Mechanism of tolerance in Arabidopsis to cucumber mosaic virus infection

Shukla, Aayushi (2018). Mechanism of tolerance in Arabidopsis to cucumber mosaic virus infection. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.49577.

Description

Title: Mechanism of tolerance in Arabidopsis to cucumber mosaic virus infection
Author/s:
  • Shukla, Aayushi
Contributor/s:
  • García-Arenal Rodríguez, Fernando
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Department: Biotecnología - Biología Vegetal
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Los virus son a menudo patógenos virulentos de las plantas, y éstas han desarrollado mecanismos defensivos que evitan o minimizan los efectos negativos de las infecciones virales. Las principales defensas de las plantas a los parásitos son la resistencia y la tolerancia. La resistencia es la capacidad del huésped de reducir la multiplicación del parásito, mientras que la tolerancia es la capacidad del huésped de reducir los efectos negativos de la infección en su eficacia biológica. Mientras la resistencia de las plantas a los virus ha recibido gran atención por parte de la investigación, poco se sabe de la tolerancia a los virus. En esta tesis hemos querido entender los mecanismos de tolerancia de Arabidopsis thaliana (L.) Heynh (Arabidopsis) al virus del mosaic del pepino, Cucumber mosaic virus (CMV). En primer lugar hemos analizado la especificidad de las defensas de Arabidopsis a virus. Para ello se infectaron seis genotipos silvestres de Arabidopsis con cinco virus que difieren en la estructura y expresión de sus genomas, gama de huéspedes y forma de transmisión. Sólo se observó una tolerancia efectiva ante CMV, y los resultados demostraron que los genotipos tolerantes redujeron el impacto de la infección en la producción de semillas reprogramando su desarrollo y dedicando una cantidad proporcionalmente mayor de recursos a reproducción que a crecimiento, en comparación con las plantas no infectadas. La mutliplicación de los virus varió según la interacción virus x genotipo de huésped. Los resultados indican que la tolerancia efectiva es una respuesta de Arabidopsis específica de virus. El análisis de los determinantes genéticos de tolerancia a CMV en Arabidopsis había identificado tres loci de caracteres cuantitativos que se localizaban con tres genes represores de la floración FLOWERING LOCUS C (FLC), FRIGIDA (FRI) y Homeotic Agamous pathway gene (HUA2). Por tanto hemos analizado el papel de los genes de floración en la tolerancia a CMV. Para ello se han infectado con CMV distintos genotipos de Arabidopsis con alelos funcionales o no funcionales de FLC, FRI or HUA2 en el contexto genético de Landsberg erecta o de Columbia. Los datos mostraron que la expresión de tolerancia requiere alta expresión de alelos funcionales de FLC, lo que se asocia con el aumento del periodo de crecimiento vegetativo y una mayor longevidad. El análisis de distintos alelos de FLC que difieren en cuanto a su capacidad de regular el tiempo de floración mostró que el efecto de FLC en tolerancia parece depender de una vía distinta que la represión de la floración. Por ultimo se ha cuantificado el nivel y el patrón de expresión de dos represores y dos promotores principales de la floración en los genotipos Landsberg erecta, no tolerante, y Llagostera, tolerante, a distintos tiempos tras la infección por CMV. Los resultados indican que tras la infección por CMV el genotipo tolerante se aumenta y retrasa la expresión de los represores de la floración, mientras lo contrario ocurre con los promotores. Este trabajo proporciona nueva evidencia de las relaciones entre vías de defensa a patógenos y de floración, un área de investigación poco explorada. Un mayor conocimiento de la relación entre floración y defensa es relevante para el desarrollo de nuevas estrategias que disminuyan el impacto de las infecciones virales en las plantas. ----------ABSTRACT---------- Viruses are often virulent parasites of plants. Plants have developed mechanisms to prevent or minimise the negative effects of virus infection. Resistance and tolerance are the two main plant defenses to parasites. Resistance is the ability of the host to limit the multiplication of the parasite within the host and tolerance is the ability of the host to diminish the negative impact of parasite infection on its fitness. Although resistance to plant viruses has been extensively studied, tolerance to plant viruses has received much less attention. In this thesis, we attempted to deduce the mechanism of tolerance to Cucumber mosaic virus (CMV) in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh (Arabidopsis). Firstly, we analysed the specificity of defense responses to viral infections in Arabidopsis. To address this, we challenged six Arabidopsis wild genotypes with five viruses with different genomic structures, gene expression, host range and transmission modes. Effective tolerance was observed only upon CMV infection, and analyses showed that tolerant genotypes reduced the impact of infection on seed production by reprogramming their development and reallocating proportionally more resources to reproduction than to growth, as compared to non-infected plants. Virus multiplication varied according to the virus x host genotype interaction. Our results indicated that effective tolerance is a virus- specific defense response in Arabidopsis. While characterizing the genetic determinants of tolerance to CMV, the major quantitative trait loci co-mapped with three flowering repressor genes, FLOWERING LOCUS C (FLC), FRIGIDA (FRI) and Homeotic Agamous pathway gene (HUA2). Therefore, we analysed the role of flowering genes in the tolerance of Arabidopsis to CMV. To address this, we challenged genotypes of Arabidopsis, carrying functional or non-functional FLC, FRI or HUA2 alleles in the Landsberg erecta or Columbia background, with CMV. Analyses showed that the expression of genotype- specific tolerance required a high FLC expression of a functional FLC allele and was associated with an increase in vegetative growth period and a longer lifespan. Furthermore, an analysis of different functional alleles of FLC in terms of efficacy of flowering time regulation showed that the effect of FLC in tolerance appeared to be from a different pathway than flowering repressing pathway. Lastly, we monitored the level and pattern of flowering gene expression of two major flowering promotors and repressors in a time-course experiment in nontolerant Landsberg erecta and tolerant Llagostera genotypes. Results suggested CMV infection indeed modulated the gene expression of flowering regulators during Arabidopsis development, so that in the tolerant genotype flowering repressor expression was both enhanced and delayed, with the opposite effects in flowering promoters. Our study elucidates novel evidences of links between defense pathways and flowering gene pathways. This is an under-pursued area and evidences in plant pathogenic interactions linking biotic stress and flowering gene pathways are very limited. An enhanced understanding of these processes and the link between them is relevant in future to strategize for avoiding pathogen- induced yield penalties in plants.

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Item ID: 49577
DC Identifier: http://oa.upm.es/49577/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:49577
DOI: 10.20868/UPM.thesis.49577
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 04 Jun 2018 07:27
Last Modified: 05 Dec 2018 23:30
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