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Estimating virus effective population size and selection without neutral markers

Authors :
Rousseau, Elsa
Moury, Benoît
Mailleret, Ludovic
Senoussi, Rachid
Palloix, Alain
Simon, Vincent
Valière, Sophie
Grognard, Frédéric
Fabre, Frédéric
Unité de Pathologie Végétale (PV)
Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)
Biological control of artificial ecosystems (BIOCORE)
Laboratoire d'océanographie de Villefranche (LOV)
Observatoire océanologique de Villefranche-sur-mer (OOVM)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire océanologique de Villefranche-sur-mer (OOVM)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Sophia Antipolis - Méditerranée (CRISAM)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)
Institut Sophia Agrobiotech (ISA)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Nice Sophia Antipolis (... - 2019) (UNS)
COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)
Biostatistique et Processus Spatiaux (BioSP)
Génétique et Amélioration des Fruits et Légumes (GAFL)
Biologie du fruit et pathologie (BFP)
Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1
Génome et Transcriptome - Plateforme Génomique (GeT-PlaGe)
Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Plateforme Génome & Transcriptome (GET)
Génopole Toulouse Midi-Pyrénées [Auzeville] (GENOTOUL)
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse (ENVT)
Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Génopole Toulouse Midi-Pyrénées [Auzeville] (GENOTOUL)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
Unité Animalerie Rongeurs (UAR)
Unité Mixte de Recherche en Santé Végétale (INRA/ENITA) (UMRSV)
Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-École Nationale d'Ingénieurs des Travaux Agricoles - Bordeaux (ENITAB)-Institut des Sciences de la Vigne et du Vin (ISVV)
SMaCH (Sustainable Management of Crop Health) metaprogramme of INRA
grant over-seen by the French National Research Agency (ANR) as part of the 'Blanc2013' program (ANR-13-BSV7- 0011, FunFit project)
Station de Pathologie Végétale (AVI-PATHO)
Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Inria Sophia Antipolis - Méditerranée (CRISAM)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire d'océanographie de Villefranche (LOV)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire océanologique de Villefranche-sur-mer (OOVM)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire océanologique de Villefranche-sur-mer (OOVM)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut Sophia Agrobiotech [Sophia Antipolis] (ISA)
Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Nice Sophia Antipolis (... - 2019) (UNS)
Université Côte d'Azur (UCA)-Université Côte d'Azur (UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Biostatistique et Processus Spatiaux (BIOSP)
Unité de recherche Génétique et amélioration des fruits et légumes (GALF)
GeT PlaGe, Genotoul
Unité Mixte de Recherche en Santé Végétale (INRA/ENITA) (UMR SAVE)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire océanologique de Villefranche-sur-mer (OOVM)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire océanologique de Villefranche-sur-mer (OOVM)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse (ENVT)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Génopole Toulouse Midi-Pyrénées [Auzeville] (GENOTOUL)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Observatoire océanologique de Villefranche-sur-mer (OOVM)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Sophia Antipolis - Méditerranée (CRISAM)
Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS)
COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Bordeaux Segalen - Bordeaux 2-Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)-Université Sciences et Technologies - Bordeaux 1 (UB)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Ecole Nationale Vétérinaire de Toulouse (ENVT)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Génopole Toulouse Midi-Pyrénées [Auzeville] (GENOTOUL)
Université de Toulouse (UT)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
Source :
PLoS Pathogens, PLoS Pathogens, Public Library of Science, 2017, 13 (11), pp.1-25. ⟨10.1371/journal.ppat.1006702⟩, PLoS Pathogens, 2017, 13 (11), pp.e1006702. ⟨10.1371/journal.ppat.1006702⟩, PLoS Pathogens, Vol 13, Iss 11, p e1006702 (2017)
Publication Year :
2017
Publisher :
HAL CCSD, 2017.

Abstract

By combining high-throughput sequencing (HTS) with experimental evolution, we can observe the within-host dynamics of pathogen variants of biomedical or ecological interest. We studied the evolutionary dynamics of five variants of Potato virus Y (PVY) in 15 doubled-haploid lines of pepper. All plants were inoculated with the same mixture of virus variants and variant frequencies were determined by HTS in eight plants of each pepper line at each of six sampling dates. We developed a method for estimating the intensities of selection and genetic drift in a multi-allelic Wright-Fisher model, applicable whether these forces are strong or weak, and in the absence of neutral markers. This method requires variant frequency determination at several time points, in independent hosts. The parameters are the selection coefficients for each PVY variant and four effective population sizes Ne at different time-points of the experiment. Numerical simulations of asexual haploid Wright-Fisher populations subjected to contrasting genetic drift (Ne ∈ [10, 2000]) and selection (|s| ∈ [0, 0.15]) regimes were used to validate the method proposed. The experiment in closely related pepper host genotypes revealed that viruses experienced a considerable diversity of selection and genetic drift regimes. The resulting variant dynamics were accurately described by Wright-Fisher models. The fitness ranks of the variants were almost identical between host genotypes. By contrast, the dynamics of Ne were highly variable, although a bottleneck was often identified during the systemic movement of the virus. We demonstrated that, for a fixed initial PVY population, virus effective population size is a heritable trait in plants. These findings pave the way for the breeding of plant varieties exposing viruses to stronger genetic drift, thereby slowing virus adaptation.<br />Author summary A growing number of experimental evolution studies are using an “evolve-and-resequence” approach to observe the within-host dynamics of pathogen variants of biomedical or ecological interest. The resulting data are particularly appropriate for studying the effects of evolutionary forces, such as selection and genetic drift, on the emergence of new pathogen variants. However, it remains challenging to unravel the effects of selection and genetic drift in the absence of neutral markers, a situation frequently encountered for microbes, such as viruses, due to their small constrained genomes. Using such an approach on a plant virus, we observed that the same set of virus variants displayed highly diverse dynamics in closely related plant genotypes. We developed and validated a method that does not require neutral markers, for estimating selection coefficients and effective population sizes from these experimental evolution data. We found that the viruses experienced considerable diversity in genetic drift regimes, depending on host genotype. Importantly, genetic drift experienced by virus populations was shown to be a heritable plant trait. These findings pave the way for the breeding of plant varieties exposing viruses to strong genetic drift, thereby slowing virus adaptation.

Details

Language :
English
ISSN :
15537366 and 15537374
Database :
OpenAIRE
Journal :
PLoS Pathogens, PLoS Pathogens, Public Library of Science, 2017, 13 (11), pp.1-25. ⟨10.1371/journal.ppat.1006702⟩, PLoS Pathogens, 2017, 13 (11), pp.e1006702. ⟨10.1371/journal.ppat.1006702⟩, PLoS Pathogens, Vol 13, Iss 11, p e1006702 (2017)
Accession number :
edsair.pmid.dedup....78248f024b9e3936682a0887911cd1b8