A study of the natural variations in the plant Argonaute 2 protein and viral resistance

Abstract

Abstract: RNA silencing is a major mechanism of constitutive antiviral defense in plants. Argonaute proteins (AGO) and dicer-like proteins (DCL) have been identified to be the major players in the RNA silencing pathway. By targeting double-stranded RNA derived from infection from viruses, plants are able to use RNA silencing as an efficient antiviral tool. The genome of the model plant, Arabidopsis thaliana (A. thaliana) encodes ten AGO proteins and four DCL proteins. Previous studies have revealed that although all AGOs possess an intrinsic ability to target viral RNA depending on the virus in question (Brosseau and Moffett, 2015), AGOs 1 and 2, are the most studied AGOs for defense against RNA viruses. Work done during my studies, focused on the genetic variability present within the AGO2 gene. In order to determine the role(s) of genetic variation within the AGO2 gene during virus infections, the polymorphisms present in the AGO2 gene in natural A. thaliana accessions was assessed. These accessions were infected with a Potexvirus, a Potyvirus and a Cucumovirus. Based on previous work in our lab (Brosseau et al., 2019), we classified these accessions as Col-0-like AGO2 accessions or C24-like AGO2 accessions. Results from this study show that the Col-0-like AGO2 allele is necessary for defense against certain virus whereas the C24-like AGO2 allele does not confer resistance to virus infections. Although the C24 AGO2 allele is not important for resistance against virus infection, we show that the said allele is important for reproductive efforts in the absence of viruses. This revealed a trade-off between reproduction and defense. Since both AGO2 alleles are present at high frequency in nature, the C24-AGO2 allele, which confers susceptibility to viruses, has been retained due to its conferring a reproductive advantage. A result that has never been reported for an AGO gene. The interspecies variations in the AGO2 protein was also explored. By developing transgenic N. bethamiana and tomato plants that express an A. thaliana AGO2 (AtAGO2) protein, the accumulation of PVX was monitored. In these transgenic plants, AtAGO2 helped to curtail the movement and accumulation of PVX in upper non-inoculated leaves. We report that the transgenic plants were more tolerant to PVX infection. In conclusion, work presented in this thesis investigates the natural variations present in and how these variations are important for virus resistance. Also, by utilizing a non-host resistance approach, the engineering of viral resistant plants was achievable.

La neutralisation de l'ARN est un mécanisme majeur de défense antivirale constitutive chez les plantes. Les protéines Argonaute (AGO) et les protéines de type dicer (DCL) ont été identifiées comme étant les principaux acteurs de la voie de silençage de l'ARN. En ciblant l'ARN double brin issu d'une infection virale, les plantes peuvent utiliser le silençage de l'ARN en tant qu'outil antiviral efficace. Le génome de la plante modèle, Arabidopsis thaliana, code pour dix protéines AGO et quatre protéines DCL. Des études antérieures ont révélé que, même si toutes les AGO possèdent une capacité intrinsèque de cibler l'ARN viral en fonction du virus en question (Brosseau et Moffett, 2015), les AGO 1 et 2 sont les AGO les plus étudiées pour la défense contre les virus à ARN. Les travaux effectués au cours de mes études ont porté sur la variabilité génétique présente dans le gène AGO2. Afin de déterminer le (s) rôle (s) de la variation génétique dans le gène AGO2 au cours d'infections virales, les polymorphismes présents dans le gène AGO2 dans des accessions d'Arabidopsis naturelles ont été évalués. Ces accessions étaient infectées par un Potexvirus, un Potyvirus et un Cucumovirus. Sur la base de travaux antérieurs dans notre laboratoire (Brosseau et al., 2019), nous avons classé ces accessions en tant qu'accessions de type Col-0 AGO2 ou en tant que accessions de type C24 AGO2. Les résultats de cette étude montrent que l'allèle AGO2 de type Col-0 est nécessaire à la défense contre potex et poty, alors que l'allèle AGO2 de type C24 ne confère pas de résistance aux infections virales. Bien que l'allèle C24 AGO2 ne soit pas important pour la résistance à l'infection virale, nous montrons que cet allèle est important pour les efforts de reproduction en l'absence de virus. Cela a révélé un compromis entre reproduction et défense. Étant donné que les deux allèles AGO2 sont présents à une fréquence élevée, l'allèle C24-AGO2, qui confère une sensibilité aux virus, a été retenu pour son avantage en matière de reproduction. Un résultat qui n'a jamais été rapporté pour un gène AGO. Les variations interspécifiques de la protéine AGO2 ont également été explorées. En développant des plantes transgéniques de Nicotiana benthamiana et de tomates possédant une AGO2 d'Arabidopsis, on a évalué l'accumulation de PVX. Dans ces plantes transgéniques, AtAGO2 a permis de limiter le mouvement et l'accumulation de PVX dans les feuilles systémiques. Nous rapportons que les plantes transgéniques étaient plus tolérantes à l'infection à PVX. En conclusion, les travaux présentés dans cette thèse étudient les variations naturelles présentes dans et leur importance pour la résistance aux virus. En outre, en utilisant une approche de résistance sans hôte, l’ingénierie de plantes résistantes aux virus était réalisable.