Effects of Poty-Potexvirus Synergism on Growth, Photosynthesis and Metabolite Status of Nicotiana benthamiana

Mixed virus infections threaten crop production because interactions between the host and the pathogen mix may lead to viral synergism. While individual infections by potato virus A (PVA), a potyvirus, and potato virus X (PVX), a potexvirus, can be mild, co-infection leads to synergistic enhancement of PVX and severe symptoms. We combined image-based phenotyping with metabolite analysis of single and mixed PVA and PVX infections and compared their effects on growth, photosynthesis, and metabolites in Nicotiana benthamiana. Viral synergism was evident in symptom severity and impaired growth in the plants. Indicative of stress, the co-infection increased leaf temperature and decreased photosynthetic parameters. In contrast, singly infected plants sustained photosynthetic activity. The host’s metabolic response differed significantly between single and mixed infections. Over 200 metabolites were differentially regulated in the mixed infection: especially defense-related metabolites and aromatic and branched-chain amino acids increased compared to the control. Changes in the levels of methionine cycle intermediates and a low S-adenosylmethionine/S-adenosylhomocysteine ratio suggested a decline in the methylation potential in co-infected plants. The decreased ratio between reduced glutathione, an important scavenger of reactive oxygen species, and its oxidized form, indicated that severe oxidative stress developed during co-infection. Based on the results, infection-associated oxidative stress is successfully controlled in the single infections but not in the synergistic infection, where activated defense pathways are not sufficient to counter the impact of the infections on plant growth

Development of FRET-based high-throughput screening for viral RNase III inhibitors

The class 1 ribonuclease III (RNase III) encoded by Sweet potato chlorotic stunt virus (CSR3) suppresses RNA silencing in plant cells and thereby counters the host antiviral response by cleaving host small interfering RNAs, which are indispensable components of the plant RNA interference (RNAi) pathway. The synergy between sweet potato chlorotic stunt virus and sweet potato feathery mottle virus can reduce crop yields by 90%. Inhibitors of CSR3 might prove efficacious to counter this viral threat, yet no screen has been carried out to identify such inhibitors. Here, we report a novel high-throughput screening (HTS) assay based on fluorescence resonance energy transfer (FRET) for identifying inhibitors of CSR3. For monitoring CSR3 activity via HTS, we used a small interfering RNA substrate that was labelled with a FRET-compatible dye. The optimized HTS assay yielded 109 potential inhibitors of CSR3 out of 6,620 compounds tested from different small-molecule libraries. The three best inhibitor candidates were validated with a dose-response assay. In addition, a parallel screen of the selected candidates was carried out for a similar class 1 RNase III enzyme from Escherichia coli (EcR3), and this screen yielded a different set of inhibitors. Thus, our results show that the CSR3 and EcR3 enzymes were inhibited by distinct types of molecules, indicating that this HTS assay could be widely applied in drug discovery of class 1 RNase III enzymes.Peer reviewe

Effects of Poty-Potexvirus Synergism on Growth, Photosynthesis and Metabolite Status of Nicotiana benthamiana

Mixed virus infections threaten crop production because interactions between the host and the pathogen mix may lead to viral synergism. While individual infections by potato virus A (PVA), a potyvirus, and potato virus X (PVX), a potexvirus, can be mild, co-infection leads to synergistic enhancement of PVX and severe symptoms. We combined image-based phenotyping with metabolite analysis of single and mixed PVA and PVX infections and compared their effects on growth, photosynthesis, and metabolites in Nicotiana benthamiana. Viral synergism was evident in symptom severity and impaired growth in the plants. Indicative of stress, the co-infection increased leaf temperature and decreased photosynthetic parameters. In contrast, singly infected plants sustained photosynthetic activity. The host’s metabolic response differed significantly between single and mixed infections. Over 200 metabolites were differentially regulated in the mixed infection: especially defense-related metabolites and aromatic and branched-chain amino acids increased compared to the control. Changes in the levels of methionine cycle intermediates and a low S-adenosylmethionine/S-adenosylhomocysteine ratio suggested a decline in the methylation potential in co-infected plants. The decreased ratio between reduced glutathione, an important scavenger of reactive oxygen species, and its oxidized form, indicated that severe oxidative stress developed during co-infection. Based on the results, infection-associated oxidative stress is successfully controlled in the single infections but not in the synergistic infection, where activated defense pathways are not sufficient to counter the impact of the infections on plant growth

Phenotyping viral infection in sweetpotato using a high-throughput chlorophyll fluorescence and thermal imaging platform

Background Virus diseases caused by co-infection with Sweet potato feathery mottle virus (SPFMV) and Sweetpotato chlorotic stunt virus (SPCSV) are a severe problem in the production of sweetpotato (Ipomoea batatas L.). Traditional molecular virus detection methods include nucleic acid-based and serological tests. In this study, we aimed to validate the use of a non-destructive imaging-based plant phenotype platform to study plant-virus synergism in sweetpotato by comparing four virus treatments with two healthy controls. Results By monitoring physiological and morphological effects of viral infection in sweetpotato over 29 days, we quantified photosynthetic performance from chlorophyll fluorescence (ChlF) imaging and leaf thermography from thermal infrared (TIR) imaging among sweetpotatoes. Moreover, the differences among different treatments observed from ChlF and TIR imaging were related to virus accumulation and distribution in sweetpotato. These findings were further validated at the molecular level by related gene expression in both photosynthesis and carbon fixation pathways. Conclusion Our study validated for the first time the use of ChlF- and TIR-based imaging systems to distinguish the severity of virus diseases related to SPFMV and SPCSV in sweetpotato. In addition, we demonstrated that the operating efficiency of PSII and photochemical quenching were the most sensitive parameters for the quantification of virus effects compared with maximum quantum efficiency, non-photochemical quenching, and leaf temperature.Peer reviewe

Identification and Characterization of a new recessive resistance mechanism to Plum pox virus in Arabidopsis thaliana

La maladie de la Sharka est due à un virus de quarantaine, le Plum Pox Virus (PPV), infectant les arbres fruitiers du genre Prunus. Il est nécessaire de trouver des moyens de lutte, telle que la sélection de plantes résistantes. Or chez ces espèces, les sources de résistance sont à l’heure actuelle en nombre limité, voire inexistantes. Il a été montré, au laboratoire, que ce virus est capable d’infecter Arabidopsis thaliana et qu’il existe chez cette espèce une grande diversité de réponse à l’infection. En effet nous avons pu observer que les accessions St-0 et JEA avais un comportement résistant, alors que l'accession Cvi-1 été partiellement résistante. Deux méthodes d’inoculation ont été comparées: une inoculation mécanique à partir de feuilles de Nicotiana benthamiana inoculées avec pICPPVnkGFP et une inoculation par agro-infection à partir d’une souche Agrobacterium tumesfasciens contenant l’isolat viral pBINPPVnkGFP. L'emploi de ces deux méthodes d'inoculation nous a permis de mettre en évidence une variabilité de la réponse au PPV en fonction de la méthode utilisée. En conséquence, cette étude visait donc à identifier le ou les facteur(s) de la plante hôte impliqué(s) dans l'infection virale. L'agro-infection de populations recombinantes (F2 et RIL), de lignées multi-parentales ainsi que l'emploi de la génétique d'association a mis en évidence chez St-0 ainsi que dans plusieurs accession distinct (sept) un locus majeur sur le groupe de liaison 3, appelé sha3. Il apparait indispensable dans le mouvement longue distance du PPV. De plus l'utilisation de la génétique d'association a permis d'initier la cartographie fine de sha3 et de réduire considérablement le nombre de gènes candidats. Un criblage de mutants a été initié afin de déterminer le ou les gènes candidats contrôlant le phénotype Sha3. Après inoculation mécanique, l’analyse d'une population recombinante a mis en évidence la présence d’un locus majeur, distinct de sha3 et positionné au milieu du bras long du groupe de liaison 1. Ce locus co-localise avec rpv1, locus identifié précédemment dans la descendance Cvi x Ler (Sicard, Loudet et al. 2008). Ce même locus a été également confirmé à la fois dans une population multi-parentale et par une approche de génétique d'association. Un gène candidat est actuellement en cours de validation au laboratoire. Une étude visant à décomposer le mécanisme de résistance porté par l’accession JEA a été mise en place. Dans ce cas, il apparait que la propagation du virus est inhibée dans les feuilles de la rosette mais pas dans les tissus floraux. Ainsi, la résistance/sensibilité au PPV chez JEA est fortement conditionnée par les stades physiologiques de la plante hôte. Des travaux complémentaires seront indispensables afin de décrire plus finement ce mécanisme de résistance très particulier. Au terme de cette thèse, nous nous attendons à ce que l’identification de ces nouveaux gènes de résistance chez Arabidopsis permette, après transfert, d’accroître la diversité des sources de résistance à la Sharka chez les arbres fruitiers.The Plum Pox Virus (PPV) infects Prunus species (stone fruit) and is the causal agent of the Sharka disease. This disease is vastly devastating for fruit and plant productivity and quality. Its cost reaches 10 billions of euros over the last 30 years. Breeding programs have been carried out with the aim to implement resistant cultivars but the number of sources of resistance in Prunus species is rather limited. It has been shown in the laboratory that this virus is able to infect Arabidopsis thaliana with a wide range of response to infection. Indeed, we observed that accessions St-0 and JEA had a resistant behavior, while accession Cvi-1 was partially resistant. Two inoculation methods were compared: mechanical inoculation from Nicotiana benthamiana leaves inoculated with pICPPVnkGFP and agro-inoculation infection from an Agrobacterium strain containing the viral isolate tumesfasciens pBINPPVnkGFP. The use of these two methods of inoculation allows us to highlight variability in the response to PPV depending on the method used. This study aims to identify the factor (s) of the host (s) involved in viral infection. Agro-infection of recombinant populations (F2 and RIL), multi-parental lines and the use of genetic association demonstrate in St-0 and several distinct accessions (seven) a major locus on linkage group 3, called sha3. It appears essential in the long-distance movement of PPV. Use of association genetics helped initiate the fine mapping of sha3 and significantly reduce the number of candidate genes. Screening of mutants was initiated to determine the gene controlling the phenotype Sha3. After mechanical inoculation, the analysis of a recombinant population revealed the presence of a major locus positioned in the middle of the long arm of linkage group 1. This locus co-localizes with rpv1, previously identified in Cvi x Ler offspring (Sicard, Loudet et al. 2008). The same locus was also confirmed with a multi-parental population and by a genetic association approach. A candidate gene is currently being validated in the laboratory. The study of the resistance mechanism carried by the accession JEA was initiated. In this case, it appears that the spread of the virus is inhibited in basal leaves but not in floral stem. The resistance / susceptibility to PPV in JEA appear to be strongly influenced by the physiological stages of the host plant. Further work will be necessary to describe more precisely this resistance mechanism very special. At the end of this thesis, we expect that the identification of these new resistance genes in Arabidopsis allows, after transfer, to increase the diversity of sources of resistance to plum pox virus in fruit trees

Identification de nouveaux mécanismes de résistance au<em> Plum Pox Virus</em> chez <em>Arabidopsis thaliana</em>

La maladie de la Sharka est due à un virus de quarantaine, le Plum Pox Virus (PPV), infectant les arbres fruitiers du genre Prunus. Il est nécessaire de trouver des moyens de lutte, telle que la sélection de plantes résistantes. Or chez ces espèces, les sources de résistance sont à l’heure actuelle en nombre limité, voire inexistantes. Il a été montré, au laboratoire, que ce virus est capable d’infecter Arabidopsis thaliana et qu’il existe chez cette espèce une grande diversité de réponse à l’infection. En effet nous avons pu observer que les accessions St-0 et JEA avais un comportement résistant, alors que l'accession Cvi-1 été partiellement résistante. Deux méthodes d’inoculation ont été comparées: une inoculation mécanique à partir de feuilles de Nicotiana benthamiana inoculées avec pICPPVnkGFP et une inoculation par agro-infection à partir d’une souche Agrobacterium tumesfasciens contenant l’isolat viral pBINPPVnkGFP. L'emploi de ces deux méthodes d'inoculation nous a permis de mettre en évidence une variabilité de la réponse au PPV en fonction de la méthode utilisée. Cette étude vise à identifier le ou les facteur(s) de la plante hôte impliqué(s) dans l'infection virale. L'agro-infection de populations recombinantes (F2 et RIL), de lignées multi-parentales ainsi que l'emploi de la génétique d'association a mis en évidence chez St-0 ainsi que dans plusieurs accession distinct (sept) un locus majeur sur le groupe de liaison 3, appelé sha3. Il apparait indispensable dans le mouvement longue distance du PPV. De plus l'utilisation de la génétique d'association a permis d'initier la cartographie fine de sha3 et de réduire considérablement le nombre de gènes candidats. Un criblage de mutants a été initié afin de déterminer le ou les gènes candidats contrôlant le phénotype Sha3. Après inoculation mécanique, l’analyse d'une population recombinante a mis en évidence la présence d’un locus majeur, distinct de sha3 et positionné au milieu du bras long du groupe de liaison 1. Ce locus co-localise avec rpv1, locus identifié précédemment dans la descendance Cvi x Ler (Sicard, Loudet et al. 2008). Ce même locus a été également confirmé à la fois dans une population multi-parentale et par une approche de génétique d'association. Un gène candidat est actuellement en cours de validation au laboratoire. Une étude visant à décomposer le phénotype de résistance observé chez JEA a permis Nous nous sommes attachés à affiner le phénotype de cette résistance. Il semblerait que seule la rosette de JEA soit résistante au PPV mais que le virus ait la capacité de se propager au niveau des hampes florales. La résistance/sensibilité au PPV chez JEA est donc fortement conditionnée par les stades physiologiques de la plante hôte. Pour approfondir cette hypothèse nous avons réalisé le croisement entre JEA et une accession présentant le même type de développement végétatif et floral mais sensible à l’infection pour le PPV. L'étude de cette population en ségrégation reste à approfondir afin de cartographier le(s) facteur(s) génétique(s) déterminant la résistance au mouvement du virus dans les feuilles de la rosette. Au terme de cette thèse, nous nous attendons à ce que l’identification de ces nouveaux gènes de résistance chez Arabidopsis permette, après transfert, d’accroître la diversité des sources de résistance à la Sharka chez les arbres fruitier

Identification de nouveaux mécanismes de résistance au<em> Plum Pox Virus</em> chez <em>Arabidopsis thaliana</em>

La maladie de la Sharka est due à un virus de quarantaine, le Plum Pox Virus (PPV), infectant les arbres fruitiers du genre Prunus. Il est nécessaire de trouver des moyens de lutte, telle que la sélection de plantes résistantes. Or chez ces espèces, les sources de résistance sont à l’heure actuelle en nombre limité, voire inexistantes. Il a été montré, au laboratoire, que ce virus est capable d’infecter Arabidopsis thaliana et qu’il existe chez cette espèce une grande diversité de réponse à l’infection. En effet nous avons pu observer que les accessions St-0 et JEA avais un comportement résistant, alors que l'accession Cvi-1 été partiellement résistante. Deux méthodes d’inoculation ont été comparées: une inoculation mécanique à partir de feuilles de Nicotiana benthamiana inoculées avec pICPPVnkGFP et une inoculation par agro-infection à partir d’une souche Agrobacterium tumesfasciens contenant l’isolat viral pBINPPVnkGFP. L'emploi de ces deux méthodes d'inoculation nous a permis de mettre en évidence une variabilité de la réponse au PPV en fonction de la méthode utilisée. Cette étude vise à identifier le ou les facteur(s) de la plante hôte impliqué(s) dans l'infection virale. L'agro-infection de populations recombinantes (F2 et RIL), de lignées multi-parentales ainsi que l'emploi de la génétique d'association a mis en évidence chez St-0 ainsi que dans plusieurs accession distinct (sept) un locus majeur sur le groupe de liaison 3, appelé sha3. Il apparait indispensable dans le mouvement longue distance du PPV. De plus l'utilisation de la génétique d'association a permis d'initier la cartographie fine de sha3 et de réduire considérablement le nombre de gènes candidats. Un criblage de mutants a été initié afin de déterminer le ou les gènes candidats contrôlant le phénotype Sha3. Après inoculation mécanique, l’analyse d'une population recombinante a mis en évidence la présence d’un locus majeur, distinct de sha3 et positionné au milieu du bras long du groupe de liaison 1. Ce locus co-localise avec rpv1, locus identifié précédemment dans la descendance Cvi x Ler (Sicard, Loudet et al. 2008). Ce même locus a été également confirmé à la fois dans une population multi-parentale et par une approche de génétique d'association. Un gène candidat est actuellement en cours de validation au laboratoire. Une étude visant à décomposer le phénotype de résistance observé chez JEA a permis Nous nous sommes attachés à affiner le phénotype de cette résistance. Il semblerait que seule la rosette de JEA soit résistante au PPV mais que le virus ait la capacité de se propager au niveau des hampes florales. La résistance/sensibilité au PPV chez JEA est donc fortement conditionnée par les stades physiologiques de la plante hôte. Pour approfondir cette hypothèse nous avons réalisé le croisement entre JEA et une accession présentant le même type de développement végétatif et floral mais sensible à l’infection pour le PPV. L'étude de cette population en ségrégation reste à approfondir afin de cartographier le(s) facteur(s) génétique(s) déterminant la résistance au mouvement du virus dans les feuilles de la rosette. Au terme de cette thèse, nous nous attendons à ce que l’identification de ces nouveaux gènes de résistance chez Arabidopsis permette, après transfert, d’accroître la diversité des sources de résistance à la Sharka chez les arbres fruitier

Identification and Characterization of a new recessive resistance mechanism to Plum pox virus in Arabidopsis thaliana

La maladie de la Sharka est due à un virus de quarantaine, le Plum Pox Virus (PPV), infectant les arbres fruitiers du genre Prunus. Il est nécessaire de trouver des moyens de lutte, telle que la sélection de plantes résistantes. Or chez ces espèces, les sources de résistance sont à l’heure actuelle en nombre limité, voire inexistantes. Il a été montré, au laboratoire, que ce virus est capable d’infecter Arabidopsis thaliana et qu’il existe chez cette espèce une grande diversité de réponse à l’infection. En effet nous avons pu observer que les accessions St-0 et JEA avais un comportement résistant, alors que l'accession Cvi-1 été partiellement résistante. Deux méthodes d’inoculation ont été comparées: une inoculation mécanique à partir de feuilles de Nicotiana benthamiana inoculées avec pICPPVnkGFP et une inoculation par agro-infection à partir d’une souche Agrobacterium tumesfasciens contenant l’isolat viral pBINPPVnkGFP. L'emploi de ces deux méthodes d'inoculation nous a permis de mettre en évidence une variabilité de la réponse au PPV en fonction de la méthode utilisée. En conséquence, cette étude visait donc à identifier le ou les facteur(s) de la plante hôte impliqué(s) dans l'infection virale. L'agro-infection de populations recombinantes (F2 et RIL), de lignées multi-parentales ainsi que l'emploi de la génétique d'association a mis en évidence chez St-0 ainsi que dans plusieurs accession distinct (sept) un locus majeur sur le groupe de liaison 3, appelé sha3. Il apparait indispensable dans le mouvement longue distance du PPV. De plus l'utilisation de la génétique d'association a permis d'initier la cartographie fine de sha3 et de réduire considérablement le nombre de gènes candidats. Un criblage de mutants a été initié afin de déterminer le ou les gènes candidats contrôlant le phénotype Sha3. Après inoculation mécanique, l’analyse d'une population recombinante a mis en évidence la présence d’un locus majeur, distinct de sha3 et positionné au milieu du bras long du groupe de liaison 1. Ce locus co-localise avec rpv1, locus identifié précédemment dans la descendance Cvi x Ler (Sicard, Loudet et al. 2008). Ce même locus a été également confirmé à la fois dans une population multi-parentale et par une approche de génétique d'association. Un gène candidat est actuellement en cours de validation au laboratoire. Une étude visant à décomposer le mécanisme de résistance porté par l’accession JEA a été mise en place. Dans ce cas, il apparait que la propagation du virus est inhibée dans les feuilles de la rosette mais pas dans les tissus floraux. Ainsi, la résistance/sensibilité au PPV chez JEA est fortement conditionnée par les stades physiologiques de la plante hôte. Des travaux complémentaires seront indispensables afin de décrire plus finement ce mécanisme de résistance très particulier. Au terme de cette thèse, nous nous attendons à ce que l’identification de ces nouveaux gènes de résistance chez Arabidopsis permette, après transfert, d’accroître la diversité des sources de résistance à la Sharka chez les arbres fruitiers.The Plum Pox Virus (PPV) infects Prunus species (stone fruit) and is the causal agent of the Sharka disease. This disease is vastly devastating for fruit and plant productivity and quality. Its cost reaches 10 billions of euros over the last 30 years. Breeding programs have been carried out with the aim to implement resistant cultivars but the number of sources of resistance in Prunus species is rather limited. It has been shown in the laboratory that this virus is able to infect Arabidopsis thaliana with a wide range of response to infection. Indeed, we observed that accessions St-0 and JEA had a resistant behavior, while accession Cvi-1 was partially resistant. Two inoculation methods were compared: mechanical inoculation from Nicotiana benthamiana leaves inoculated with pICPPVnkGFP and agro-inoculation infection from an Agrobacterium strain containing the viral isolate tumesfasciens pBINPPVnkGFP. The use of these two methods of inoculation allows us to highlight variability in the response to PPV depending on the method used. This study aims to identify the factor (s) of the host (s) involved in viral infection. Agro-infection of recombinant populations (F2 and RIL), multi-parental lines and the use of genetic association demonstrate in St-0 and several distinct accessions (seven) a major locus on linkage group 3, called sha3. It appears essential in the long-distance movement of PPV. Use of association genetics helped initiate the fine mapping of sha3 and significantly reduce the number of candidate genes. Screening of mutants was initiated to determine the gene controlling the phenotype Sha3. After mechanical inoculation, the analysis of a recombinant population revealed the presence of a major locus positioned in the middle of the long arm of linkage group 1. This locus co-localizes with rpv1, previously identified in Cvi x Ler offspring (Sicard, Loudet et al. 2008). The same locus was also confirmed with a multi-parental population and by a genetic association approach. A candidate gene is currently being validated in the laboratory. The study of the resistance mechanism carried by the accession JEA was initiated. In this case, it appears that the spread of the virus is inhibited in basal leaves but not in floral stem. The resistance / susceptibility to PPV in JEA appear to be strongly influenced by the physiological stages of the host plant. Further work will be necessary to describe more precisely this resistance mechanism very special. At the end of this thesis, we expect that the identification of these new resistance genes in Arabidopsis allows, after transfer, to increase the diversity of sources of resistance to plum pox virus in fruit trees

Identification d'un nouveau mécanisme de résistance au Plum pox virus chez <em>Arabidopsis thaliana</em>

National audienc

Novel mechanisms of resistance to Plum pox virus are being unravelled in the model plant, Arabidopsis thaliana

International audienc