Los viroides, los agentes infecciosos más simples de la escala biológica, están constituidos por una molécula circular de RNA monocatenario de aproximadamente 250-400 nucleótios (nt) que no codifica proteína alguna. A pesar de esta simplicidad estructural, los viroides son capaces de replicarse autónomamente, moverse sistémicamente y en muchos casos causar enfermedades en sus plantas huéspedes. Las infecciones producidas por viroides representativos generan la acumulación de pequeños RNAs viroidales (vd-sRNAs) de 21-24 nt con características similares a los pequeños RNA interferentes (siRNAs), la huella dactilar del silenciamiento mediado por RNA. La identificación de los vd-sRNAs implica que los viroides son diana de la primera barrera de silenciamiento mediado por RNA, formada por las RNasas ‘Dicer-like’ (DCLs). Para examinar si los vd-sRNAs se unen a las proteínas AGOs —el componente clave del complejo RISC (‘RNAinduced silencing complex’) que constituye la segunda barrera del silenciamiento mediado por RNA— hojas de Nicotiana benthamiana infectadas por el viroide del tubérculo fusiforme de la patata (PSTVd) se agroinfiltraron con nueve de las diez proteínas AGOs de Arabidopsis thaliana. Inmunoprecipitaciones a partir de los halos agroinfiltrados y análisis ‘Western-’ y ‘Northern-blot’ han mostrado que todas las AGOs se expresaron y, a excepción de AGO6, AGO7 y AGO10, unieron vd-sRNAs: AGO1, AGO2 y AGO3 los de 21 y 22 nt, mientras que AGO4, AGO5 y AGO9 también mostraron afinidad por los de 24 nt. La secuenciación masiva mostró que las AGO1, AGO2, AGO4 y AGO5 agroexpresadas unen los PSTVd-sRNAs en función de su tamaño y nucleótido 5’-terminal, y que los perfiles de los correspondientes vd-sRNAs cargados en las AGOs adoptan una distribución específica a lo largo del genoma viroidal. La agroexpresión de AGO1, AGO2, AGO4 y AGO5 en hojas de N. benthamiana infectadas con PSTVd atenuó la acumulación de los RNAs genómico viroidales, indicando que éstos, o sus precursores, también son diana de RISC. En contraste con los ribovirus, la infección de PSTVd en N. benthamiana no afectó de forma significativa la regulación mediada por miR168 de la AGO1 endógena, que carga vd-sRNAs con especificidad similar a su homóloga de A. thaliana. Mientras se conoce bien la biogénesis de los RNA viroidales, su degradación está restringida a algunos datos que implican al silenciamiento mediado por RNA. En el curso de nuestros estudios sobre el PSTVd, hemos observado consistentemente un patrón de 6-7 RNAs subgénomicos (sgRNAs) de polaridad (+) que aparecen junto con los RNAs monoméricos circulares y lineares en berenjena, un huésped experimental de este viroide. Hibridaciones ‘Northern-blot’ con sondas de tamaño parcial y completo, mostraron que los sgRNAs (+) de PSTVd derivan de diferentes regiones del RNA genómico y que algunos son parcialmente solapantes. Parte de los sgRNAs (+) de PSTVd se observaron también en N. benthamiana y tomate, donde han pasado desapercibidos a causa de su menor acumulación. El análisis por extensión de cebador de sgRNAs (+) de PSTVd representativos excluye que sean productos de terminaciones prematuras de la transcripción, pues carecen del extremo 5’ común que cabría esperar si ésta empezara en una posición específica. Ulteriores análisis mediante 5’- y 3’-RACE indican que los sgRNAs (+) de PSTVd tienen extremos 5’-OH y 3’-P, que probablemente resultan de cortes endonucleolíticos de precursores más largos catalizados por RNasas típicas que generan este tipo de extremos. Análisis de sgRNA (-) de PSTVd, que también se acumulan en berenjena infectada, mostraron que presentan características estructurales muy similares a los sgRNA (+). Nuestros resultados proporcionan una nueva visión de cómo ocurre la degradación in vivo de los RNAs viroidales, posiblemente durante su replicación, y sugieren que síntesis y degradación de las cadenas de PSTVd están conectadas, como se ha observado en los mRNAs. / Minoia, S. (2015). Degradación in vivo de un viroide de replicación nuclear: rutas catalizadas por proteínas Argonauta cargadas con pequeños RNAs viroidales y por otras ribonucleasas que generan RNAs subgenómicos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48553 / TESIS

El virus de la tristeza de los cítricos (Citrus tristeza virus; CTV) es el agente causal de unas de las enfermedades virales de los árboles cítricos más devastadoras en el mundo. CTV está restringido al floema en su huésped cítrico natural, y ha desarrollado tres proteínas supresoras de silenciamiento que actúan a nivel intra-(p23 y p20) e intercelular (p20 y p25) para superar la fuerte defensa antiviral del huésped. La interferencia de RNA, una aproximación basada en el uso de dsRNA para desencadenar el silenciamiento de RNA, ha sido utilizada ampliamente para generar plantas transgénicas resistentes a virus. Considerando el importante papel de p23, p20 y p25 en la patogénesis de CTV, hemos transformado plantas de lima Mexicana con un vector intrón-horquilla que porta la secuencia completa en versión no traducible de los genes p25, p20, p23 y el extremo 3¿-UTR de la cepa T36 de CTV, para intentar silenciar su expresión en células infectadas. Se ha observado resistencia completa a la infección viral en tres líneas transgénicas, manteniéndose todas sus propagaciones asintomáticas y libres de virus tras ser inoculadas mediante injerto con CTV-T36, tanto en el portainjertos no transgénico como directamente sobre la variedad transgénica. La acumulación de siRNA derivados del transgén fue necesaria pero no suficiente para lograr resistencia frente a CTV en las plantas. Al inocular propagaciones de las líneas transgénicas inmunes con una cepa de CTV divergente, la resistencia fue parcialmente superada, destacando la importancia de la identidad de secuencia en el mecanismo subyacente a la interferencia de RNA. Este trabajo es el primero en que se consigue resistencia completa a CTV en un huésped cítrico muy sensible, actuando simultáneamente sobre los tres supresores virales de silenciamiento mediante interferencia de RNA. La proteína p23 codificada por el virus es además un importante factor de patogenicidad. La expresión ectópica de p23 en plantas de cítricos induce aberraciones fenológicas semejantes a síntomas de CTV. Para estudiar en más detalle el papel de p23 en la patogénesis de CTV, se ha sobre-expresado en lima Mexicana el gen p23 de CTV T36 y tres versiones truncadas del mismo bajo el control del promotor 35S del virus del mosaico de la coliflor (Cauliflower mosaic virus). Solo la versión truncada, que expresa los aminoácidos del 1 al 157 (p23-¿157) indujo síntomas similares a los producidos por CTV, aunque más suaves que los inducidos por la expresión de la proteína p23 entera (209 aminoácidos), permitiendo delimitar la región responsable de la patogénesis de p23 en cítricos a un fragmento de 157 aminoácidos que incluye el dedo de zinc y los motivos básicos flanqueantes de la proteína. La actividad de p23 como supresor de silenciamiento de RNA en N. benthamiana se perdía en todos los mutantes de p23 probados, lo cual indica que la supresión de silenciamiento implica a la mayoría de las regiones de la proteína. Para profundizar más en el papel de p23 en la patogénesis, en un siguiente paso hemos restringido la expresión de transgenes derivados de p23 a células asociadas al floema de lima Mexicana mediante el uso del promotor especifico de floema del virus del moteado amarillo de la comelina (Commelina yellow mottle virus, CoYMV). Se transformó lima Mexicana con construcciones que portaban el gen p23 completo, ya sea de la cepa agresiva de CTV T36 o de la suave T317, o con un fragmento que comprende el dedo de zinc y los motivos básicos flanqueantes de la primera, todas ellas bajo el control bien del promotor de CoYMV o bien del promotor constitutivo 35S. La expresión de estas construcciones en el floema dio lugar a aberraciones semejantes a los síntomas específicos de CTV, pero no a los síntomas inespecíficos observados cuando se expresaba p23 de forma constitutiva. Por otra parte, la apariencia e intensidad de las aberraciones fenotípicas más notorias similares a síntomas inducidos por CTV generadas por la expresión específica en floema del gen p23 se relacionó positivamente con la agresividad de la cepa origen utilizada. Además, la expresión en tejidos floemáticos del fragmento de p23 que comprende el dominio de dedo de zinc y los motivos básicos flanqueantes fue suficiente para inducir síntomas semejantes a los producidos por la infección con CTV, confirmando así que la región N-terminal delimitada por los aminoácidos 1 y 157 podría determinar, al menos en parte, la patogénesis de CTV en lima Mexicana. / Citrus tristeza virus (CTV) is the causal agent of one of the most devastating viral diseases of citrus trees in the world. CTV is phloem-restricted in natural citrus hosts, and has evolved three silencing suppressor proteins acting at intra- (p23 and p20) and inter-cellular level (p20 and p25) to overcome strong host antiviral defense in citrus. RNA interference (RNAi), an approach based on using dsRNA to trigger RNA silencing, has been widely used for generating transgenic plants resistant against viruses. Considering the important role of p23, p20 and p25 in CTV pathogenesis, we have transformed Mexican lime plants with an intron-hairpin vector carrying full untranslatable versions of genes p25, p20, p23 and the 3¿-UTR from the CTV strain T36, to attempt silencing their expression in CTV-infected cells. Complete resistance to viral infection was observed in three transgenic lines, with all their propagations remaining symptomless and virus-free after graft-inoculation with CTV-T36, either in the non-transgenic rootstock or directly in the transgenic scion. Accumulation of transgene-derived siRNAs was necessary but not sufficient for CTV resistance. Challenging immune transformants with a divergent CTV strain resulted in partial breakage of the resistance, stressing the importance of sequence identity in the underlying RNAi mechanism. This is the first evidence that it is possible to achieve full resistance to CTV in a highly sensitive citrus host by targeting simultaneously its three viral silencing suppressors through RNAi. The p23 protein encoded by the virus is additionally an important pathogenicity factor. Ectopic expression of p23 in transgenic citrus plants induces developmental aberrations resembling CTV symptoms. To explore in more detail the role of p23 in CTV pathogenesis, the p23 gene from CTV T36 and three truncated versions thereof under the control of the Cauliflower mosaic virus 35S promoter were used to transform Mexican lime. Only the truncated version expressing amino acids 1 to 157 (p23¿158-209) elicited CTV-like symptoms, similar to, albeit milder than, those incited by expressing the whole p23 protein (209 amino acids), thus delimiting the region responsible for p23 pathogenesis in citrus to a 157 amino acid fragment including the Zn finger and flanking basic motifs of the protein. RNA silencing suppressor activity of p23 in N. benthamiana was abolished by all mutants tested, indicating that silencing suppression involves most p23 regions. To better define the role of p23 in CTV pathogenesis, we next restricted the expression of p23-derived transgenes to phloem-associated cells in Mexican lime plants by means of using the phloem-specific promoter from Commelina yellow mottle virus (CoYMV). Constructions carrying the complete gene p23 from either the severe T36 or the mild T317 CTV strains, or a fragment comprising the zinc-finger and flanking basic motifs from the former, either under the control of the CoYMV promoter or the constitutive 35S promoter were used for genetic transformation of Mexican lime. Expression of these constructs in the phloem incited aberrations resembling CTV-specific symptoms, but not the unspecific symptoms observed when p23 was constitutively expressed. Moreover, appearance and intensity of the most notorious CTV-like phenotypic aberrations induced by the phloem-specific expression of the p23 gene were positively related with the aggressiveness of the source CTV strain used. Additionally, expression in phloem-tissues of the p23 fragment comprising the zinc-finger domain and flanking basic motifs was sufficient to induce CTV-like symptoms, corroborating that the N-terminal region (delimited by amino acids 1 and 157) determines, at least in part, CTV pathogenesis in Mexican lime. / Soler Calvo, N. (2013). Transgenic resistance against Citrus tristeza virus (CTV) and analysis of the viral p23 protein as pathogenicity determinant in citrus [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31631 / TESIS

Le succès évolutif de la polyploïdie, notamment de l’allopolyploïdie (où la duplication de génome complet est associée à une hybridation entre génomes différenciés) est en partie lié au fait que cet événement s’accompagne de nombreux changements dans l'organisation du génome et la régulation de l'expression des gènes. On parle du « choc génomique » de l’hybridation interspécifique et de l’allopolyploïdie. Ces sources de diversité génétique, à la fois structurale et fonctionnelle, apparaissent utiles et nécessaires à l'adaptation et l’évolution des espèces. Alors que de nombreuses études portant sur la compréhension des mécanismes moléculaires à l’origine du succès des allopolyploïdes ont concerné les modifications de l’expression des gènes, mes travaux de thèse ont porté sur les agents non codants du génome que sont les éléments transposables et les petits ARN non codants. Le modèle d'étude est le colza (Brassica napus, AACC), espèce allotétraploïde issue de l'hybridation entre les espèces diploïdes navette (B. rapa, AA) et chou (B. oleracea, CC). Nous disposions de colzas néo-synthétisés, étudiés à différentes générations d’autofécondation, permettant de caractériser les changements génomiques accompagnant la formation puis l’évolution du génome néo-allopolyploïde. Une étude a tout d’abord été menée sur un élément transposable (ET) spécifique du génome C, Bot1, en vue d’identifier de nouvelles transpositions survenant chez les colzas néo-synthétisés par rapport aux parents diploïdes, par une approche SSAP. Quelques rares événements de transposition ont été identifiés. Ces résultats, confrontés à ceux obtenus sur deux autres ET, ont permis de mettre en évidence un impact modéré de l’allopolyploïdie sur la transposition de ces différents ET. Par contre, il est apparu que des changements de méthylation auraient accompagné cette allopolyploïdisation, sans doute à l’origine de la réactivation et la transposition de quelques copies de Bot1. Les petits ARN non codants ont été suggérés comme impliqués dans les différents événements génomiques accompagnant la formation d’un génome allopolyploïde. Pour étudier la dynamique d’expression des petits ARN chez des colzas néo-synthétisés pris à deux générations d’autofécondation (S1, S5) en comparaison de leurs parents diploïdes, j’ai exploité des données de séquençage haut débit obtenues pour 11 banques construites à partir des tiges de ces différents génotypes. J’ai ainsi démontré, qu’à une échelle globale, les petits ARN présentaient une réponse immédiate mais transitoire à l’événement d’allopolyploïdie. Les fractions particulièrement affectées par l’allopolyploïdie se sont révélées correspondre (1) à des petits ARN interférents dérivés d’éléments transposables avec une baisse de leur abondance en génération précoce S1, et (2) à des populations de petits ARN de 21 nucléotides exprimées uniquement de manière très précoce, de l’hybride F1 à la génération S1. Nous avons notamment identifié des transcrits de type viral correspondant à ces petits ARN de 21-nt, et présentant les mêmes profils d’expression (de l’hybride F1 à la génération S1), suggérant une réactivation d’éléments viraux endogènes (EVE) en réponse à l’hybridation et l’allopolyploïdie. L’ensemble de mon étude a démontré la mise en place d’une succession des voies de régulation par petits ARN où ET et EVE, réactivés au niveau transcriptionnel, sont immédiatement soumis à une répression post-transcriptionnelle (PTGS), renforcée ensuite par une répression de leur transcription (TGS). L’hypothèse d’une absence de cette régulation par petits ARN lors des phénomènes de nécrose et létalité hybride, amène à envisager ces populations de petits ARN comme les clés de la réussite de la formation d’un génome hybride, où la répression immédiate et efficace des ET et autres endovirus, réactivés suite au choc génomique, se révèle être une nécessité. / The evolutionary success of polyploid species is partly due to the dynamic changes in genome organization and gene expression patterns that occur at the onset of the polyploid formation. These changes are promoted by the merging of divergent genomes into a single nucleus (i.e. allopolyploidy) that causes a “genomic shock”; they are thought to provide a rich source of new genetic material upon which selection can act to promote adaptation and evolution. Many studies have thus aimed to uncover molecular mechanisms that are responsible for the evolutionary success of allopolyploid species, most of them focusing on gene expression changes. In the present PhD thesis, my interest has been concentrated on the non-coding components of the genome: transposable elements and small non-coding RNAs. My study involves oilseed rape (Brassica napus, AACC), a relatively young allopolyploid species that originated from hybridizations between B. rapa (AA) and B. oleracea (CC). Specifically, I have used resynthesized B. napus polyploids advanced by self-pollination of single plants for several generations; I have analyzed these plants at different generations for genomic changes accompanying polyploid formation and subsequent evolution. In a first part, sequence-specific amplification polymorphism (SSAP) targeting the C genome-specific transposable element Bot1, was used to evaluate transposition rate of Bot1 in resynthesized B. napus in comparison with the diploid parents. Only a few transposition events were identified. When combined with the results obtained for two other TEs, this work suggests that allopolyploidy has only a moderate impact on TE transposition and restructuring. The changes observed in SSAP profiles led us to hypothesize that some of them resulted from changes in DNA methylation, resulting in rare but highly specific TE activation and transposition. In a second part, I have concentrated on small non-coding RNAs (sRNAs), which are thought to mediate different aspects of the response to the “genomic shock” induced by allopolyploid formation. Comprehensive analyses of sRNA expression in resynthesized B. napus allopolyploids have been carried out by deep sequencing sRNAs from 11 libraries prepared from stems of three allotetraploids (surveyed at the two generations S1 and S5) and the two diploid parents. Characterization of sRNA distributions in these plants indicates that sRNAs show an immediate but transient response to allopolyploidy. The sRNAs derived from transposable elements (down-regulated in the S1) or targeting unknown sequences (no Blast hit against any available public database) were particularly affected. The use of B. napus mRNAseq data revealed that these latest unknown candidates, which are 21-nt long and over-expressed in the earliest generations (F1, S0, S1) were derived from endogenous viral elements (EVE). We confirmed that these EVEs showed the same expression patterns as the 21-nt long sRNAs that specifically target them (over-expression in the F1, S0 and S1). These results suggest that (at least) some EVEs might be reactivated as a response to the merging of divergent genomes (in interspecific hybrids and newly formed allopolyploids). Altogether, our results have demonstrated a succession of sRNA pathways that counteract the reactivation of some specific TEs and/or EVEs at the onset of polyploid formation; reactivated TEs and/or EVEs being immediately repressed at the post-transcriptional level (PTGS), and then fully repressed by transcriptional gene silencing (TGS) in the subsequent generations. Such data lead to hypothesize that sRNAs are essential to overcome interspecific hybrid incompatibilities due to the uncontrolled and deleterious reactivation of TEs / EVEs. Therefore, sRNAs should be considered as the guardians of genome integrity even in newly-formed allopolyploids.