Molecular and pathobiological characterization of 61 Potato mop-top virus full-length cDNAs reveals great variability of the virus in the centre of potato domestication, novel genotypes and evidence for recombination

Abstract

The evolutionary divergence of Potato mop-top virus (PMTV), a tri-partite, single-stranded RNA virus, is exceptionally low, based on the analysis of sequences obtained from isolates from Europe, Asia and North America. In general, RNA viruses exist as dynamic populations of closely related and recombinant genomes that are subjected to continuous genetic variation. The reason behind the low genetic variation of PMTV remains unclear. The question remains as to whether the low variability is a shared property of all PMTV isolates or is a result of the limited number of isolates characterized so far. We hypothesized that higher divergence of the virus might exist in the Andean regions of South America, the centre of potato domestication. Here, we report high variability of PMTV isolates collected from 12 fields in three locations in the Andean region of Peru. To evaluate PMTV genetic variation in Peru, we generated full-length cDNA clones, which allowed reliable comparative molecular and pathobiological characterization of individual isolates. We found significant divergence of the CP-RT and 8K sequences. The 8K cistron, which encodes a viral suppressor of RNA silencing, was found to be under diversifying selection. Phylogenetic analysis determined that, based on the CP-RT sequence, all PMTV isolates could be categorized into three separate lineages (clades). Moreover, we found evidence for recombination between two clades. Using infectious cDNA clones of the representatives of these two clades, as well as reassortants for the RNA-CP genomic component, we determined the pathobiological differences between the lineages, which we coined as S (for severe) and M (for mild) types. Interestingly, all isolates characterized previously (from Europe, Asia and North America) fall into the S-type clade, whereas most of the Peruvian solates belong to the M-type. Taken together, our results support the notion of the single introduction of PMTV from the centre of potato origin to Europe, and subsequent spread of the S-type into Asia and USA. This is also supported by the suggested novel classification of isolates based on genetic constellations.

La divergencia evolutiva del Potato mop-top virus (PMTV), un virus de ARN tripartito y monocatenario, es excepcionalmente baja, según el análisis de secuencias obtenidas a partir de aislados de Europa, Asia y Norteamérica. En general, los virus ARN existen como poblaciones dinámicas de genomas estrechamente relacionados y recombinantes que están sometidos a una variación genética continua. La razón de la escasa variación genética del PMTV sigue sin estar clara. La cuestión sigue siendo si la baja variabilidad es una propiedad compartida por todos los aislados de PMTV o es el resultado del limitado número de aislados caracterizados hasta ahora. Nuestra hipótesis es que podría existir una mayor divergencia del virus en las regiones andinas de Sudamérica, el centro de domesticación de la patata. Aquí, reportamos una alta variabilidad de aislamientos de PMTV recolectados de 12 campos en tres localidades de la región andina de Perú. Para evaluar la variación genética del PMTV en Perú, generamos clones de ADNc de longitud completa, que permitieron una caracterización molecular y patobiológica comparativa fiable de los aislados individuales. Encontramos una divergencia significativa de las secuencias CP-RT y 8K. Se observó que el cistrón 8K, que codifica un supresor vírico del silenciamiento del ARN, estaba sometido a una selección diversificadora. El análisis filogenético determinó que, basándose en la secuencia CP-RT, todos los aislados de PMTV podían clasificarse en tres linajes (clados) separados. Además, encontramos evidencias de recombinación entre dos clados. Utilizando clones de ADNc infecciosos de los representantes de estos dos clados, así como reordenamientos para el componente genómico ARN-CP, determinamos las diferencias patobiológicas entre los linajes, que acuñamos como tipos S (para grave) y M (para leve). Curiosamente, todos los aislados caracterizados previamente (de Europa, Asia y Norteamérica) pertenecen al clado del tipo S, mientras que la mayoría de los solados peruanos pertenecen al tipo M. En conjunto, nuestros resultados apoyan la noción de una única introducción del PMTV desde el centro de origen de la patata a Europa, y la subsiguiente propagación del tipo S a Asia y EEUU. Esto también se ve apoyado por la nueva clasificación sugerida de los aislados basada en constelaciones genéticas.