et du tabac PBD6-ARA9 (tabac transformé avec le gène chimère permettant la surexpression de l'HPPD dArabidopsis thaliana). Les plantes transformées sont sélectionnées sur Kanamycine.
Exemple 5: Transformation du tabac PBD6-ARA9 avec une cassette d'expression surexprimant PDH
Les tabacs PBD6-ARA9 sont des tabacs transformés avec un gène chimère tel que décrit à l'exemple 3, et surexprimant l'HPPD d'A. thaliana décrite dans la demande de brevet
W096/38567. La méthode d'obtention des tabacs PBD6-ARA9 est décrite dans Garcia et al.
(1999, Plant Physiol. 119, 1507-1516). Les lignées PBD6-ARA9 transformées avec le gène chimère surexprimant PDH tel que décrit à l'exemple 4 sont dénommées lignées ARA9-PDH.
5.1: Transformation
La transformation est réalisée avec la souche non oncogène d'Agrobacterium tumefaciens EHA 105-pRD 224-PDH selon la technique des disques foliaires (Horsch et al., 1985, Science 227: 1229-1231).
5.2: Régénération
La régénération du tabac ARA9-PDH est réalisée à partir d'expiants foliaires sur un milieu de base Murashig et Skoog (MS) comprenant 30g/l de saccharose ainsi que 350mg/l de céfotaxime et 200 mg ml de kanamycine. Les explants foliaires sont prélevés sur des plants en serre et régénérés selon la technique des disques foliaires (Horsch et al., 1985, Science 227: 1229-1231) en trois étapes successives :
- La première comprend l'induction des pousses sur un milieu MS additionné de 30g/l de saccharose contenant 0.05mg/l d'acide naphtylacétique (ANA) et 2mg/l de benzylaminopurine (BAP) pendant 15 jours et 200 mg/ml de kanamycine.
- Les pousses vertes formées au cours de cette étape sont ensuite développées par culture sur un milieu MS additionné de 30g/l de saccharose et 200 mg/ml de kanamycine, mais ne contenant pas d'hormone, pendant 10 jours.
- Des pousses développées sont ensuite prélevées, puis cultivées sur un milieu d'enracinement MS à teneur moitié en sels, vitamines et sucres, 200 mg/ml de kanamycine et ne contenant pas d'hormone. Au bout d'environ 15 jours, les pousses enracinées sont passées en terre.
La tolérance des plantes transformées est étudiée par semis sur un sol traité au dicétonitrile (DKN).
Exemple 6: Tolérance des tabacs PBD6-ARA9 et ARA9-PDH aux inhibiteurs de l'HPPD
6.1. Tolérance au dicétonitrile (DKN)
13 lignées ARA9-PDH et la lignée PBD6-ARA9 ayant servie de matériel de départ pour la transformation ont été semées sur des concentrations croissantes de DKN: 5, 10 et 32 ppm.
A 5 ppm de DKN, toutes les lignées PBD6-ARA9 et ARA9-PDH résistent, notamment car toutes surexpriment l'HPPD d!A. thaliana. A 10 ppm de DKN, la lignée parente PBD6-ARA9 est complètement inhibée. Au contraire, toutes les lignées ARA9-PDH résistent bien, à l'exception d'une seule (ARA9-PDH4) qui est inhibée. A 32 ppm de DKN, toutes les lignées ARA9-PDH qui résistaient à 10 ppm de DKN ont des plantes qui résistent et poussent normalement, alors que la lignée parent PBD6-ARA9 n'exprimant que l'HPPD recombinante est complètement inhibée. Les lignées montrant la meilleure tolérance sont les lignées ARA9- PDH14, ARA9-PDH18, et ARA9-PDH24.
6.2. Tolérance à la sulcotrione et à la mesotrione La même expérience a été réalisée avec les inhibiteurs de l'HPPD, sulcotrione et mesotrione. La lignée ARA9-PDH18 s'avère être tolérante à 3 μM de mesotrione et à 6 μM de sulcotrione, alors qu'une lignée de tabac sauvage du type Petit Havana est sensible à 0,375 μM de ces deux composés.
Exemple 7: Mesure des taux de tocophérols et de tocotrienols dans des tabacs PBD6-
ARA9 et ARA9-PDH
Un extrait lipidique est obtenu par la méthode de Folch (Folch et al., 1957, J. Biol. Chem., 226-497) sur des échantillons de feuilles moyennes et de très jeunes feuilles de chacune des plantes analysées. Une analyse de leurs contenus en tocophérols et tocotrienols est ensuite réalisée par HPLC selon la méthode de Frazer et al. (2000, Plant J. 24: 551-558). Ces contenus sont ensuite quantifiés par rapport à des produits de référence, puis exprimés en μg par g de masse sèche. Les résultats sont présentés dans le Tableau 1. Tableau 1 : Taux de tocophérols et de tocotrienols dans des échantillons des plantes PBD6, PBD6-ARA9 (ARA9) et ARA9-PDH (PDH4, PDH 14, PDH 18, PDH 24).
Feuilles
PBD6 ARA9 PDH 4 PDH 14 PDH 18 PDH 24 moyennes
(μ ar g de poids sec)
α Tocophérol 62.2 64.73 66.9 89.7 91.03 83.4 β/γ Tocophérol 1.73 1.93 2.16 4.56 4.28 4.01 δ Tocophérol nd nd nd nd nd nd α Tocotriénol nd nd nd 64.58 66.99 55.35 β/y Tocotriénol nd nd nd 2.04 2.23 1.98 δ Tocotriénol nd nd nd nd nd nd
Très jeunes PBD6 ARA9 PDH 4 PDH 14 PDH 18 PDH 24 feuilles (μg par g de poids sec)
α Tocophérol 73.5 64.73 68.7 76.2 75.4 83.4 β'T Tocophérol 1.83 2.37 1.86 3.32 3 3.5 δ Tocophérol nd nd nd nd nd nd α Tocotriénol nd nd nd 275.26 224.5 242.4 β/y Tocotriénol nd nd nd 17.45 15.3 17.14 δ Tocotriénol nd nd nd 6.2 4.3 5.4
Ces résultats montrent clairement que les tabacs ARA9-PDH doublement transformés avec des gènes chimères permettant la sur-expression des enzymes PDH et HPPD possèdent des quantités supérieures de prénylquinones, en particulier de tocophérols et de tocotrienols, par rapport aux tabacs PBD6-ARA9 simplement transformés avec un gène codant une enzyme HPPD. L'effet le plus important concerne les tocotrienols. Cet effet est d'autant plus marqué dans les très jeunes feuilles riches en tissus méristématiques. L'origine de cette spécificité de tissu est liée au promoteur utilisé pour créer les tabacs ARA9-PDH qui est un promoteur s'exprimant préférentiellement dans les tissus en croissance rapide des plantes, en particulier les méristèmes (PdH4). L'utilisation d'autres types de promoteurs devrait permettre d'obtenir un effet similaire dans d'autres tissus de la plante.
D'autre part, les différences observées entre les différentes lignées ARA9-PDH proviennent du fait qu'il s'agit d'événements de transformation différents. Des croisements entre les meilleures lignées visant à élaborer des lignées homozygotes devraient permettre d'obtenir des lignées homogènes quant à la production de prénylquinones et à la tolérance aux inhibiteurs d'HPPD.

Claims

Revendications 1- Plantes transformées, caractérisées en ce qu'elles comprennent: (1) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme PDH (2) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme HPPD 2- Cellules végétales transformées, caractérisées en ce qu'elles comprennent: (1) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme PDH (2) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme HPPD 3- Plantes selon la revendication 1, ou cellules végétales selon la revendication 2, caractérisées en ce que le gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression de PDH comprend la séquence codante d'un gène codant pour une PDH de levure. 4- Plantes ou cellules végétales selon la revendication 3, caractérisées en ce que la séquence codante d'un gène codant pour une PDH de levure est la séquence codante d'un gène de saccharomyces cereviseae 5- Plantes ou cellules végétales selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisées en ce que le gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'HPPD comprend la séquence codante d'un gène codant pour une HPPD de plante 6- Plantes ou cellules végétales selon la revendication 5, caractérisées en ce que la séquence codante d'un gène codant pour une HPPD de plante est la séquence codante d'un gène d'Arabidopsis thaliana 7- Procédé de culture des plantes transformées selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à planter les graines desdites plantes transformées sur une surface d'un champ approprié pour la culture desdites plantes, à appliquer sur ladite surface dudit champ au moins une composition herbicide comprenant un inhibiteur d'HPPD, sans affecter de manière substantielle lesdites graines ou lesdites plantes transformées, puis à récolter les plantes cultivées lorsqu'elles arrivent à la maturité souhaitée et éventuellement à séparer les graines des plantes récoltées. 8- Procédé pour conférer aux plantes une tolérance aux inhibiteurs d'HPPD, caractérisé en ce que l'on transforme lesdites plantes, simultanément ou successivement, avec: (1) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme PDH (2) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme HPPD 9- Procédé pour augmenter la quantité de prénylquinones dans les plantes, caractérisé en ce que l'on transforme lesdites plantes, simultanément ou successivement, avec:
(1) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme PDH
(2) un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme HPPD
10- Procédé de production de prénylquinones, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mise en culture d'une cellule végétale ou d'une plante transformée selon l'une des revendications 1 à 6 dans un milieu de culture adapté à la croissance et à la multiplication de ladite cellule végétale ou de ladite plante.
11- Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que les prénylquinones sont des tocotrienols
12- Procédé selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que les prénylquinones sont représentés par la vitamine E
13- Plantes ou cellules végétales selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisées en ce qu'elles comprennent, en plus, un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme GGR.
14- Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que l'on transforme lesdites plantes, simultanément ou successivement, avec en plus un gène fonctionnel dans les plantes permettant la surexpression d'une enzyme GGR.
15- Utilisation des plantes selon la revendication 1, ou cellules végétales selon la revendication 2, pour produire des prénylquinones
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