Tesis:
Plant genetic and epigenetic control of plant virus seed transmission
- Autor: GUTIÉRREZ SANCHEZ, Álvaro
- Título: Plant genetic and epigenetic control of plant virus seed transmission
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS
- Departamentos: BIOTECNOLOGIA-BIOLOGIA VEGETAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/78307/
- Director/a 1º: PAGÁN MUÑOZ, Jesús Israel
- Resumen: La capacidad de transmitirse es una característica intrínseca a cualquier patógeno, ya que determina su eficacia biológica. Los virus de plantas no son una excepción y han evolucionado diversos modos de transmisión. El mejor caracterizado es la transmisión horizontal de planta a planta, que se produce principalmente por vectores o por contacto. Sin embargo, los virus de plantas también pueden transmitirse verticalmente, es decir, pasando de los parentales a su descendencia a través de las semillas. Este modo de transmisión forma parte del ciclo de vida de al menos el 25% de los virus de plantas conocidos. Es más, para algunos de ellos es la única forma de infectar nuevos huéspedes. La transmisión vertical es de gran importancia epidemiológica: permite a los virus de plantas sobrevivir dentro de la semilla mientras esta se mantenga viable, y viajar grandes distancias por ejemplo mediante la dispersión por aves. Estas características favorecen la emergencia de enfermedades virales en nuevas poblaciones de plantas. A pesar de la relevancia de este modo de transmisión, muchos aspectos de la interacción planta-virus que permiten al patógeno infectar las semillas siguen sin entenderse bien. Esta tesis tiene como objetivo analizar algunos de estos aspectos utilizando como modelo los virus del mosaico del pepino (Cucumber mosaic virus, CMV) y del mosaico del nabo (Turnip mosaic virus, TuMV), y la planta Arabidopsis thaliana, que es huésped natural de ambos.
El proceso de transmisión por semilla requiere una interacción íntima entre el virus y la planta: para que un virus de plantas optimice su transmisión vertical, necesita modular el efecto de la infección sobre el huésped de tal manera que este produzca tantas semillas como sea posible. Por tanto, la optimización de la eficacia biológica del virus conlleva un aumento en la del huésped, lo que puede dar lugar a dinámicas de coevolución huésped-patógeno. Se ha descrito que, en plantas autógamas como Arabidopsis, estos procesos se pueden dar en unas pocas generaciones, lo que ha dado lugar a la hipótesis de que la coevolución podría estar asociada a modificaciones epigenéticas en el genoma de la planta. En esta tesis, se ha explorado esta posibilidad mediante el mapeo de regiones diferencialmente metiladas en el genoma de plantas de un ecotipo de Arabidopsis coevolucionadas o no con un genotipo de CMV que se transmitió de una generación de plantas a la siguiente estrictamente por semilla. El análisis identificó una red de interacciones proteína-proteína asociada a la adaptación de la planta al modo de transmisión de virus cuya expresión podría estar modulada por procesos de metilación diferencial. La mayoría de las proteínas de la red están implicadas en procesos de respuesta a estrés o de reproducción de la planta. La adaptación al virus conlleva la hipermetilación de los genes que codifican para las primeras y la hipometilación de los que codifican para las segundas. Además, algunos de estos cambios en el patrón de metilación no requieren una infección, y se fijan en el genoma de la planta después de la exposición al virus, aunque este ya no esté presente. Estos análisis suponen el primer estudio de la implicación de procesos epigenéticos en la coevolución planta-virus.
Los análisis de coevolución llevados a cabo en esta tesis implicaban solo un ecotipo de Arabidopsis recolectado en la naturaleza. En poblaciones naturales de esta especie de planta, CMV es el virus más prevalente. Entonces, podría ser posible que otros cambios en el patrón de metilación ocurridos durante la coevolución de la planta y el virus en la naturaleza, y que afectaran a la transmisión por semilla de CMV, no pudieran ser detectados usando un único ecotipo de Arabidopsis. Para analizar esta posibilidad, se realizó un estudio de asociación del epigenoma completo (Epigenome-Wide Association Studies, EWAS). Este estudio permitió identificar genes candidatos adicionales a los detectados mediante los estudios de coevolución, cuya modulación en el nivel de expresión mediante modificaciones del patrón de metilación podría afectar a la eficacia de transmisión por semilla del virus. En consonancia con los resultados obtenidos en el experimento de coevolución, estos genes están mayormente implicados en procesos de defensa frente a estreses bióticos y abióticos, de reproducción y de desarrollo de la planta. Muchos de ellos afectaban a procesos de germinación de la semilla y desarrollo de la plántula, lo que implicaría que eventos ocurridos después de la maduración de las semillas también estarían modulados por procesos de metilación diferencial y determinarían la eficacia de transmisión por semilla. Además, se identificaron genes implicados en la biogénesis de la pared celular, lo que sugiere un papel importante de esta estructura en la transmisión por semilla.
Los determinantes de la transmisión vertical no se encuentran sólo en el huésped, sino que también se encuentran en el genoma viral. Para identificar estos marcadores se utilizó TuMV como virus modelo. Se partió de una hipótesis clásica (la Hipótesis del Continuo) que predice que los determinantes de la transmisión horizontal y vertical de un patógeno serían los mismos, pero no podrían optimizarse simultáneamente; ya que la transmisión vertical requiere que se produzcan semillas y la horizontal no. Los determinantes de transmisión horizontal de TuMV están muy bien caracterizados, así que se analizó si mutaciones en los dominios que controlan este proceso afectan también a la transmisión por semilla. Los resultados indicaron que solo las mutaciones de la HC-Pro que bloquean la capacidad del virus de transmitirse por pulgones afectan también a la transmisión por semilla. Sin embargo, en vez de optimizarla, la reducen. Por tanto, los determinantes de la transmisión por pulgones también pueden controlar la transmisión por semilla pero, en contra de la Hipótesis del Continuo, la desoptimización de un modo de transmisión parece conllevar también la desoptimización del otro. La HC-Pro está implicada en procesos de metilación del ARN durante la infección, lo que abre la puerta a un control epigenético de la transmisión por semilla por parte del virus.
Finalmente, dado que los análisis de EWAS sugerían que los procesos que ocurren después de la maduración de las semillas tienen gran importancia para la eficacia de transmisión vertical, se abordó esta cuestión. Para ello, se analizó si alteraciones de las condiciones ambientales (temperatura, CO2 y/o la luz) en las que se encuentran las semillas maduras antes de la germinación, afectaban a su supervivencia en presencia y ausencia de virus. Los resultados indicaron que estos efectos son más fuertes en las semillas más viejas que en las más jóvenes: la presencia del virus favorece la supervivencia de semillas viejas en condiciones de estrés biótico y no afecta la de las jóvenes. Por lo tanto, los resultados indican que la presencia del virus en la semilla no siempre es perjudicial para el huésped: Puede proporcionar una mayor tolerancia a estreses abióticos. La mayor supervivencia de las semillas infectadas también incrementa la eficacia de transmisión vertical. Cambios en la tasa de transmisión por semilla pueden tener consecuencias importantes para la epidemiología de los virus de plantas, ya que modulan la prevalencia del virus. Modelos matemáticos desarrollados en esta tesis efectivamente indican que una mayor supervivencia de las semillas incrementa la prevalencia del virus. Por tanto, en condiciones de estrés abiótico, la transmisión por semillas sería beneficiosa tanto para la planta como para el virus.
En resumen, los resultados de esta tesis contribuyen a incrementar el conocimiento científico de un modo de trasmisión de virus de plantas tan importante como poco conocido, y destacan que se trata de un proceso multifactorial determinado por componentes genéticos y epigenéticos del virus y del huésped, así como por efectos de las condiciones ambientales.
ABSTRACT
Transmission capacity is a key factor for pathogens, as it ultimately determines their biological fitness. Plant viruses are no exception and they have evolved various mechanisms to ensure their transmission. The best characterized mechanism is plant-to-plant horizontal transmission that occurs mainly by vectors or by contact. However, vertical transmission, the passage of the virus from-parents-to-offspring via seeds, is part of the life cycle of at least 25% of all known plant viruses. Moreover, for some viruses it is the only way to infect new hosts. This mode of transmission is of great epidemiological importance: it allows plant viruses to survive within the seed as long as it remains viable and to disperse long distances, for example through birds. These characteristics favor the emergence of viral diseases in new plant populations. Despite the relevance of this mode of transmission, many aspects of the plant-virus interactions that allow the pathogen to infect seeds remain poorly understood. This thesis aims to analyze some of these aspects using Cucumber mosaic virus (CMV) and Turnip mosaic virus (TuMV), and the plant Arabidopsis thaliana that is a natural host for both, as models.
The seed transmission process requires an intimate interaction between the virus and the plant: For a plant virus to maximize its vertical transmission, it needs to modulate the effect of infection on the host in such a way that the host produces as many seeds as possible. Therefore, the optimization of the virus fitness requires increasing that of the host, which may result in host-pathogen co-evolution. It has been reported that in autogamous plants, such as Arabidopsis, this process can occur in a few generations, which prompted to hypothesize that co-evolution could be associated with epigenetic modifications in the plant genome. In this thesis, this possibility has been explored by mapping differentially methylated regions (DMRs) in the genome of Arabidopsis plants from a single ecotype co-evolved or not with a CMV genotype that was transmitted from one plant generation to the next strictly via seed. The analysis identified a network of protein-protein interactions, whose expression could be modulated by methylation processes, which is associated with the adaptation of the plant to the virus mode of transmission. Most of the proteins in this network are involved in plant reproduction or stress response processes. Adaptation to the virus involves hypermethylation of the genes involved in the former and hypomethylation of those involved in the latter. Furthermore, some of the DMRs are fixed in the plant genome after exposure to the virus even when the pathogen is no longer present. These analyses represent the first study of the role of epigenetic processes in plant-virus co-evolution.
The co-evolution analyses done in this thesis involved only one Arabidopsis ecotype retrieved from a wild population. In wild Arabidopsis populations, CMV is the most prevalent virus. Thus, it is reasonable to hypothesize that other changes in the methylation pattern that occurred during plant-virus co-evolution in nature, and that affect CMV seed transmission, could not be detected in the experiments described in the previous paragraph. To test this possibility, an Epigenome-Wide Association Study (EWAS) was performed. This study allowed to identify additional candidate genes whose expression level is modulated via DMRs and are associated with virus seed transmission rate. In line with the results obtained in the plant-virus co-evolution experiment, these genes are mainly involved in defense processes to biotic and abiotic stresses, and in plant reproduction and development. Many of the genes in this latter group affected seed germination and seedling development, which suggests that the processes that occur after seed maturation also determine the virus seed transmission rate. Genes involved in cell wall biogenesis were also identified, pointing to an important role of this structure in seed transmission.
The virus seed transmission rate is not only controlled by host, but also by virus, determinants. To identify these markers in the TuMV genome, this thesis used as starting point a classical hypothesis in host-pathogen co-evolution: The Continuum Hypothesis. This hypothesis predicts that the determinants of horizontal and vertical transmission of a pathogen would be the same but could not be simultaneously optimized; since the vertical transmission requires seeds to be produced and the horizontal transmission does not. The determinants of TuMV horizontal transmission are very well characterized, so it was analyzed whether mutations in the domains that control this process, located in the viral coat protein (CP) and helper component proteinase (HC-Pro), also affect seed transmission. The results indicated that only HC-Pro mutations that block the ability of the virus to be transmitted by aphids also affect seed transmission. However, instead of optimizing vertical transmission, these mutations reduce it. Therefore, the determinants of transmission by aphids can also control seed transmission but, at odds with the Continuum Hypothesis, deoptimization of one mode of transmission seems to also lead to deoptimization of the other.
Finally, given that the EWAS analyses suggested a high relevance of processes that occur after seed maturation in determining seed transmission rate, this posibility was explored. For this, the effect of subjecting dry seeds to altered environmental conditions (temperature, CO2 and light) in the germination rate of infected and non-infected seeds was analyzed. The results indicated that these effects are stronger in older than in younger seeds: Virus presence in older seeds confers higher tolerance to altered environmental conditions and greater germination rates, whereas no significant effect is observed in younger ones. Thus, the results indicate that the presence of the virus in the seed is not always detrimental to the host, but it can improve plant fitness. When occurred, changes in germination rates resulted in higher seed transmission. These modifications in the rate of seed transmission may have important consequences for the epidemiology of seed-borne plant viruses, as they may modulate the prevalence of the pathogen. Mathematical models developed in this thesis indicated that higher vertical transmission associated with greater seed germination rate increases virus prevalence in the plant population. Hence, under altered environmental conditions, seed transmission would be beneficial for both the plant and the virus.
In summary, the results of this thesis contribute to increasing scientific knowledge of a mode of transmission of plant viruses that is as important as it is little known, and highlight that it is a multifactorial process determined by genetic and epigenetic components of the virus and the host.