Dynamics of virus-host interactions in mixed viral infections in tomato plants and effects on whitefly-mediated dissemination

Abstract

Les malalties virals causen un impacte important a l'agricultura. Els virus parasiten plantes susceptibles afectant les seves funcions fisiològiques, produint moltes vegades canvis fenotípics, i també alterant les seves interaccions amb altres organismes, amb efectes directes o indirectes que poden comprometre la productivitat de la planta. Atès que la majoria d'aquestes malalties són causades per virus transmesos per insectes vectors, alteracions sensorials poden intervenir en el procés de selecció de l'hoste per part del vector i, en conseqüència, en l'èxit de la disseminació del patogen. L'alta freqüència d'infeccions virals amb més d'un virus, tant a la natura i en entorns agrícoles, augmenta la complexitat de les interaccions, i per tant hi ha la necessitat d'ampliar el coneixement actual sobre aquestes relacions. En aquesta tesi, s'ha considerat la importància de comprendre les interaccions dinàmiques que ocorren en un patosistema que involucra infeccions mixtes pel virus de la clorosi del tomàquet (ToCV) i el virus de l'enrotllament de la fulla groga del tomàquet (TYLCV) en plantes de tomàquet, i el seu insecte vector comú Bemisia tabaci. Al primer capítol, es van registrar i comparar els símptomes induïts en plantes de tomàquet infectades tant amb infeccions simples com mixtes, per entendre millor la dinàmica dels canvis fenotípics. Observem diferents símptomes durant la infecció mixta al llarg del temps, que van variar des de lleus a les primeres etapes fins a una exacerbació posterior dels símptomes de TYLCV. La interacció sinèrgica entre tots dos virus en etapes tardanes de la infecció suggereix que la presència de TYLCV tant en infeccions individuals com mixtes, juga un paper important en el comportament de preferència de B. tabaci. A més, es van dissenyar i realitzar una sèrie d'assajos d'elecció en condicions controlades per determinar la influència dels senyals visuals i olfactius emesos per plantes amb infeccions mixtes a les respostes de preferència de la mosca blanca. Els resultats van indicar que, si bé els senyals olfactius tenen efectes neutrals, els estímuls visuals associats amb una expressió greu dels símptomes de TYLCV semblaven ser més importants en les respostes de preferència en millorar l'atracció de les mosques blanques. Al segon capítol, investiguem els canvis en el perfil transcriptòmic del tomàquet associats amb infeccions simples i mixtes amb ToCV i TYLCV. L'anàlisi d'enriquiment al llarg del temps va mostrar canvis dinàmics significatius a l'expressió gènica en plantes de tomàquet, que afecten els processos relacionats amb la fotosíntesi, la regulació de senyals hormonals, el metabolisme i les interaccions entre plantes i patògens. A més, es va explorar la via significativament enriquida d'interacció planta-patogen a la base de dades KEGG, centrant-se en l'anàlisi del complex Hsp90-Sgt1 en plantes infectades amb ToCV. Observem que l'acumulació de ToCV en plantes silenciades amb Hsp90 i Sgt1, va ser aproximadament 4 vegades més gran que en plantes control. Les nostres troballes van confirmar que Hsp90 i la seva co-xaperona Sgt1 són necessàries per a una eficaç resposta de resistència de les plantes a la infecció per ToCV. Finalment, al tercer capítol, plantegem la hipòtesi d'una possible comunicació entre regnes a la interacció TYLCV-mosca blanca a través de sRNAs presents en plantes de tomàquet infectades amb virus. Es van mapejar sRNAs de plantes de tomàquet infectades individuals i mixtes al genoma de B. tabaci per examinar el seu potencial d'afectar gens de mosca blanca. Es va descobrir que diversos sRNAs que s'acumulaven moderadament en plantes infectades amb TYLCV apuntaven potencialment a gens de l'insecte. Entre les coincidències seleccionades, identifiquem tres gens implicats en vies relacionades amb la desintoxicació de neonicotinoides. Quan es van analitzar mitjançant RT-qPCR, els nivells d'expressió dels gens corresponents van ser aproximadament 3.

Las enfermedades virales causan un impacto importante en la agricultura. Los virus parasitan a plantas susceptibles afectando a sus funciones fisiológicas, conduciendo muchas veces a cambios fenotípicos, y también alterando sus interacciones con otros organismos, induciendo efectos directos o indirectos que pueden comprometer la productividad de la planta. Dado que la mayoría de estas enfermedades son causadas por virus transmitidos por insectos vectores, las alteraciones sensoriales pueden mediar en el proceso de selección del huésped por parte del vector y, en consecuencia, en el éxito de la diseminación del patógeno. La frecuente aparición de infecciones virales con más de un virus, en la naturaleza y en entornos agrícolas, aumenta la complejidad de las interacciones, y existe por tanto la necesidad de ampliar el conocimiento actual sobre estas relaciones. En la presente tesis se ha considerado la importancia de comprender las interacciones dinámicas que ocurren en un patosistema que involucra infecciones mixtas por el virus de la clorosis del tomate (ToCV) y el virus del enrollamiento de la hoja amarilla del tomate (TYLCV) en plantas de tomate, y su insecto vector común Bemisia tabaci. En el primer capítulo, se registraron y compararon los síntomas inducidos en plantas de tomate infectadas tanto con infecciones simples como mixtas, para una mejor comprensión de la dinámica de los cambios fenotípicos. Observamos diferentes resultados sintomáticos durante la infección mixta a lo largo del tiempo, que variaron desde síntomas leves en las primeras etapas hasta una exacerbación posterior de los síntomas de TYLCV. La interacción sinérgica entre ambos virus en etapas posteriores de la infección sugiere que la presencia de TYLCV tanto en infecciones únicas como mixtas juega un papel importante en el comportamiento de preferencia de B. tabaci. Además, se diseñaron y realizaron una serie de ensayos de elección en condiciones controladas para determinar la influencia de las señales visuales y olfativas emitidas por plantas infectadas mixtas en las respuestas de preferencia de la mosca blanca. Los resultados indicaron que, si bien las señales olfativas tienen efectos neutrales, los estímulos visuales asociados con una expresión grave de los síntomas de TYLCV parecían ser más importantes en las respuestas de preferencia al mejorar el atractivo para las moscas blancas. En el segundo capítulo, investigamos los cambios en el perfil trasncriptómico del tomate asociados con infecciones únicas y mixtas con ToCV y TYLCV. El análisis de enriquecimiento a lo largo del tiempo mostró cambios dinámicos significativos en la expresión genética en plantas de tomate, que afectan a los procesos relacionados con la fotosíntesis, la regulación de señales hormonales, el metabolismo y las interacciones entre plantas y patógenos. Además, se exploró la vía KEGG de interacción planta-patógeno significativamente enriquecida, centrándose en el análisis del complejo Hsp90-Sgt1 en plantas infectadas con ToCV. Observamos que la acumulación de ToCV en plantas silenciadas con Hsp90 y Sgt1 fue aproximadamente 4 veces mayor que en las plantas de control. Nuestros hallazgos confirmaron que Hsp90 y su co-chaperona Sgt1 son necesarios para una eficaz respuesta de resistencia de las plantas a la infección por ToCV. Finalmente, en el tercer capítulo, planteamos la hipótesis sobre una posible comunicación entre reinos en la interacción TYLCV-mosca blanca a través de sRNAs presentes en plantas de tomate infectadas con virus. Se mapearon sRNAs de plantas de tomate infectadas individuales y mixtas en el genoma de B. tabaci para examinar su potencial para mapear genes de mosca blanca. Se descubrió que varios sRNAs que se acumulaban moderadamente en plantas infectadas con TYLCV apuntaban potencialmente a genes del insecto. Entre las coincidencias seleccionadas, identificamos tres genes implicados en vías relacionadas con la desintoxicación de neonicotinoides.

Viral diseases have an important impact on agriculture. Plant viruses parasitize susceptible host plants affecting their physiological functions, often leading to phenotypic changes, and also altering their interactions with other organisms, inducing direct or indirect effects that can compromise the productivity of the plant. Since the majority of these damaging plant diseases are caused by viruses transmitted by insect vectors, sensory alterations may mediate the host selection process by the vector. Consequently, affects the success of the pathogen dissemination. The frequent occurrence of viral infections with more than one virus in nature and agricultural environments increases the complexity of the interactions, and there is a need to complement the current knowledge about these relationships. The present thesis has considered the importance to understand the dynamic interactions occurring in a pathosystem involving mixed infections by Tomato chlorosis virus (ToCV) and Tomato yellow leaf curl virus (TYLCV) in tomato plants, and their common insect vector Bemisia tabaci. In the first chapter, the symptoms induced by both single- and mixed- infected tomato plants were recorded and compared for a better understanding of the dynamics of the phenotypic changes. We observed different symptomatic outcomes during mixed infection over time that ranged from mild symptoms at first stages to a later exacerbation of TYLCV symptoms. The synergistic interaction between both viruses at later stages of the infection suggested that the presence of TYLCV in both single- and mixed-infections played an important role in the B. tabaci preference behavior. Moreover, a series of choice assays were designed and performed under controlled conditions to determine the influence of visual and olfactory cues emitted by mixed-infected plants in whitefly preference responses. The results indicated that while olfactory cues have neutral effects, visual stimuli associated with a severe expression of TYLCV symptoms seemed to be more important in preference responses, enhancing the attractiveness to whiteflies. In the second chapter, we investigated changes in tomato transcriptome profile associated with single and mixed infections with ToCV and TYLCV. The time-course enrichment analysis showed significant dynamic changes in gene expression in tomato plants, affecting to processes related to photosynthesis, hormone signal regulation, metabolism, and plant-pathogen interactions. In addition, the significantly enriched plant-pathogen interaction KEGG pathway was explored by focusing on the analysis of the Hsp90-Sgt1 complex in ToCV-infected plants. We observed that ToCV accumulation in Hsp90- and Sgt1-silenced plants was approximately 4-fold greater than in control plants. Our findings confirmed that Hsp90 and its co-chaperone Sgt1 were necessary for an effective plant resistance response to ToCV infection. Finally, in the third chapter, we hypothesized about a possible cross-kingdom communication in the TYLCV-whitefly interaction through sRNAs present in virus infected tomato plants. Small RNAs from single and mixed infected tomato plants were mapped to the genome of B. tabaci to examine their potential to target whitefly genes. Several sRNAs that moderately accumulated in TYLCV-infected plants were found to potentially target genes in the insect. Among the selected matches, we identified three genes involved in neonicotinoid detoxification-related pathways. When analysed by RT-qPCR, the expression levels for the corresponding genes were approximately 3-fold lower in TYLCV-viruliferous whiteflies than in non-viruliferous ones, suggesting that the downregulation of the selected genes might be mediated by the TYLCV-derived sRNAs. Moreover, experiments with whiteflies feeding on an artificial diet were performed to functional validate the hypothetical role of the selected genes in survival when a toxic substance, such as nicotine, was included in the diet. The significantly lower survival rate observed suggested that the TYLCV-viruliferous condition of the whiteflies was critical for the detoxification of nicotine in our experimental setup.