Study of the resistance to Cucumber mosaic virus aggressive strains in the melon (Cucumis melon L.) accession PI 161375

Abstract

L’accessió exòtica de meló PI 161375 cultivar Songwhan Charmi (SC) presenta resistència a la major part de soques de Cucumber mosaic virus (CMV). S’ha descrit que la resistència a soques del subgrup II de CMV és recessiva i que està controlada pel gen cmv1, que és capaç d’evitar l’entrada del virus al floema mitjançant una restricció a nivell de les cèl·lules de la beina. Aquesta restricció depèn de la proteïna de moviment (MP) viral, que és el determinant de la virulència. Per tenir resistència a la soca CMV-M6, pertanyent al subgrup I, a part de cmv1, també es requereixen dos altres QTLs: cmvqw3.1 i cmvqw10.1. No obstant, una soca més agressiva del subgrup I, CMV-FNY, és capaç de superar la resistència conferida per cmv1/cmvqw3.1/cmvqw10.1. Aquesta tesis té com objectius (i) identificar altres QTLs responsables de la resistència a CMV-FNY, (ii) caracteritzar la resistència conferida pels QTLs cmv1/cmvqw3.1/cmvqw10.1, i (iii) identificar els factors de virulència implicats en aquests tres QTLs. L’anàlisi de QTLs es va dur a terme mitjançant diverses poblacions F2 obtingudes del creuament entre les línies resistents a CMV-FNY, DHL142 i DHL69, i línies susceptibles. Es van detectar alguns possibles QTLs d’efecte menor als LG II, LG IX, LG X i LG XII. No obstant, cap d’aquests QTLs va ser reproduïble a les diferents poblacions avaluades, ni pels diferents mètodes de fenotipat utilitzats. Un cop avaluat el sistema d’anàlisi de QTLs emprat es va demostrar que aquest no havia estat l’apropiat per QTLs d’efecte menor. Probablement el factor limitant hauria estat la robustesa de l’avaluació fenotípica de la infecció en poblacions F2. L’estudi de la resistència, conferida per combinacions de dos o tres QTLs, va mostrar que malgrat les plantes s’acabaven infectant per CMV-FNY, hi havia un retard en la infecció, indicant que la resistència intervé restringint el moviment viral. Més endavant es va demostrar que la restricció actua a nivell de l’entrada al floema, enlloc d’intervenir a nivell del moviment del virus un cop dins del floema. Així doncs, cmvqw3.1 i cmvqw10.1 actuen dificultant el moviment de CMV-FNY al mateix punt de la infecció viral on ho fa cmv1 amb CMV-LS. La generació de pseudorecombinants entre CMV-FNY / CMV-M6 i CMV-FNY / CMV-LS va demostrar que el determinant de la virulència no es troba al RNA3. Aquests resultats suggereixen que la resistència a CMV de l’accessió SC es construeix mitjançant diferents nivells, essent cmv1 el primer nivell conferint resistència envers el subgrup II; el segon nivell cmvqw3.1 i cmvqw10.1 conferint una resistència eficient envers CMV-M6; i un tercer nivell on altres QTLs encara per determinar serien necessaris per conferir una resistència eficient a CMV-FNY. Actualment, sabem que els dos primers nivells de resistència estarien actuant restringint l’entrada de CMV al floema

La accesión de melón exótico PI 161375, cultivar Songwhan Charmi (SC) es resistente a la mayoría de las cepas de Cucumber mosaic virus (CMV). La resistencia a las cepas del subgrupo II de CMV es recesiva y controlada por el gen cmv1, que es capaz de prevenir la entrada del virus en el floema deteniéndolo en las células de la vaina que rodean la vena. Esta restricción depende de la proteína de movimiento (MP), el determinante de la virulencia frente a este gen. Para resistir a la cepa CMV-M6, del subgrupo I, se requieren dos QTL más, cmvqw3.1 y cmvqw10.1, funcionando en colaboración con cmv1. Sin embargo, CMV-FNY, una cepa más agresiva del subgrupo I, es capaz de superar la resistencia conferida por cmv1/cmvqw3.1/cmvqw10.1. En esta tesis, nuestro objetivo es (i) identificar los QTL adicionales responsables de la resistencia a CMV-FNY, (ii) caracterizar la resistencia conferida por los QTL cmv1/cmvqw3.1/cmvqw10.1 e (iii) identificar los factores de virulencia involucrados con estos QTL. El análisis de QTL se abordó desarrollando varias poblaciones F2 entre las líneas DHL142 o DHL69, resistentes a CMV-FNY, y varias líneas de melón susceptibles a CMV-FNY, donde se detectaron varios QTL menores en LG II, LG IX, LG X y LG XII. Sin embargo, ninguno de estos QTLs fue detectado reproduciblemente en varias poblaciones F2, ni utilizando diferentes métodos de fenotipado, lo que indicó que nuestro sistema de detección de QTL no es apropiado para detectar QTLs menores. El factor limitante más probable puede ser la dificultad del fenotipado de la infección para la detección de QTLs en una población F2. El estudio de la resistencia conferida por combinaciones de dos o los tres QTL mostró que, aunque las plantas eran susceptibles a CMV-FNY, hubo un retraso en la infección, lo que indica que la resistencia implica una restricción del movimiento viral. Un análisis posterior mostró que la restricción funcionaba al nivel de la entrada al floema, más que al nivel del movimiento dentro del floema. Por lo tanto, esto indica que cmvqw3.1 y cmvqw10.1 están dificultando el movimiento de CMV-FNY en el mismo paso de la infección viral donde cmv1 restringe CMV-LS. Los pseudorecombinantes generados entre CMV-FNY / CMV-M6 y entre CMV-FNY / CMV-LS demostraron que el determinante de virulencia no mapeaba en el RNA3. Tomados en conjunto, nuestros resultados sugieren que la resistencia al CMV en la accesión SC está formada por una serie de niveles de resistencia, siendo cmv1 el primer nivel, efectivo contra las cepas del subgrupo II; el segundo nivel, formado por cmvqw3.1 y cmvqw10.1, que cooperarían con cmv1 para proporcionar resistencia frente a CMV-M6; y el tercer nivel sería el QTL no identificado aún, necesario para la resistencia frente a CMV-FNY. En la actualidad, sabemos que los dos primeros niveles de resistencia estarían participando en la restricción de la entrada de CMV al floema.

The exotic melon accession PI 161375 cultivar Songwhan Charmi (SC) shows resistance to most of Cucumber mosaic virus (CMV) strains. The resistance to CMV subgroup II strains was reported as recessive, controlled by the gene cmv1 which is able to prevent the phloem entry of the virus by restricting it in the bundle sheath cells. This restriction depends on the movement protein (MP), the determinant of virulence. Two more QTLs, cmvqw3.1 and cmvqw10.1 are required, working together with cmv1, for the resistance to the subgroup I strain CMV-M6. However, CMV-FNY, a more aggressive strain from subgroup I, was able to overcome the resistance conferred by cmv1/cmvqw3.1/cmvqw10.1. In this thesis we aim to (i) identify the additional QTLs responsible for the resistance to CMV-FNY, (ii) characterize the resistance conferred by the QTLs cmv1/cmvqw3.1/cmvqw10.1 and (iii) identify the virulence factors involved with these QTLs. QTL analysis was addressed developing several F2 populations made between the CMV-FNY-resistant lines DHL142, DHL69 and several CMV-FNY-susceptible melon lines. Several putative minor QTLs were detected in LG II, LG IX, LG X and LG XII. However, none of these QTLs were reproducibly detected neither in several F2 populations nor using different methods of phenotyping. The evaluation of our QTL detecting system indicated that it is not appropriate for detecting minor QTL, being the most probable limiting factor the correct phenotyping of the infection for QTL detection in a F2 population. The study of the resistance conferred by combinations of two or the three QTLs showed that, although the plants were susceptible to CMV-FNY, there was a delay in the infection, indicating that the resistance involves a restriction of the viral movement. Further analysis showed that the restriction worked at the level of phloem entry, rather than at the level of movement within the phloem. Therefore, this indicates that cmvqw3.1 and cmvqw10.1 are impairing CMV-FNY movement at the same step of the viral infection where cmv1 restricts CMV-LS. Pseudorecombinants generated between CMV-FNY / CMV-M6 and between CMV-FNY / CMV-LS demonstrated that the determinant of virulence was not mapped in RNA3. Taken together, our results suggest that the resistance to CMV in SC accession is built by a series of resistance layers, being cmv1 the first layer, against subgroup II strains; the second layer, cmvqw3.1 and cmvqw10.1, that provide efficient resistance to CMV-M6; and the third layer being the unknown QTL, necessary for efficient resistance to CMV-FNY. At present, we know that the first two layers of resistance would be working in the restriction of CMV entry to the phloem.