Cross-Kingdom RNAi: Evolutionary Considerations in the Small RNA Warfare

Abstract

[ES] Las plantas están bajo el ataque continuo de múltiples patógenos, pero solo los que tienen éxito logran causar infecciones. Los patógenos exitosos hacen uso de un armamento diverso que puede interferir o manipular el sistema inmunológico de la planta. En los últimos años, los RNA pequeños (sRNA) se han indicado como una nueva clase de efectores. Los sRNA son RNA reguladores no codificantes que inducen el silenciamiento génico mediante la carga en proteínas Argonaute (AGO)/complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC). Los patógenos y parásitos son capaces de traficar estos efectores de ARNs hacia sus huéspedes, provocando el silenciamiento de genes en un fenómeno conocido como "interferencia de ARN entre reinos", RNAi CROSS-KINGDOM, (ckRNAi). Curiosamente, este fenómeno puede ser bidireccional. A pesar de la creciente evidencia de ckRNAi en una amplia variedad de interacciones, la dinámica coevolutiva entre los loci productores de sRNA y los sitios objetivo de sRNA en los huéspedes está poco estudiada. Una pregunta clave que surge con respecto a la evolución de los efectores de sRNA en un contexto de ckRNAi es si esas secuencias son el resultado de la presión de selección. Debido a que la eficiencia de ckRNAi depende de la complementariedad entre los efectores de sRNA y sus sitios objetivo, durante la carrera armamentista se esperaría que las mutaciones en los sitios objetivo se seleccionen para evitar la complementariedad. Por otro lado, también se esperaría una diversificación de las secuencias efectoras de sRNA para que el patógeno siga el ritmo de las variaciones del sitio objetivo del huésped. Sin embargo, este tipo de dinámica coevolutiva no está clara para los parásitos con una coevolución menos estricta, es decir, los patógenos generalistas. Por lo tanto, surge otra pregunta: ¿cómo se puede mantener este tipo de interacción a lo largo del tiempo evolutivo en patógenos con una amplia gama de huéspedes? Una hipótesis alternativa es que los organismos productores de efectores de sRNA implementan una plétora de secuencias de sRNA, algunas de las cuales pueden alcanzar la transcripción del huésped por casualidad. Esta última se conoce como una "estrategia de escopeta". Con el fin de arrojar luz sobre la dinámica coevolutiva entre los efectores de sRNA y sus sitios objetivo, se realizaron análisis comparativos genómicos en el patógeno generalista necrotrófico Botrytis cinerea. Se examinó la presencia de múltiples efectores de sRNA en 99 poblaciones de Botrytis y se formaron grupos. Además, se evaluó la conservación del sitio objetivo en una amplia gama de hospedantes. Asimismo, se exploraron las variaciones en las secuencias efectoras de sRNA y su correlación con las sustituciones del sitio diana. Los resultados mostraron que las poblaciones de Botrytis no se agruparon en función de sus huéspedes de origen, origen geográfico o agresividad. Sin embargo, se formaron dos grupos principales basados en la presencia de sRNA derivados de elementos transponibles. Los análisis de conservación mostraron que algunos sitios objetivo están altamente conservados en múltiples huéspedes de Botrytis, pero la mayoría de los sitios no están conservados. No se encontraron secuencias compensatorias entre las variaciones de las secuencias de sRNA y las sustituciones en los sitios diana conservados. En general, estos resultados sugerirían que B. cinerea puede seguir una estrategia de escopeta, pero se necesitan más estudios para confirmar esta hipótesis. Finalmente, este trabajo incluye una revisión de la literatura sobre la coevolución en las interacciones planta-parásito, así como los antecedentes teóricos tanto de los sRNA como de los ckRNAi.

[EN] Plants are under the continuous attack of multiple pathogens, but only successful ones manage to cause infections. Successful pathogens make use of a diverse armament that can interfere with or manipulate the plant immune system. In recent years, small RNAs (sRNAs) have been indicated as a new class of effectors. sRNAs are non-coding regulatory RNAs that induce gene silencing by loading into Argonaute (AGO)/RNA-induced silencing complex (RISC) proteins. Pathogens and parasites are capable of trafficking these sRNA effectors into their hosts, causing gene silencing in a phenomenon known as "Cross-kingdom RNA interference" (ckRNAi). Interestingly, this phenomenon can be bidirectional. Despite increasing evidence for ckRNAi in a wide variety of interactions, the coevolutionary dynamics between the sRNA-producing loci and the sRNA target sites in the hosts is poorly studied. One key question that arises regarding the evolution of sRNA effectors in a context of ckRNAi is whether those sequences are the result of selection pressure. Because ckRNAi efficiency depends on the complementarity between the sRNA effectors and their target sites, during arms race it would be expected that mutations in the target sites are selected to avoid complementarity. On the other hand, a diversification of the sRNA effector sequences would also be expected for the pathogen to keep pace with the host's target site variations. Nevertheless, this kind of co-evolutionary dynamic is unclear for parasites with a less stringent co-evolution, i.e., generalist pathogens. Hence, another question arises: how can this kind of interaction be maintained throughout evolutionary time in pathogens with a broad range of hosts. An alternative hypothesis is that the sRNA effector-producing organisms deploy a plethora of sRNA sequences of which some are able to hit host transcript by chance. The latter is known as a "shotgun strategy". In order to shed light on the co-evolutionary dynamics between sRNA effectors and their target sites, genomic comparative analyses in the necrotrophic-generalist pathogen Botrytis cinerea were performed. The presence of multiple sRNA effectors in 99 Botrytis populations was examined and clusters were formed. Additionally, the target site conservation in a wide range of hosts was evaluated. Likewise, the variations in the sRNA effector sequences and their correlation with target site substitutions were explored. The results showed that the Botrytis populations were not clustered based on their source hosts, geographical origin, or aggressiveness. However, two main clusters were formed based in the presence of sRNAs derived from transposable elements. Conservation analyses showed that some target sites are highly conserved across multiple Botrytis hosts, but with most sites being non-conserved. Compensatory sequences between the variations of the sRNA sequences and the substitutions in conserved target sites were not found. Overall, these results would suggest that B. cinerea may follow a shotgun strategy, but further studies are necessary to confirm this hypothesis. Finally, this work includes a literature review on the co-evolution in plant-parasite interactions, as well as theoretical background of both sRNAs and ckRNAi.