Tesis:
Host range and transmission pathways as drivers of virus infection patterns in a heterogeneous ecosystem
- Autor: ZAMFIR VELEA, Adrian Dănuţ
- Título: Host range and transmission pathways as drivers of virus infection patterns in a heterogeneous ecosystem
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS
- Departamentos: BIOTECNOLOGIA-BIOLOGIA VEGETAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/79814/
- Director/a 1º: GARCÍA-ARENAL RODRÍGUEZ, Fernando
- Resumen: Las enfermedades causadas por virus en las plantas afectan considerablemente a la seguridad alimentaria mundial, a la economía y a la dinámica de los ecosistemas, reduciendo el rendimiento de los cultivos, disminuyendo la calidad de los productos y alterando las comunidades vegetales naturales. La emergencia de virus depende de una compleja interacción de factores ecológicos y evolutivos que favorecen su adaptación a nuevos huéspedes. Un factor crítico para entender la emergencia de los virus es la gama de huéspedes, dependiente tanto de las características genéticas del virus como de múltiples factores ecológicos. Los estudios sobre los determinantes de la gama de huéspedes han destacado la importancia de los factores genéticos en la regulación de la especificidad de la infección. Sin embargo, la información relativa a los factores ecológicos que afectan a la gama de huéspedes de los virus sigue siendo limitada, especialmente en comunidades de plantas silvestres. Los recientes avances en las tecnologías de secuenciación de alto rendimiento (HTS) han cambiado esta tendencia, permitiendo la identificación no sesgada de comunidades de virus y sus interacciones en diversas comunidades vegetales. La finalidad general de esta tesis doctoral es lograr una mejor comprensión de las dinámicas de transmisión de virus en ecosistemas agrarios, y cómo afecta al uso de huéspedes y al ensamblaje de las comunidades de virus. Este objetivo general se abordó mediante el análisis de doce virus pertenecientes a siete géneros virales, y que muestran diferentes modos de transmisión, en cuatro hábitats (Cultivos, Lindes, Encinares y Eriales) pertenecientes a un ecosistema agrícola heterogéneo.
La estimación de la gama de huéspedes de estos doce virus focales se llevó a cabo en base a los resultados de detección en las bibliotecas de HTS usando un método de dos pasos que llamamos HTS2C. La gama de huéspedes se validó posteriormente mediante ensayos por RT-PCR que permitieron también estimar la incidencia. Se estableció la eficacia y fiabilidad del método HTS2C en la detección de distintas unidades taxonómicas operativas virales (OTUs). Los virus analizados muestran estrategias ecológicas, siendo mayoritariamente generalistas, junto con unos pocos especialistas que infectan a un subconjunto de los huéspedes de los generalistas. Se observó que la distribución de los huéspedes de los virus en función del hábitat es específica. Mientras que la mayoría de los virus transmitidos por contacto presentaron un número similar de huéspedes en los cuatro hábitats, los virus transmitidos por pulgones de forma persistente, o por polen, tuvieron su máxima gama de huéspedes en las Lindes. Los análisis de agrupación jerárquica de los huéspedes de cada virus revelaron que las gamas de huéspedes no se agrupan según la taxonomía de los virus, lo que indica la relevancia de factores extrínsecos al virus en su determinación.
Los análisis de redes de infección virus-planta revelaron una estructura mixta anidada y modular, poniendo de manifiesto una estructura espacial de las interacciones virus-planta, con módulos de interacción que se corresponden con el hábitat. Además, un análisis más detallado de los módulos permitió identificar los huéspedes preferidos de cada especie de virus, que se encuentran mayoritariamente en las Lindes. Este resultado, junto a la asimetría de la distribución de la gama de huéspedes de los virus transmitidos por pulgones y polen, indica que las Lindes contienen comunidades de plantas que son un reservorio de virus para los cultivos y los demás hábitats.
Como los ensayos RT-PCR se realizaron en extractos de ARN de muestras individuales de plantas, se estimó la incidencia de estos virus en cada huésped a escala de sitio, hábitat y ecosistema. El análisis detallado de los patrones de infección mostró que todas las especies de virus generalistas, independientemente del género y modo de transmisión, tienen un patrón específico de uso preferencial de determinados huéspedes, en los que se especializan. Además, los conjuntos de huéspedes preferenciales de cada virus dependen del hábitat. Es decir, estos virus se comportan como generalistas facultativos que usan sus huéspedes potenciales en función de su disponibilidad en la comunidad de plantas. El análisis mediante modelos de regresión de los factores que determinan la incidencia indica un papel del género de los virus, es decir de su historia evolutiva, y del modo de transmisión, pero en casi todos los análisis el hábitat explicaba un porcentaje elevado de la varianza de la incidencia, subrayando la importancia de los factores ecológicos. Además, la matriz de las interacciones virus-planta según detecciones por RT-PCR permitió obtener patrones de coocurrencia y coinfección. Se descubrió que la coinfección por virus es común en este ecosistema, y que está asociada a su modo de transmisión.
Todos los análisis precedentes subrayaron el papel de los factores ecológicos en los patrones de infección, pero también indicaron la existencia de uso preferencial de huéspedes, que podrían afectar a la diversidad genética y la estructura de las poblaciones de virus. En base a los datos de HTS se estudió la diversidad genética, y se observó que las poblaciones de los virus analizados no estaban estructuradas según el hábitat ni el huésped, lo que no apoya la adaptación a huésped ni que en la determinación de la gama de huéspedes tengan un papel fuertes compromisos de adaptación entre huéspedes. Por tanto, estos resultados apoyan la teoría del ajuste ecológico en la determinación de las gamas de huéspedes observadas de los virus analizados, todos ellos transmitidos por contacto.
En resumen, los resultados de esta tesis destacan que la gama de huéspedes de virus de plantas es plástica, influida por factores genéticos y ecológicos. Las Lindes actúan como reservorio de virus, y las coinfecciones son comunes en este ecosistema. Por último, la plasticidad fenotípica de estos virus podría favorecer los saltos de huésped y por tanto preceder a la emergencia viral.
ABSTRACT
Plant viruses significantly affect global food security, economy, and ecosystem dynamics by reducing crop yields, lowering product quality, and altering natural plant communities. The emergence of plant viruses is thought to be influenced by a complex interplay of ecological and evolutionary factors, which promote their adaptation to new hosts. A critical factor in understanding viral emergence is host range, affected by both genetic traits of the virus and extrinsic ecological factors. Traditionally, research studies have highlighted the importance of genetic factors in regulating the specificity of infection. However, information regarding ecological factors affecting the host range of viruses remains limited, especially in wild plant communities. Recent progress in high throughput sequencing (HTS) technologies have changed this trend, enabling unbiased identification of viruses and their interactions in various plant communities. By examining twelve viruses belonging to seven different genera and showing different transmission modes in four different habitats (Crops, Edges, Oakwoods and Wastelands) of an heterogeneous ecosystem, this PhD thesis aimed to achieve a better understanding of virus transmission dynamics in agricultural ecosystems, and how it affects host use and the assemblage of virus communities.
The estimation of the host range and incidence of these twelve focal viruses was carried out based on HTS data using a two-step pipeline that we call HTS2C detection, which was further validated by RT-PCR assays and Sanger sequencing analyses. The efficacy and reliability of the HTS2C method was established in detecting virus OTUs. The host distribution of viruses was observed to be habitat-specific. While most contact-transmitted viruses had hosts in all four habitats, viruses transmitted persistently by aphids, or by pollen, showed their largest realized host ranges in Edge. Hierarchical clustering of host ranges revealed that host ranges did not cluster according to virus taxonomy, which indicates that host range does not depend only on virus intrinsic factors. Network-based analyses revealed a mixed structure, nested and modular, of plant virus interactions, with modules indicating a spatial structure defined by habitat. A more detailed analysis of modules identified preferred hosts, which for all viruses were mostly from Edges. This result together with the asymmetrical distribution of pollen and aphid transmitted viruses across habitats indicates that Edge has the role of a reservoir community for virus infection in Crop and the other habitats.
As RT-PCR assays were performed on RNA extracts from individual plant samples, virus incidence was estimated in each host at the site, habitat and the ecosystem scales. A detailed analysis of infection patterns highlighted that all generalist viruses, regardless of genus or mode of transmission, have a differential use of hosts, with preferred hosts that depend on the habitat. This differential host use is indicative of host specialization, these viruses behaving as facultative generalists that make use of hosts according to their availability in the plant community. The factors determining incidence were further analyzed using regression models, which showed in most cases an important role of habitat in addition to virus taxonomy and mode of transmission, underscoring the role of ecological factors in determining host use. Furthermore, the outcome of all RT-PCR detections provided a comprehensive dataset of virus infections across multiple plant species, which was subsequently used for identifying virus communities at the individual plant level, that is, coinfections and the factors that determine them. Virus coinfection was found to be common in this ecosystem, and was associated to the mode of transmission.
All of the preceding analyses underscored the role of ecological factors in infection patterns, but they also indicate the existence of preferential host use patterns, which may have an impact on the genetic diversity and structure of the virus populations. Based on HTS data virus genetic diversity and structure was analyzed. It was found that the populations of the analyzed viruses were not structured according to habitat or to host plant species, which does not support a hypothesis of host adaptation or of strong across-host fitness trade-offs in the determination of host ranges. These findings support the theory of ecological fitting in the observed realized host ranges of the analyzed viruses, all of them contact-transmitted.
In summary, the results of this thesis highlight that host range of plant viruses is a plastic trait, influenced by both genetic and ecological factors. The Edge habitat acts as a community reservoir for viruses, and coinfections are common in this ecosystem. Finally, the phenotypic plasticity of these viruses might favor host jumps and precede viral emergence.