Caracterización molecular del viroma de plantas solanáceas de importancia económica en Antioquia

Abstract

La familia Solanaceae es considerada como el tercer taxón botánico más importante a nivel agronómico y uno de los grupos de plantas mejor estudiados en su biología, ecología e interacciones con otros organismos, incluyendo sus patógenos. En la región andina de Colombia, las especies de solanáceas de mayor importancia económica son afectadas por diversas enfermedades de origen biótico que limitan sus rendimientos y la calidad final de sus productos, destacándose las enfermedades de origen viral, ya que no sólo disminuyen los rendimientos de los cultivos, sino también su longevidad y las características organolépticas de sus frutos y/o tubérculos, con la consecuente reducción de su valor comercial. En las regiones andinas de Colombia se cultivan diferentes solanáceas para el consumo interno y con gran potencial para su exportación como frutas y tubérculos exóticos; entre estas especies de plantas se destacan las variedades locales de papa común (Solanum tuberosum subsp. andigena), tomate (S. lycopersicum), pimentón (Capsicum annuum), lulo (S. quitoense) y uchuva (Physalis peruviana). Desafortunadamente, el nivel de conocimiento que se tiene de los agentes causales y de los efectos de las enfermedades virales sobre dichos cultivos es aún incipiente en nuestro país y por consiguiente las estrategias de manejo que emplean los agricultores para su manejo resultan ineficientes y con un alto costo no sólo económico sino ambiental. Dada esta problemática de desconocimiento de los componentes del viroma de solanáceas cultivadas en los Andes, en esta tesis se utilizaron diversas metodologías moleculares, incluyendo la Secuenciación de alto rendimiento (HTS), utilizando como región de estudio el oriente de Antioquia. Como base para los análisis moleculares, se utilizó tanto la extracción de ARN total como de ARN de doble cadena (ARNdc), encontrándose que son metodologías complementarias con respecto a la diversidad viral y a la cobertura de los genomas a identificar. Las secuencias obtenidas mediante HTS fueron empleadas para 7 dirigir la detección por RT-PCR convencional y RT-PCR en tiempo real (RT-qPCR) de los virus en muestras individuales de dichas plantas. Los resultados del trabajo indicaron la presencia de los virus: PLRV, PYVV, PMTV, PVY, PVX, PVS, BPEV, ANSV y CMV en cultivos de lulo, siendo algunos de estos virus los primeros reportes en el mundo sobre este hospedante. Para el caso de la uchuva, se logró detectar un nuevo virus del género Ilarvirus (CGIV-1); así como PVY, PMTV, PYVV, PYV, STV y PVS. Por otra parte, en pimentón se destaca la detección con altos niveles de incidencia del tospovirus ANSV, así como también del CMV, PVY y BPEV; mientras que, en cultivos de tomate, se detectó por primera vez en el país el virus STV, del cual también se obtuvo su secuencia genómica completa, al igual que del PYVV, PVX, PVS y PVY. En papa se logró aumentar el número de secuencias genómicas de los virus PVY, PVX, PYVV, PLRV y PVS. Finalmente, en el trabajo se evaluó la infección de virus directamente en tubérculos-semilla de papa y en semilla sexual de tomate (comercial y no comercial), evidenciándose una alta prevalencia de algunos virus en este material de siembra. Se espera que la información obtenida sobre el viroma de este grupo de hospedantes sea utilizada en Colombia y en otros países para diseñar programas de manejo integrado de enfermedades virales que reduzcan las pérdidas económicas ocasionadas por dichos patógenos; así como también que se implementen las herramientas moleculares aquí evaluadas para la detección rutinaria de virus en programas cuarentenarios, epidemiológicos, de mejoramiento genético y de producción de semilla certificada en estos cultivos.

The Solanaceae family is considered the third most important botanical taxon in agronomy. As such, it is one of the most studied plant groups when it comes to its biology, ecology and plant-microbe interactions. The Andean region of Colombia is known for growing numerous Solanaceae species of great economic importance, which are constantly affected by different diseases of biotic origin that can significantly reduce their yield and compromise the final quality of their products. Among these, viral diseases stand out due to their potential to reduce the crop’s yield, interfere with its longevity and impact the organoleptic properties of its fruits and/or tubers, therefore reducing their commercial value. South America is known for being one of the main centers of diversity of Solanaceae species. In Colombia, these crops are grown both to supply internal demand of produce and as important export products due to their exotic and nutritional properties. Among these Solanaceae species, local varieties of potato (Solanum tuberosum subsp. andigena), tomato (S. lycopersicum), bell pepper (Capsicum annuum), lulo (S. quitoense) and cape gooseberry (Physalis peruviana) stand out. Despite the importance of this Solanaceous crops, information regarding their viral diseases, specific causal agents and their effects on the crop is still scarce. As a consequence, management strategies directed towards preventing or controlling the disease are often ineffective, but nevertheless expensive both from an economic and from an environmental standpoint. 9

The goal of this work was to expand the knowledge about the virome of Solanaceous species cultivated in the Andes, using eastern Antioquia as the study region and different molecular techniques, including Throughput Sequencing (HTS), to identify and characterize viral pathogens. As source material, both total RNA and double stranded RNA (dsRNA) were extracted from plant tissue and analyzed for viral RNA. We found that both methodologies complement each other increasing the sensibility of the analysis. Simultaneously using both techniques resulted in a larger number of virus identified and an improved coverage of their sequenced genomes. The sequences obtained through HTS were used to guide the detection of viruses in individual plant samples by conventional RT-PCR and real time RT-PCR (RT-qPCR). The main result of this work is a comprehensive list of the viruses found infecting different Solanaceous crops. The viruses PLRV, PYVV, PMTV, PVY, PVX, PVS, BPEV, ANSV and CMV were identified in lulo, with some of these being the first worldwide report of the particular virus infecting this crop. In the case of cape gooseberry, a new virus from the genera Ilarvirus (CGIV-1) was detected. Additionally, PVY, PMTV, PYVV, PYV, STV and PVS were also found infecting this crop. For bell pepper, ANSV tospovirus was detected with high incidence, as well as CMV, PVY and BPEV. In tomato, STV virus was reported for the first time in Colombia, and its complete genomic sequence was obtained. PYVV, PVX, PVS and PVY were also identified infecting tomato. Finally, in potato, PVY, PVX, PYVV, PLRV and PVS were detected and sequenced, increasing the number of complete genome sequences available for these viruses. Furthermore, we directly used potato seed tubers and tomato sexual seeds (commercial and non-commercial) for virus detection and we were able to observe a high prevalence of viruses in this planting material. 10

The results obtained in this work regarding the virome of Solanaceous provide valuable information that can be used, not only in Colombia, but many other regions to design more effective integrated management programs for prevention and control of viral diseases. The implementation of informed management decision could significantly decrease the economic losses caused by viral pathogens. In a similar manner, the implementation of the molecular tools evaluated and designed here could facilitate efforts for the routine detection of viruses for quarantine and epidemiological purposes as well as to complement programs focusing on the genetic improvement and certified seed production of these crops.