Interacción MNSV-planta de melónuna aproximación transcriptómica y celular

Resumen

RESUMEN El Virus de las manchas necróticas del melón (Melon necrotic spot virus, MNSV; género Carmovirus; Familia Tombusviridae) es un virus de ARN de sentido positivo endémico en cultivos de melón. Este virus ha sido empleado como modelo de estudio de aspectos relacionados con la superación de resistencias recesivas, la traducción de ARNs virales carentes de estructuras cap o el movimiento intercelular. Sin embargo, se sabe poco acerca de las respuestas que la infección por este virus induce en las plantas o los genes alterados como consecuencia del desarrollo de su ciclo viral en su huésped natural, el melón. Así mismo, se desconocen los lugares, dentro de la célula vegetal, donde este virus lleva a cabo su replicación viral. Todos estos procesos podrían aportar conocimiento sobre los genes necesarios en la interacción planta-virus que permiten el establecimiento de una infección satisfactoria por parte del virus, o los factores necesarios para la puesta en marcha de una respuesta de defensa eficaz para contrarrestar la infección y que podrían ser utilizados en estrategias antivirales. Con el objetivo de ahondar en el conocimiento de la interacción MNSV-melón, esta tesis ha sido estructurada en dos capítulos. En el primer capítulo, utilizando los microarrays como herramienta principal de análisis, se ha llevado a cabo un estudio de las alteraciones transcriptómicas inducidas por MNSV en melón, con especial énfasis en aquellos cambios asociados con: (i) una región no codificante del genoma del virus, (ii) diferentes cultivares de melón (iii) diferentes tejidos de la planta, (iv) y con el desarrollo de infecciones de tipo local o sistémico. Los resultados obtenidos han permitido identificar la desregulación específica de dos grupos de genes asociados con una región no traducible del genoma viral, así como genes que responden de forma específica de cultivar. La comparación entre tejidos ha mostrado una respuesta cuantitativa diferente entre hoja y cotiledón, pero cualitativamente muy similar, aportando validez a los resultados obtenidos en cotiledón. Así mismo, una aproximación tradicional al estudio de la posible activación de una respuesta sistémica adquirida por parte de la planta, ha descartado la activación de la misma. Finalmente, la comparación entre estos resultados con los obtenidos en trabajos previos para otros virus, ha permitido identificar un sólo gen compartido por los tres virus analizados, que podría ser importante en las infecciones virales al menos en melón. Por otro lado, estos análisis han puesto de manifiesto la importancia de utilizar diferentes tiempos de muestreo a la hora de realizar comparaciones entre los cambios transcriptómicos inducidos por diferentes virus. En el segundo capítulo, se ha llevado a cabo el análisis tisular de las lesiones inducidas por MNSV para delimitar las regiones de interés donde realizar los análisis ultraestructurales. Este análisis identificó una región idónea para tales efectos. El estudio ultraestructural mediante microscopía electrónica de transmisión de la región identificada como Z2, ha puesto de manifiesto la existencia de grandes orgánulos originados como consecuencia de la infección por MNSV. Estos orgánulos han sido identificados como mitocondrias modificadas estructuralmente y representan los lugares donde el virus lleva a cabo su replicación ya que, a través de experimentos de hibridación in situ e inmunocitoquímica, se han localizado los ARNs virales, la proteína de la cápsida viral (CP) así como el dsRNA (intermediario de replicación) en estos orgánulos. La reconstrucción tridimensional de las mitocondrias modificadas mostró la presencia de grandes dilataciones internas, interconectadas entre ellas y con el citoplasma circundante a través de poros y/o estructuras complejas así como su conexión con cuerpos lipídicos. Así mismo, se llevó a cabo el estudio de la implicación de la proteína p29 de MNSV en la localización y generación de los sitios de replicación de MNSV. Para ello se generaron construcciones de la proteína p29 fusionada a GFP que fueron localizadas mediante microscopía laser confocal en mitocondrias. El análisis de la ultraestructura de las células que expresaron la proteína de fusión p29-GFP y su localización por inmunocitoquímica identificó la presencia de esta proteína en mitocondrias, así como la inducción de modificaciones estructurales en estos orgánulos muy semejantes a las inducidas por el virus. SUMMARY Melon necrotic spot virus (MNSV) (genus Carmovirus, family Tombusviridae) is a single-stranded, positive-sense RNA virus endemic of cucurbit crops worldwide. This virus has become an experimental model for the analysis of cell-to-cell virus movement and translation of uncapped viral RNAs, whereas little is known about its replication or the transcriptome changes induced in melon plant by the virus during the viral cycle and in response to the infection. So far it is unknown the cellular compartment in which this virus carries out its viral replication. Addressing all these processes could provide information about genes involved in the plant-virus interaction that lead to a successful viral infection and the cellular factors involved in the defense response to counteract the infection. This knowledge may be used in future antiviral strategies. To clarify all these questions about MNSV-melon interaction this thesis has been structured into two chapters. The first chapter is focused on transcriptomic alterations induced by MNSV in melon plants, with special emphasis on those changes associated with: (i) a non-coding region of the genome virus, (ii) different melon cultivars, (iii) different plant tissues, and, (iv) development of local or systemic infections. Microarray analyses have led to identify a specific deregulation of two groups of genes associated with an untranslated region of the viral genome, and also several sets of genes that respond specifically in each cultivar. The comparison between tissues has shown a different quantitative response between leaf and cotyledon, but qualitatively similar, providing validity to the results obtained in cotyledon. Also, a traditional approach to the study of the putative activation of a systemic acquired response from the plant has dismissed the activation of such response. Finally, the comparison of these results with those obtained in previous work for other viruses, has identified one gene shared by all the three viruses tested. This gene could play a key role in melon viralinfection. On the other hand, these results have shown the need of using different sampling times when comparing transcriptome changes induced by different viruses. In the second chapter, an histological analysis of the MNSV infected tissues was performed in order to define the most adequate region where to focuses the ultrastructural analysis. This analysis identified an ideal region for this purpose. The ultrastructural study by transmission electron microscopy of the region identified as Z2, has revealed the existence of large organelles originated as a result of MNSV infection. Immunolocalization of the glycine decarboxylase complex (GDC) P protein in these organelles confirmed their mitochondrial origin. In situ hybridization and immunolocalization experiments showed the specific localization of positive-sense viral RNA, capsid protein (CP), and double-stranded (ds)RNA (a replication intermediate) in these organelles meaning that replication of the virus takes place in association with them. The three-dimensional reconstructions of the altered mitochondria showed the presence of large, interconnected, internal dilations which appeared to be linked to the outside cytoplasmic environment through pores and/or complex structures, and with lipid bodies. Transient expression of MNSV p29 revealed that its specific target is mitochondria. Our data document the extensive reorganization of host mitochondria induced by MNSV, which provides a protected environment to viral replication, and show that the MNSV p29 protein is the primary determinant of this effect in the host.