Enhancing Nicotiana benthamiana as chassis for Molecular Farming: targeting flowering time for increased biomass and recombinant protein production

Abstract

[ES] Plant Molecular Farming (PMF) es la producción de proteínas de interés industrial y valor comercial en plantas. Su objetivo es proporcionar un enfoque seguro y rentable para la producción de proteínas recombinantes a gran escala. Las plantas del género Nicotiana, especialmente Nicotiana tabacum y Nicotiana benthamiana, han adquirido una importancia creciente como plataformas de producción de PMF debido a sus ventajas, como el alto rendimiento de biomasa, la facilidad de transformación y la expresión robusta de proteínas. Sin embargo, en la actualidad N. tabacum y N. benthamiana no son hospedadores ideales para el cultivo molecular. Los objetivos de mejora genética, como retrasar o suprimir la floración para aumentar la biomasa de la planta, podrían convertir a N. benthamiana en un chasis de primera para fines de cultivo molecular. En este trabajo de investigación nos centramos en este objetivo. En el primer capítulo, realizamos un análisis de todo el genoma de los genes SQUAMOSA PROMOTER BINDING-LIKE (SPL), implicados en la transición de fase vegetativa y el tiempo de floración, en esta especie y en su pariente cercana N. tabacum, identificando 49 genes SPL en N. tabacum y 43 genes SPL en N. benthamiana. Los genes SPL de las dos especies se clasificaron en ocho grupos filogenéticos de acuerdo con la clasificación de SPL en Arabidopsis thaliana. La estructura génica exón-intrón y los dominios de unión al ADN se conservaron en gran medida entre homeólogos y ortólogos, y también se identificaron las dianas potenciales del microARN156, implicado en la transición de fase vegetativa. La expresión de genes SPL en hojas se analizó mediante RNA-seq en tres fases de crecimiento diferentes, revelando que los genes que no estaban bajo el control de miR156 se expresaban en general de forma constitutiva a niveles altos, mientras que los genes regulados por miR156 mostraban niveles de expresión más bajos, a menudo regulados por el desarrollo. Seleccionamos el gen SPL13_1a de N. benthamiana como diana para un experimento de knockout CRISPR/Cas9. El knock out completo de este único gen condujo a un retraso significativo en el tiempo de floración de 2-5 días y a un aumento de la ramificación. En el segundo capítulo, mostramos más ediciones de genes CRISPR/Cas9 realizadas en N. benthamiana con el objetivo de la abolición de la floración. Se eliminaron los inductores florales FLOWERING LOCUS T 4 y 5 (NbFT4 y NbFT5_1a/1b) solos y en combinación con NbSPL13_1a. En la línea más editada FT4-FT5-SPL13 40-1 el tiempo de floración se duplicó en comparación con las plantas de tipo silvestre. Sin embargo, no se logró la abolición total de la floración. El retraso de la floración tuvo consecuencias en varios aspectos del crecimiento de la planta, que cuantificamos a través de diversos parámetros: las líneas altamente editadas presentaron un aumento de la biomasa, la altura, el número de hojas y el área foliar total en comparación con las menos editadas y el tipo silvestre. Además, se evaluó el potencial de las líneas generadas para expresar proteínas heterólogas. Inesperadamente, no fueron capaces de mantener altos niveles de expresión después de la quinta semana. En el futuro, se apilarán en nuestras líneas knockouts en otros actores importantes en el inicio de la floración, como NbSPL9/15 y NbSPL3/4/5.

[CA] Plant Molecular Farming (PMF) és la producció de proteïnes d'interès industrial i valor comercial a plantes. El seu objectiu és proporcionar un enfocament segur i rendible per a la producció de proteïnes recombinants a gran escala. Les plantes del gènere Nicotiana, especialment Nicotiana tabacum i Nicotiana benthamiana, han adquirit una importància creixent com a plataformes de producció de PMF a causa dels seus avantatges, com ara l'alt rendiment de biomassa, la facilitat de transformació i l'expressió robusta de proteïnes. No obstant això, actualment la N. tabacum i la N. benthamiana no són hostes ideals per al cultiu molecular. Els objectius de millora genètica, com ara endarrerir o suprimir la floració per augmentar la biomassa de la planta, podrien convertir N. benthamiana en un xassís de primera per a fins de cultiu molecular. En aquest treball de recerca ens centrem en aquest objectiu. Al primer capítol, realitzem una anàlisi de tot el genoma dels gens SQUAMOSA PROMOTER BINDING-LIKE (SPL), implicats en la transició de fase vegetativa i el temps de floració, en aquesta espècie i en el seu parent proper N. tabacum, identificant 49 gens SPL a N. tabacum i 43 gens SPL a N. benthamiana. Els gens SPL de les dues espècies es van classificar en vuit grups filogenètics d'acord amb la classificació de SPL a Arabidopsis thaliana. L'estructura gènica exón-intron i els dominis d'unió a l'ADN es van conservar en gran mesura entre homeòlegs i ortòlegs, i també es van identificar les potencials dianes del microARN156, implicat en la transició de fase vegetativa. L'expressió de gens SPL en fulles es va analitzar mitjançant RNA-seq en tres fases de creixement diferents, revelant que els gens que no estaven sota el control de miR156 s'expressaven en general de forma constitutiva a nivells alts, mentre que els gens regulats per miR156 mostraven nivells més baixos d'expressió, sovint regulats pel desenvolupament. Seleccionem el gen SPL13_1a de N. benthamiana com a diana per a un experiment de knockout CRISPR/Cas9. El knock out complet d'aquest gen va conduir a un retard significatiu en el temps de floració de 2-5 dies ia un augment de la ramificació. Al segon capítol, mostrem més edicions de gens CRISPR/Cas9 realitzades a N. benthamiana amb l'objectiu de l'abolició de la floració. Es van eliminar els inductors florals FLOWERING LOCUS T 4 i 5 (NbFT4 i NbFT5_1a/1b) sols i en combinació amb NbSPL13_1a. A la línia més editada FT4-FT5-SPL13 40-1 el temps de floració es va duplicar en comparació amb les plantes de tipus silvestre. Tot i això, no es va aconseguir l'abolició total de la floració. El retard de la floració va tenir conseqüències en diversos aspectes del creixement de la planta, que vam quantificar a través de diversos paràmetres: les línies altament editades van presentar un augment de la biomassa, l'alçada, el nombre de fulles i l'àrea foliar total en comparació amb les menys editades i el tipus silvestre. A més, es va avaluar el potencial de les línies generades per expressar proteïnes heteròlogues. Inesperadament, no van ser capaços de mantenir alts nivells dexpressió després de la cinquena setmana. En el futur, s'apilaran a les nostres línies knockouts en altres actors importants a l'inici de la floració, com NbSPL9/15 i NbSPL3/4/5.

[EN] The term Plant Molecular farming (PMF) refers to the production of industrially relevant and commercially valuable recombinant products in plants. Its purpose is to provide a safe and cost-effective approach for the manufacturing of recombinant bioproducts at a large scale. Plants of the Nicotiana genus, especially Nicotiana tabacum and Nicotiana benthamiana, have become increasingly important as production platforms for PMF due to their advantages such as high biomass yield, ease of transformation, and robust protein expression. However, at present, there is room for improvement for N. tabacum and N. benthamiana as ideal hosts for molecular farming. Breeding goals such as delaying or abolishing flowering to enhance plant biomass could convert N. benthamiana into a prime chassis for molecular farming purposes. This objective was the focus of this research. In the first chapter, a genome-wide analysis of SQUAMOSA PROMOTER BINDING-LIKE (SPL) genes was performed. These genes are involved in vegetative phase transition and flowering time, on this species and its close relative N. tabacum, identifying 49 SPL genes in N. tabacum and 43 SPL genes in N. benthamiana. The SPL genes of the two species were classified into eight phylogenetic groups according to the SPL classification in Arabidopsis thaliana. The exon-intron gene structure and the DNA-binding domains were highly conserved between homeologues and orthologues, and the potential targets of microRNA156, involved in vegetative phase transition, were also identified. The expression of SPL genes in leaves was analysed by RNA-seq at three different growth stages, revealing that genes not under miR156 control were in general constitutively expressed at high levels, whereas miR156-regulated genes showed lower expression levels, often developmentally regulated. The N. benthamiana SPL13_1a gene was selected as target for a CRISPR/Cas9 knockout experiment. The full knock out of this single gene lead to a significant delay in flowering time of 2-5 days and increased branching. In the second chapter, more CRISPR/Cas9 gene editions are performed in N. benthamiana with the objective of flowering abolition. Floral inducers FLOWERING LOCUS T 4 and 5 (NbFT4 and NbFT5_1a/1b) were knocked out alone and in combination with NbSPL13_1a. In the most edited line FT4-FT5-SPL13 40-1 flowering time was doubled compared to wild type plants. However, total abolition of flowering was not achieved. The delayed flowering had consequences on various aspects of plant growth, that were quantified through various parameters: highly edited lines had increased biomass, height, number of leaves and total leaves area compared to the less edited ones and wild type. Moreover, the generated lines were evaluated for their potential to express heterologous proteins. Unexpectedly, they were not able to maintain high expression levels after week five. In the future, knockouts in other important players in flowering initiation, such as NbSPL9/15 and NbSPL3/4/5, will be stacked in our lines.