Effect of Biodiversity Changes in Disease Risk: Exploring Disease Emergence in a Plant-Virus System

The effect of biodiversity on the ability of parasites to infect their host and cause disease (i.e. disease risk) is a major question in pathology, which is central to understand the emergence of infectious diseases, and to develop strategies for their management. Two hypotheses, which can be considered as extremes of a continuum, relate biodiversity to disease risk: One states that biodiversity is positively correlated with disease risk (Amplification Effect), and the second predicts a negative correlation between biodiversity and disease risk (Dilution Effect). Which of them applies better to different host-parasite systems is still a source of debate, due to limited experimental or empirical data. This is especially the case for viral diseases of plants. To address this subject, we have monitored for three years the prevalence of several viruses, and virus-associated symptoms, in populations of wild pepper (chiltepin) under different levels of human management. For each population, we also measured the habitat species diversity, host plant genetic diversity and host plant density. Results indicate that disease and infection risk increased with the level of human management, which was associated with decreased species diversity and host genetic diversity, and with increased host plant density. Importantly, species diversity of the habitat was the primary predictor of disease risk for wild chiltepin populations. This changed in managed populations where host genetic diversity was the primary predictor. Host density was generally a poorer predictor of disease and infection risk. These results support the dilution effect hypothesis, and underline the relevance of different ecological factors in determining disease/infection risk in host plant populations under different levels of anthropic influence. These results are relevant for managing plant diseases and for establishing conservation policies for endangered plant species.

Compromisos en la adaptación a distintos huéspedes en virus de plantas

Los patógenos han desarrollado estrategias para sobrevivir en su entorno, infectar a sus huéspedes, multiplicarse dentro de estos y posteriormente transmitirse a otros huéspedes. Todos estos componentes hacen parte de la eficacia biológica de los patógenos, y les permiten ser los causantes de enfermedades infecciosas tanto en hombres y animales, como en plantas. El proceso de infección produce efectos negativos en la eficacia biológica del huésped y la gravedad de los efectos, dependerá de la virulencia del patógeno. Por su parte, el huésped ha desarrollado mecanismos de respuesta en contra del patógeno, tales como la resistencia, por la que reduce la multiplicación del patógeno, o la tolerancia, por la que disminuye el efecto negativo de la infección. Estas respuestas del huésped a la infección producen efectos negativos en la eficacia biológica del patógeno, actuando como una presión selectiva sobre su población. Si la presión selectiva sobre el patógeno varía según el huésped, se predice que un mismo patógeno no podrá aumentar su eficacia biológica en distintos huéspedes y estará más adaptado a un huésped y menos a otro, disminuyendo su gama de huéspedes. Esto supone que la adaptación de un patógeno a distintos huéspedes estará a menudo dificultada por compromisos (trade-off) en diferentes componentes de la eficacia biológica del patógeno. Hasta el momento, la evidencia de compromisos de la adaptación del patógeno a distintos huéspedes no es muy abundante, en lo que se respecta a los virus de plantas. En las últimas décadas, se ha descrito un aumento en la incidencia de virus nuevos o previamente descritos que producen enfermedades infecciosas con mayor gravedad y/o diferente patogenicidad, como la infección de huéspedes previamente resistentes. Esto se conoce como la emergencia de enfermedades infecciosas y está causada por patógenos emergentes, que proceden de un huésped reservorio donde se encuentran adaptados. Los huéspedes que actúan como reservorios pueden ser plantas silvestres, que a menudo presentan pocos síntomas o muy leves a pesar de estar infectados con diferentes virus, y asimismo se encuentran en ecosistemas con ninguna o poca intervención humana. El estudio de los factores ecológicos y biológicos que actúan en el proceso de la emergencia de enfermedades infecciosas, ayudará a entender sus causas para crear estrategias de prevención y control. Los virus son los principales patógenos causales de la emergencia de enfermedades infecciosas en humanos, animales y plantas y un buen modelo para entender los procesos de la emergencia. Asimismo, las plantas a diferencia de los animales, son huéspedes fáciles de manipular y los virus que las afectan, más seguros para el trabajo en laboratorio que los virus de humanos y animales, otros modelos también usados en la investigación. Por lo tanto, la interacción virus – planta es un buen modelo experimental para el estudio de la emergencia de enfermedades infecciosas. El estudio de la emergencia de virus en plantas tiene también un interés particular, debido a que los virus pueden ocasionar pérdidas económicas en los cultivos agrícolas y poner en riesgo la durabilidad de la resistencia de plantas mejoradas, lo que supone un riesgo en la seguridad alimentaria con impactos importantes en la sociedad, comparables con las enfermedades infecciosas de humanos y animales domésticos. Para que un virus se convierta en un patógeno emergente debe primero saltar desde su huésped reservorio a un nuevo huésped, segundo adaptarse al nuevo huésped hasta que la infección dentro de la población de éste se vuelva independiente del reservorio y finalmente debe cambiar su epidemiología. En este estudio, se escogió la emergencia del virus del mosaico del pepino dulce (PepMV) en el tomate, como modelo experimental para estudiar la emergencia de un virus en una nueva especie de huésped, así como las infecciones de distintos genotipos del virus del moteado atenuado del pimiento (PMMoV) en pimiento, para estudiar la emergencia de un virus que aumenta su patogenicidad en un huésped previamente resistente. El estudio de ambos patosistemas nos permitió ampliar el conocimiento sobre los factores ecológicos y evolutivos en las dos primeras fases de la emergencia de enfermedades virales en plantas. El PepMV es un patógeno emergente en cultivos de tomate (Solanum lycopersicum) a nivel mundial, que se describió primero en 1980 infectando pepino dulce (Solanum muricatum L.) en Perú, y casi una década después causando una epidemia en cultivos de tomate en Holanda. La introducción a Europa posiblemente fue a través de semillas infectadas de tomate procedentes de Perú, y desde entonces se han descrito nuevos aislados que se agrupan en cuatro cepas (EU, LP, CH2, US1) que infectan a tomate. Sin embargo, el proceso de su emergencia desde pepino dulce hasta tomate es un interrogante de gran interés, porque es uno de los virus emergentes más recientes y de gran importancia económica. Para la emergencia de PepMV en tomate, se recolectaron muestras de tomate silvestre procedentes del sur de Perú, se analizó la presencia y diversidad de aislados de PepMV y se caracterizaron tanto biológicamente (gama de huéspedes), como genéticamente (secuencias genomicas). Se han descrito en diferentes regiones del mundo aislados de PMMoV que han adquirido la capacidad de infectar variedades previamente resistentes de pimiento (Capsicum spp), es decir, un típico caso de emergencia de virus que implica la ampliación de su gama de huéspedes y un aumento de patogenicidad. Esto tiene gran interés, ya que compromete el uso de variedades resistentes obtenidas por mejora genética, que es la forma de control de virus más eficaz que existe. Para estudiar la emergencia de genotipos altamente patogénicos de PMMoV, se analizaron clones biológicos de PMMoV procedentes de aislados de campo cuya patogenicidad era conocida (P1,2) y por mutagénesis se les aumentó la patogenicidad (P1,2,3 y P1,2,3,4), introduciendo las mutaciones descritas como responsables de estos fenotipos. Se analizó si el aumento de la patogenicidad conlleva un compromiso en la eficacia biológica de los genotipos de PMMoV. Para ello se evaluaron diferentes componentes de la eficacia biológica del virus en diferentes huéspedes con distintos alelos de resistencia. Los resultados de esta tesis demuestran: i). El potencial de las plantas silvestres como reservorios de virus emergentes, en este caso tomates silvestres del sur de Perú, así como la existencia en estas plantas de aislados de PepMV de una nueva cepa no descrita que llamamos PES. ii) El aumento de la gama de huéspedes no es una condición estricta para la emergencia de los virus de plantas. iii) La adaptación es el mecanismo más probable en la emergencia de PepMV en tomate cultivado. iv) El aumento de la patogenicidad tiene un efecto pleiotrópico en distintos componentes de la eficacia biológica, así mismo el signo y magnitud de este efecto dependerá del genotipo del virus, del huésped y de la interacción de estos factores. ABSTRACT host Pathogens have evolved strategies to survive in their environment, infecting their hosts, multiplying inside them and being transmitted to other hosts. All of these components form part of the pathogen fitness, and allow them to be the cause of infectious diseases in humans, animals, and plants. The infection process produces negative effects on the host fitness and the effects severity will depend on the pathogen virulence. On the other hand, hosts have developed response mechanisms against pathogens such as resistance, which reduces the growth of pathogens, or tolerance, which decreases the negative effects of infection. T he se responses of s to infection cause negative effects on the pathogen fitness, acting as a selective pressure on its population. If the selective pressures on pathogens va ry according to the host s , probably one pathogen cannot increase its fitness in different hosts and will be more adapted to one host and less to another, decreasing its host range. This means that the adaptation of one pathogen to different hosts , will be often limited by different trade - off components of biological effectiveness of pathogen. Nowadays , trade - off evidence of pathogen adaptation to different hosts is not extensive, in relation with plant viruses. In last decades, an increase in the incidence of new or previously detected viruses has been described, causing infectious diseases with increased severity and/or different pathogenicity, such as the hosts infection previously resistants. This is known as the emergence of infectious diseases and is caused by emerging pathogens that come from a reservoir host where they are adapted. The hosts which act as reservoirs can be wild plants, that often have few symptoms or very mild , despite of being infected with different viruses, and being found in ecosystems with little or any human intervention. The study of ecological and biological factors , acting in the process of the infectious diseases emergence will help to understand its causes to create strategies for its prevention and control. Viruses are the main causative pathogens of the infectious diseases emergence in humans, animals and plants, and a good model to understand the emergency processes. Likewise, plants in contrast to animals are easy host to handle and viruses that affect them, safer for laboratory work than viruses of humans and animals, another models used in research. Therefore, the interaction plant-virus is a good experimental model for the study of the infectious diseases emergence. The study of virus emergence in plants also has a particular interest, because the viruses can cause economic losses in agricultural crops and threaten the resistance durability of improved plants, it suppose a risk for food security with significant impacts on society, comparable with infectious diseases of humans and domestic animals. To become an emerging pathogen, a virus must jump first from its reservoir host to a new host, then adapt to a new host until the infection within the population becomes independent from the reservoir, and finally must change its epidemiology. In this study, the emergence of pepino mosaic virus (PepMV) in tomato, was selected as experimental model to study the emergence of a virus in a new host specie, as well as the infections of different genotypes of pepper mild mottle virus (PMMoV) in pepper, to study the emergence of a virus that increases its pathogenicity in a previously resistant host. The study of both Pathosystems increased our knowledge about the ecological and evolutionary factors in the two first phases of the emergence of viral diseases in plants. The PepMV is an emerging pathogen in tomato (Solanum lycopersicum L.) in the world, which was first described in 1980 by infecting pepino (Solanum muricatum L.) in Peru, and almost after a decade caused an epidemic in tomato crops in Netherlands. The introduction to Europe was possibly through infected tomato seeds from Peru, and from then have been described new isolates that are grouped in four strains (EU, LP, CH2, US1) that infect tomato. However, the process of its emergence from pepino up tomato is a very interesting question, because it is one of the newest emerging viruses and economically important. For the PepMV emergence in tomato, wild tomato samples from southern Peru were collected, and the presence and diversity of PepMV isolates were analyzed and characterized at biological (host range) and genetics (genomic sequences) levels. Isolates from PMMoV have been described in different world regions which have acquired the ability to infect pepper varieties that were previously resistants (Capsicum spp), it means, a typical case of virus emergence which involves the host range extension and an increased pathogenicity. This is of great interest due to involve the use of resistant varieties obtained by breeding, which is the most effective way to control virus. To study the emergence of highly pathogenic genotypes of PMMoV, biological clones from field isolates whose pathogenicity was known were analyzed (P1,2) and by mutagenesis we increased its pathogenicity (P1,2,3 and P1,2, 3,4), introducing the mutations described as responsible for these phenotypes. We analyzed whether the increased pathogenicity involves a trade-off in fitness of PMMoV genotypes. For this aim, different components of virus fitness in different hosts with several resistance alleles were evaluated. The results of this thesis show: i). The potential of wild plants as reservoirs of emerging viruses, in this case wild tomatoes in southern Peru, and the existence in these plants of PepMV isolates of a new undescribed strain that we call PES. ii) The host range expansion is not a strict condition for the plant virus emergence. iii) The adaptation is the most likely mechanism in the PepMV emergence in cultivated tomato. iv) The increased pathogenicity has a pleiotropic effect on several fitness components, besides the sign and magnitude of this effect depends on the virus genotype, the host and the interaction of both.