Analysis of the virome and reciprocal transfers of viruses between cultivated and wild carrot populations - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2023

Analysis of the virome and reciprocal transfers of viruses between cultivated and wild carrot populations

Analyse du virome et des flux de virus entre populations de carottes cultivées et sauvages

Deborah Schönegger
  • Function : Author
  • PersonId : 1238400
  • IdRef : 268449805

Abstract

HTS-based metagenomics has revolutionized our view of biodiversity and has become a powerful tool in plant virus diagnostics and ecology, allowing to theoretically capture without prior knowledge all viruses present in a sample. However, as with any technology, HTS strategies and the corresponding data processing pipelines need to be validated to provide reliable assessments of plant health status and balance the cost of sequencing with the specificity and sensitivity levels required by the study. In this context, metagenomics benchmarking efforts are often based on mock communities of known composition thus allowing to compare the actual vs the expected performance. Despite their importance, such comparative studies in virology are mainly limited to the clinical sector and are largely lacking in the plant virology field. In the present thesis both methodological challenges and ecological questions in relation to the description and analysis of plant virus communities have been addressed. Phytovirus synthetic communities of varying complexity were used to benchmark the two most frequently used virus enrichment strategies for plant virus metagenomics, virion associated nucleic acids (VANA) and double stranded (ds)RNA. The results show that the dsRNA approach systemically provided a more complete description of the RNA virome but, as expected, performed poorly for DNA viruses. A robust correlation between sample sequencing depth and the completeness of virome description was observed, together with the influence of other parameters such as virome complexity, use of de novo assembled contigs and minimal contig length. In a second more ecologically oriented approach the virome of 45 different wild (Daucus carota ssp. carota) and cultivated carrot (Daucus carota ssp. sativus) populations in France and six additional populations in Spain was analyzed using a dsRNA-based HTS approach. The datasets generated have revealed two important findings: (i) carrots exhibit a particularly diverse virome, rich in novel viruses that were then molecularly characterized and (ii) virus communities differ remarkably between wild and cultivated carrots. The contrasting virome fingerprints between field and wild carrot populations involve both differential presence of some viruses and differential prevalence of other viruses. Based on analysis of individual plants by HTS sequencing and RT-PCR, population genetics of aphid-transmitted viruses were analyzed, highlighting intraspecific viral population differentiation between wild and cultivated hosts for several of them. This is a particularly interesting result considering that both cultivated and wild carrots are members of the same species, and thus represent a pathosystem with expected least genetic and botanical constraints on potential virus flow between a crop and its weedy relative. Taken together, the results obtained suggest a major impact of growth conditions created by agriculture in shaping virome richness and composition. They demonstrated the existence of viral fluxes between the wild and cultivated compartments but also the existence of barriers limiting or altogether preventing exchange of some viruses or of some groups of isolates. The carrot pathosystem used here allowed to gain deep insights into the contrasted viromes that can assemble in closely related plants a the agroecological interface and to provide a baseline for further investigations of the biological and ecological barriers to virus movements and on the complex interaction linking aphid-transmitted viruses in a complex network of mutual interdependencies.
Les technologies de séquençage haut débit (HTS pour High-Throughput Sequencing) appliquées aux études de métagénomiques ont révolutionné notre vision de la biodiversité virale, avec un impact notable dans les domaines du phytodiagnostic et de l'écologie virale, permettant d’identifier tous les virus présents dans un échantillon sans connaissance préalable. Cependant, comme pour toute technologie, les stratégies HTS et les pipelines d’analyses des données générées doivent être validés pour garantir leur fiabilité. Ces évaluations sont basées sur la comparaison des performances théoriques et réelles, en utilisant des communautés virales de composition connue. Néanmoins, de telles études font encore largement défaut dans le domaine de la virologie végétale. Au cours de cette thèse, les défis méthodologiques et les questions écologiques liées à la description et à l'analyse des communautés de virus végétaux ont été abordés. Tout d’abord, des communautés synthétiques de phytovirus de complexités variables ont été utilisées pour évaluer les deux stratégies d'enrichissement des virus les plus utilisées dans les études de métagénomique, à savoir l’analyse des acides nucléiques associés aux virions (VANA, Virion-Associated Nucleic Acids) et l'analyse des ARN double brin (ARNdb). Nos résultats montrent que l'approche de l'ARNdb fournit systématiquement une description plus complète du virome à ARN mais, comme attendu, est peu performante pour les virus à ADN. Par ailleurs, on a pu mettre en évidence une corrélation robuste entre la profondeur de séquençage des échantillons et l'exhaustivité de la description du virome, ainsi que l'influence d'autres paramètres tels que la complexité du virome, l'utilisation de contigs et la longueur minimale des contigs. Dans une approche plus orientée vers des questions d’écologie, le virome de 45 populations de carottes sauvages (Daucus carota ssp. carota) et cultivées (Daucus carota ssp. sativus) récoltées en France et de six populations collectées en Espagne a été analysé en utilisant une approche HTS basée sur l’ARNdb. Les résultats ont permis de constater que: (i) les carottes présentent un virome particulièrement diversifié, riche en nouveaux virus qui ont ensuite été caractérisés au niveau moléculaire et (ii) le virome des carottes cultivées est très différent de celui des carottes sauvages. Les signatures virales entre ces deux populations montrent une présence différentielle de certains virus, mais aussi une prévalence différentielle d'autres virus. Sur la base de l'analyse de plantes individuelles, la diversité génétique des virus transmis par pucerons a été analysée, mettant en évidence une différenciation intraspécifique des populations virales entre hôtes sauvages et cultivés pour plusieurs de ces virus. Il s'agit d'un résultat particulièrement intéressant si l'on considère que les carottes cultivées et sauvages sont membres de la même espèce, et qu'elles représentent donc un pathosystème pour lequel peu de contraintes génétiques et botaniques sont attendues sur le flux de virus entre ces deux populations. Globalement, les résultats obtenus suggèrent un impact majeur des conditions de culture liées à l'agriculture dans la structuration de la richesse et de la composition du virome. Ils ont également montré l'existence de flux viraux entre les compartiments sauvage et cultivé mais aussi l'existence de barrières limitant ou empêchant les échanges de certains virus ou de certains groupes d'isolats viraux. Le pathosystème carotte utilisé ici a permis de mieux comprendre les viromes contrastés qui peuvent s'assembler chez des plantes étroitement apparentées à l'interface agro-écologique et fournissent une base pour des recherches plus approfondies sur les barrières biologiques et écologiques s’appliquant aux mouvements des virus, ainsi que sur les interactions entre virus transmis par pucerons dans un réseau complexe d'interdépendances mutuelles.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-04033935 , version 1 (17-03-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04033935 , version 1

Cite

Deborah Schönegger. Analysis of the virome and reciprocal transfers of viruses between cultivated and wild carrot populations. Agricultural sciences. Université de Bordeaux, 2023. English. ⟨NNT : 2023BORD0021⟩. ⟨tel-04033935⟩
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