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L'apport des biotechnologiesvégétales dans l'étude et laproduction des substancesnaturelles végétalesLouis Cosson aa Faculté de Pharmacie (Paris 11), Laboratoirede Botanique et Phytochimie , rue J.B. Clément,F-92296 , Chatenay Malabry cedexPublished online: 27 Apr 2013.

To cite this article: Louis Cosson (1997) L'apport des biotechnologies végétales dansl'étude et la production des substances naturelles végétales, Acta Botanica Gallica:Botany Letters, 144:4, 463-468, DOI: 10.1080/12538078.1997.10515786

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Acta bot. Gal/ica, 1997, 144 (4), 463-468.

L'apport des biotechnologies vegetales dans I' etude et Ia production des substances naturelles vegetales

par Louis Cosson

Faculte dePharmacie (Paris 11), Laboratoire de Botanique et Phytochimie, rue J.B. Clement, F-

92296 Chatenay Malabry cedex

Resume.- L'etude des metabolites secondaires vegetaux en culture in vitro est relativement recente. Ce n'est que depuis 1976 que I' importance de Ia variabili­te somaclonale est reconnue au niveau des capacites de biosynthese des alca­lo'ides, heterosides, composes aromatiques ou terpeniques. Depuis, les nombreux resultats obtenus grace aux cultures cellulaires ont permis d'ouvrir Ia voie a diverses applications et ont egalement enrichi Ia connaissance du meta­bolisme secondaire des vegetaux. Plusieurs examples, ayant trait au domaine des arOmes et a celui des medicaments, illustrent ces aspects : obtention de composes identiques a ceux de Ia plante entiere par des tissus ou cellules d'A//ium schoenoprasum et de Catharanthus roseus, biosynthese d'alcalo'ide inconnu dans Ia plante entiere, utilisation de diverses souches cellulaires comme agents de bioconversion de substrats exogenes ajoutes au milieu de culture.

Summary.- Study of secondary metabolites production by plant cell culture expanded after 1976 by the implication of somaclonal variability in the field of alkaloids, aromatic and terpenic compounds biosynthesis. After, many works gave many results in our knowledge of secondary metabolism. Examples are summarised in the fields of flavor and therapeutic compounds and bioconversion of exogenous substrates by plant cell culture.

Key-words : plant cell culture- alkaloid- Allium schrenoprasum- Catharanthus roseus - secondary metabolites- flavors.

I. INTRODUCTION

Ce sont les cultures in vitro de tissus vegetaux qui ont permis, depuis leur decouverte en 1937-1940 par Gautheret, Nobecourt (en France) et White aux Etats-Unis, d'etablir expe­rimentalement Ia notion de totipotence de Ia cellule vegetale. C'est cette caracteristique qui permet les nombreuses applications que nous connaissons actuellement et qui ont pour objectif Ia regeneration de plantes entieres a partir d'une cellule ou d'un petit nombre de cellules capables d'exprimer Ia totalite du genome de l'espece.

Historiquement, Ia notion de totipotence s'est done d'abord appliquee a Ia regeneration des plantes, autrement dit a l'organogenese. On s'etait peu preoccupe de !'expression de Ia totipotence au niveau phytochimique. Les cultures in vitro peuvent-elles etre productices de metabolites secondaires ? Peuvent-elles biosyntbetiser ces milliers de molecules, aux

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structures chimiques tres diverses appelees terpenes, tanins, beterosides, alcaloides, qui constituent, suivant les cas, Ia saveur de nos aliments, les parfums que nous utilisons, les medicaments qui nous guerissent ou les poisons qui nous intoxiquent ?

Pendant de nombreuses annees, alors que Ia notion de totipotence etait admise pour l'or­ganogenese, on estimait que les cultures cellulaires vegetales indifferenciees etaient inca­pables de biosyntbetiser les metabolites secondaires. Les resultats experimentaux etaient tres contradictoires ou, au moins, tres variables selon l'espece etudiee et selon l'experi­mentateur. Ces contradictions furent expliquees lorsque Ia variabilite somaclonale fut reconnue et appliquee aux cultures cellulaires grace aux travaux de Zenk et a/. ( 1977).

Pour illustrer les capacites des cultures cellulaires dans le domaine des metabolites secondaires, nous presenterons les resultats sous trois aspects : cellules non modifiees genetiquement, avec modification genetique et cellules utilisees comme agent de biotrans­formation.

II. CULTURES CELLULAIRES SANS MODIFICATION GENETIQUE

Apres selection des souches, celles-ci sont capables de produire le compose identique a celui de Ia plante, souvent en quantite superieure. Le tableau 1 montre quelques exemples en indiquant Ia valeur du rapport entre le taux du compose dans Ia plante et celui obtenu in vitro : les cultures cellulaires peuvent avoir une concentration mille fois superieure a celle de Ia plante entiere (Fontanel et Tabata, 1987) grace a !'obtention d'une souche sur­productrice et a !'utilisation d'un milieu de culture favorisant Ia production.

Recemment, Banel (1994) a montre !'influence de l'anergie sur Ia production de trois alcaloides indoliques par une souche de Catharanthus roseus (Fig. 1) : Ia catharanthine, l'ajmalicine et Ia serpentine sont produites en quantites deux a six fois superieures si Ia souche est repiquee pour Ia premiere fois sur un milieu de culture prive d'hormone ( souche ALV-) ; Ia catharanthine et Ia serpentine sont egalement presentes en quantites superieures dans Ia souche entretenue depuis plusieurs annees sur milieu anergie (souche UPP2).

Dans un autre domaine des metabolites secondaires, celui des composes soufres res­ponsables de l'arome de Ia ciboulette, Allium schoenoprasum, les cultures in vitro de cals organogenes ou non organogenes produisent les memes proportions de precurseurs de l'arome que les feuilles de Ia plante (Fig. 2 ; Mellouki eta/., 1994).

Tableau 1.- Examples de cultures cellulaires dont Ia production est superieure a Ia plante entiere. Table 1.- Examples of secondary metabolites produced by plant tissue cultures with a yield higher than in the intact

plant.

Compose Plante Production Rapport (gil) cult./plante

Anthraquinones Galium 0,43 20 Morinda 2,50 8

Berberine Cop tis 1,40 2,6 Tha/ictrum 0,8 1000

Shikonine Lithospermum 1,5-4 14

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Fig. 1.- Cinetiques d'accumulation de Ia catharanthine, de l'ajmalicine et de Ia serpentine dans Ia souche temoin ALV et dans les souches anergiees ALV- et UPP2 (Banal, 1994).

Fig. 1.- Accumulation cinetic of catharanthine, ajmalicine and serpentine in ALV strain and habituated strains ALV- and UPP2 (Banal, 1994).

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Fig. 2.- Proportions des trois principaux precurseurs de l'arOme de ciboulette dans les feuilles fraiches (F. F.), dans les cals organogEmes (C.O.) et dans les cals non organogenes (C.N.O.) (Mellouck eta/., 1994).

Fig. 2.- Proportions of the three main precursors of chive flavor in fresh leaves (F. F.), organogenous calli (C.O.) and no-organogenous calli (C.N.O.) (Mellouck el a/., 1994).

Un autre aspect important des cultures in vitro est leur aptitude a biosynthetiser des composes non presents dans Ia plante entiere. C'est le cas d'une souche de Catharanthus roseus qui accumule en forte quantite Ia pseudoanthraserpine, alcaloide indolique derive de Ia reserpine, l'alcaloide majoritaire des Rauwolfia (Bane!, 1994).

III. CULTURES DE CELLULES OU D'ORGANES MODIFIES GENETIQUEMENT

La culture de cellules modifiees genetiquement a ete peu utilisee jusqu'a present ; par contre de nombreux travaux concernent les cultures de racines transformees par Agrobacterium rhizogenes. Cette transformation conduit a une grande proliferation des racines, d'ou le nom de «hairy-root>> donne a ce chevelu racinaire : on assiste a un double­ment de Ia biomasse en quelques jours. Les alcaloides biosynthetises par les racines sont retrouves dans cette biomasse (Davioud et a/., 1989).

II faut enfin signaler que les techniques de cultures in vitro sont indispensables pour aboutir a des plantes transgeniques. Dans ce domaine, un des premiers travaux concernant le genie genetique applique aux metabolites secondaires a ete !'obtention d'une Belladonne transgenique productrice de scopolamine (Yun et al., 1992).

IV. CULTURES CELLULAIRES ET BIOTRANSFORMATIONS

Les biotransformations designent en general Ia modification de Ia stucture chimique d'un substrat exogene ajoute au milieu de culture de divers microorganismes.

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R = R1 = R2 = R3 = CH3 : Papaverine R = H. R1 = R2 = R3 = CH3 1 R3 = H. R = R1 = R2 = CH3 : l

Fig. 3.- La papaverine et ses produits de biotransfonnation par une souche de Silane alba (Verdeil eta/., 1985). Fig. 3.- Papaverine and its biotransfonnation products by a Silane alba strain (Verdeil eta/., 1985).

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Les travaux actuels montrent une tres large capacite des systemes enzymatiques des cel­lules vegetates a biotransfonner de nombreux substrats (Suga et Hirata , 1990), ceux-ci pouvant etre d'origine naturelle, obtenus par hemisynthese ou faire partie des xenobio­tiques. Trois exemples peuvent illustrer ces capacites :

- demethylation de Ia papaverine (Verdeil et a/., 1985 ; Verdeil et R •

a/., 1986) ; Ia figure 3 montre les deux composes obtenus par Ia demethylation regiospecifique de Ia papaverine par une souche de Silene alba ; cette suspension cel­lulaire s'est montree Ia seule capable d'effectuer cette reaction MeS

parmi 35 souches appartenant a l 0 especes vegetates differentes (Cosson, 1991) utilisees pour ces R1 R2

essais; - demethylation et glucosylation de Ia thiocolchicine (Solet et a/., 1993) : Ia meme souche de Silene alba a realise deux ensembles de bioconversion : Ia demethylation regiospecifique en 2 et 3 (Fig. 4) de Ia thiocolchicine ( l) suivie de

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J

Me

Me

S.glucosyl

Me

S.giiiCOSyl

Me

Fig. 4.- La thiocolchicine (1) et ses glucosides (2 et 3) obtenus par une suspension cellulaire de Centella asiatica (Solei eta/., 1993).

Fig. 4.- Thiocolchicine (1) and its glucosides (2 and 3) obtained by a Centella asiatica cell suspension culture (Solei eta/., 1993).

Ia glucosylation sur ces memes sites.

Des substrats totalement xenobiotiques et eventuellement toxiques pour les microorga­nismes ou les cellules animates peuvent etre biotransfonnes (Dantas Barros ,1991). C'est le cas du 1,5-diphenylsulfinyl-3-methyl--3-nitropentane qui est regioselectivement oxyde sur une des fonctions sulfinyl (Bourgogne eta/., 1989).

V. CONCLUSION

Les biotechnologies vegetates, et tout particulierement Ia culture in vitro des cellules vege­tates, des organes transfonnes ou non, peuvent biosynthetiser et produire des composes identiques a ceux de Ia plante entiere ou de nouvelles molecules. Sur le plan de Ia connais-

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sance, cela elargit Ia notion de Ia totipotence de Ia cellule vegetate, permet une etude plus approfondie et plus aisee de Ia regulation de ces biosyntheses et en facilite l'approche par Ia biologie moleculaire. Par contre, en ce qui conceme Ia production industrielle, il n'en existe a l'heure actuelle qu'un petit nombre (Tableau 2), au Japon. En effet ces procedes de production sont d'un prix de revient tres eleve et ne peuvent done concemer que des pro­duits a haute valeur ajoutee et dont le marcbe est suffisamment important pour permettre l'amortissement des frais engages.

Tableau 2.· Productions industrielles de metabolites secondaires par cultures cellulaires (au Japan). Table 2.· Secondary metabolites industrial production by plant cell culture (in Japan ).

Compose Volume (en l))

Shikonine 700 et

Berberine 400 Ginseng 20 000

(biomasse) Geraniol 500 Anthocyanes 30

Utilisation

Cosmetiques

Colorants Dietetique

Cosmetiques Colorants

Societe

MITSUI

NITTODENKO

KANEBO NIPPON-PAINT

BIBLIOGRAPHIE

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