Analysis of fitness trade-offs limiting host range expansion in pepperinfecting tobamoviruses

Bera, Sayanta (2018). Analysis of fitness trade-offs limiting host range expansion in pepperinfecting tobamoviruses. Tesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.49578.

Descripción

Título: Analysis of fitness trade-offs limiting host range expansion in pepperinfecting tobamoviruses
Autor/es:
  • Bera, Sayanta
Director/es:
  • García-Arenal Rodríguez, Fernando
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2018
Materias:
Escuela: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Departamento: Biotecnología - Biología Vegetal
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La adquisición de nuevos huéspedes, es decir, la expansión de su gama de huéspedes, proporciona a un virus más oportunidades de transmitirse y sobrevivir, pero puede estar limitada por compromisos de eficacia entre los distintos huéspedes. Una causa principal de compromisos de eficacia entre huéspedes es la pleiotropía antagonista, es decir, que las mutaciones tengan efectos fenotípicos contrarios en los distintos huéspedes, una interacción Genotipo x Entorno. La epistasia, es decir una interacción Genotipo x Genotipo, puede ser también causa de compromisos de eficacia entre huéspedes. Como casos relevantes de la expansión de la gama de huéspedes podemos citar la emergencia de virus en nuevas especies de huéspedes, y la superación de la resistencia, por la que el virus adquiere la capacidad de infectar a genotipos de huésped previamente resistentes. Se ha documentado en distintos virus que la superación de la resistencia puede comportar efectos negativos en la multiplicación del virus en un huésped susceptible. Sin embargo, a penas se han explorado sus efectos en otros componentes de la eficacia del virus, y entender la evolución de los virus requiere conocer los posibles compromisos entre distintos componentes de la eficacia. En este trabajo hemos analizado si existen compromisos de adaptación asociados a la adquisición de nuevas especies o genotipos de huéspedes, y cuáles son sus causas. Para ello nos hemos centrado en los tobamovirus que infectan a los cultivos de pimiento. En primer lugar hemos analizado si existen compromisos de adaptación del virus del mosaico verde atenuado del tabaco (Tobacco mild green mosaic virus, TMGMV) a sus dos huéspedes principales en el SE de España. Se han caracterizado molecularmente aislados de campo procedentes de los dos huéspedes, pimiento y Nicotiana glauca, que se han inoculado en los huéspedes homólogo y heterólogo. El análisis de la multiplicación de estos aislado muestra que los aislados de N. glauca están adaptados a su huésped, lo que no ocurre con los aislados de pimiento. Se analizó el papel en la multiplicación diferencial en ambos huéspedes de los amino ácidos de dos posiciones polimórficas de la proteína de la cápsida (CP) y de una duplicación en la región 3’ no codificante (3’UTR). El análisis se realizó en la colección de aislados de campo y por manipulación de clones de cDNA derivados de dos aislados de TMGMV. Los resultados muestran que el efecto de los tres dimorfismos en la multiplicación viral depende de interacciones de orden superior que implican pleiotropía y epistasia, del tipo G x G x E. Los costes de eficacia asociados a la superación de la resistencia se han estudiado en el virus del moteado atenuado del pimiento (Pepper mild mottle virus, PMMoV) introduciendo en un clon de cDNA activo biológicamente todas las mutaciones conocidas que determinan la superación de la resistencia conferida por los alelos L3 y L4 del pimiento. Los genotipos parental y mutantes se ensayaron en distintos huéspedes susceptibles, y se cuantificó el componente de eficacia asociado a multiplicación viral, y la virulencia. La eficacia intrahuésped no dependía de la capacidad de virus de superar los distintos alelos de resistencia sino de la mutación en cuestión, y del genotipo del huésped susceptible. Los resultados señalaron también que existen interacciones epistáticas entre las mutaciones de superación de la resistencia, que varían según el genotipo del huésped susceptible. Por tanto, los resultados muestran de nuevo interacciones de orden superior del tipo G x G x E entre las mutaciones. Se obtuvieron resultados similares en cuanto a la relación de las mutaciones de superación de la resistencia y la virulencia. Se analizó también si las mutaciones de superación de la resistencia, que se localizan en la CP, afectan a la estabilidad de la partícula viral y, por tanto, a su supervivencia en el medio. Las mutaciones afectaron a la estabilidad de la partícula. La estabilidad de las partículas de los distintos mutantes no se correlacionó con la eficacia intrahuésped ni con la virulencia, lo que indica que no hay compromisos entre distintas componentes de la historia vital del virus que puedan comprometer su evolución. En conjunto los resultados de esta Tesis permiten alcanzar una conclusión general importante: que la evolución de la gama de huéspedes en los tobamovirus estará limitada por interacciones de orden superior entre las mutaciones de gama de huéspedes, pero no por compromisos entre los distintos componentes de la eficacia biológica. ----------ABSTRACT---------- The acquisition of new hosts, or host range expansion, provides a virus with more opportunities for transmission and survival, but may be limited by across-host fitness trade-offs. A major cause of across-host trade-offs in viruses is antagonistic pleiotropy, that is, different phenotypic effects of mutations in different host environments, a Genotype x Environment interaction. In addition, epistasis (a Genotype x Genotype interaction) also may play a role in generating across-host fitness trade-offs. Relevant cases of host range expansion are the emergence of viruses in new host species and resistance-breaking (RB), in which viruses acquire the capacity to infect otherwise resistant plant genotypes. Negative effects of resistance-breaking mutations on withinhost virus multiplication have been documented for several plant viruses. However, understanding virus evolution requires analyses of potential trade-offs between different fitness components. In this work we have analysed if there are trade-offs, and what are the causes, associated to the acquisition of new host species or genotypes in tobamoviruses that infect pepper crops. First we explored if there are trade-offs associated to the adaptation of Tobacco mild green mosaic virus (TMGMV) to its two major hosts in SE Spain. Field isolates of TMGMV from pepper and Nicotiana glauca were molecularly characterised and inoculated in the homologous and heterologous hosts. Results showed that TMGMV isolates from N. glauca were adapted to their host, but that pepper isolates were not adapted to pepper. The role of the amino acid at two dimorphic positions in the coat protein (CP), and of the duplication of a region of the 3’UTR, in the differential multiplication of the virus in pepper and N. glauca was analysed in the collection of field isolates and through the introduction of mutations in biologically active cDNA clones derived from two TMGMV isolates. Results showed that the effect of these dimorphisms on virus multiplication depended on higher order interactions involving pleiotropy and epistasis, of the type G x G x E. Fitness costs associated with RB were studied in Pepper mild mottle virus (PMMoV) by introducing in a biologically active cDNA clone all reported mutations in the CP determining RB of alleles L3 and L4 in pepper. The parental and mutant genotypes were assayed in different susceptible pepper genotypes, and the withinhost multiplication component of fitness, and virulence, were quantified. Within-host fitness did not depend on the virus capacity to overcome a specific resistance allele, but depended on the specific mutation and the genotype of the susceptible host. In addition there was evidence of epistatic interactions between mutations leading to RB, which again depended on the genotype of the susceptible host. Thus, results showed higher order interactions among RB mutations of the type G x G x E. Similar results were obtained relative to the effects of RB mutations in virulence. We also analysed whether coat protein mutations affect particle stability and, thus, survival in the environment. The various RB mutations had effects on particle stability and, thus, survival. The stability of the particles of the different mutants was not correlated with within-host fitness or virulence, thus indicating no trade-offs among different life history traits of the virus that might constraint its evolution. Taken together the results of this Thesis, show a major general conclusion: that host range evolution in the analysed tobamoviruses will be constrained by higher order interactions between host-range mutations on virus fitness, but not by trade-offs between different fitness components.

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ID de Registro: 49578
Identificador DC: http://oa.upm.es/49578/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:49578
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.49578
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 21 May 2018 13:45
Ultima Modificación: 27 Nov 2018 23:30
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