[en] One of the major threats to human and animal health as well as to agronomy is the emergence of new infectious diseases, most of which are caused by RNA viruses. It is a complex, multilevel problem that consists in acquisition of genetic variation by mutation or recombination within a virus population in the reservoir host that would enable the host-switch. RNA viruses show a remarkable evolvability owed to their large population sizes, short generation times and high mutation and recombination rates. Understanding the underlying evolutionary mechanisms by which a virus may become an emergent one is pivotal for the rational design of control strategies and antiviral therapies. Thus, can virus emergence and jump to a new host species be predicted by knowing its phenotype, i.e., fitness, in its natural host? If so, then the architecture of virus fitness would be determined only by its genotype (the G component, i.e., mutation) and environment (the E component, i.e., host). Still, interactions between these components may exist and compromise the predictability of virus phenotype in an alternative host. How mutations affect the fitness of viral populations is essential to understanding viral emergence and adaptation to a new host. The widespread observation that the majority of mutations are deleterious coincides with the theoretical prediction that an organism will be well adapted to its particular environment, so that any genomic change would represent a move-away from the optimal phenotype. In reality, this view is overly simplified; mutational fitness effects constitute a continuum and are conditional upon the environment and genetic background; effects commonly referred to as genotype-by-environment (G×E) genetic (G×G or epistasis) and G×G×E (epistasis-by-host) interactions. In this Thesis the contribution of these components to the architecture of viral fitness was addressed using a plant positive sense RNA virus, TEV. RNA viruses form the largest group of plant viruses and cause many economically important diseases. First, to infer G×E, we characterized the distribution of mutational fitness effects (DMFE) for a collection of twenty single-nucleotide substitution mutants of TEV across a set of eight environments represented by different hosts. Five of these host species were naturally infected by TEV, all belonging to family Solanaceae, whereas other three were partially susceptible hosts belonging to three other plant families. First, we found a significant virus genotype-by-host species interaction, which was sustained by differences in genetic variance for fitness and the pleiotropic effect of mutations among hosts. Second, we found that the DMFEs were markedly different between Solanaceae and non-Solanaceae hosts. Exposure of TEV genotypes to non-Solanaceae hosts led to a large reduction of mean viral fitness, while the variance remained constant and skewness increased towards the right tail, thus containing a significant proportion of beneficial mutations. Within Solanaceae the tail of the distribution was drawn out more to the left side, thus comprising an excess of deleterious mutations. All together, this result suggests that TEV may easily broaden its host range and improve fitness in new hosts, and that knowledge about the DMFE in the natural host does not allow for making predictions about its properties in an alternative host. Secondly, to infer epistasis, we generated 53 TEV genotypes carrying pairs of single nucleotide substitutions and measured their separated and combined deleterious fitness effects in its primary host: Nicotiana tabacum. We found up to 38% of pairs had significant epistasis for fitness, including both positive and negative deviations from the null hypothesis of multiplicative effects. Moreover, we found the predominance of cases of reciprocal sign epistasis, indicating that adaptive landscapes for RNA viruses maybe highly rugged. Finally, we found that the magnitude of epistasis correlated negatively with the average effect of mutations. Negative correlation observed between epistasis and deleterious fitness effects indicates low genetic robustness of the compact RNA virus genomes. These observations are bad news regarding predictability of which viral genotypes may be more prone to emerge. Thirdly, in order to characterize the degree to which epistatic effects vary across hosts, we quantified the fitness of ten TEV genotypes carrying pairs of single nucleotide substitutions across four hosts that differ from the primary host in taxonomic proximity. We found that epistasis among a particular pair of mutations is host-dependent and positive, on average, in natural host and weaker in more distant ones. The existence of epistasis and its variation across hosts makes the effect of individual mutations unpredictable. Finally, we empirically characterized the fitness landscape of TEV adapted to A. thaliana by reconstructing the major part of intermediate and final genotypes of adaptation and measuring their fitness components in the new host. We found prevalent magnitude epistatic effects among the beneficial mutations, especially in the first steps of adaptation. Epistasis is small in the more adapted genotypes. Epistatic interactions included both positive and negative deviations from the expected values. The landscape topography is predominately neutral and single-peaked. The smoothness of TEV landscape in A. thaliana suggests that virus easily adapted to its new host. This is an important result from the perspective of emerging viral diseases and in concordance to common observation that majority of emerging viruses are indeed RNA viruses.

[es] Una de las mayores amenazas tanto para la salud humana y animal, como para la agronomía es la emergencia de nuevas enfermedades infecciosas, la mayoría de las cuales están causadas por los virus de RNA. La emergencia viral es un problema complejo que consista en la adquisición de la variación genética, por mutación o recombinación, dentro de la población viral en el huésped reservorio la cual podría facilitar la capacidad de infectar de manera eficiente nuevos huéspedes. Los virus de RNA presentan a una evolucionabilidad extraordinaria por sus grandes tamaños poblacionales, cortos tiempos de generación y altas tasas de mutación y recombinación. Comprender los mecanismos evolutivos que podrían dar lugar a un virus emergente es imprescindible para hacer un diseño racional de las estrategias del control y las terapias antivirales. ¿Podríamos predecir la emergencia de un virus y su salto a un huésped nuevo sabiendo el fenotipo del virus, es decir, su eficacia biológica, en su huésped natural? Si es así, la arquitectura de la eficacia biológica del virus estaría determinada solamente por su genotipo (la componente G, o en otras palabras, la mutación) y el ambiente (la componente E o, en otras palabras, el huésped). Sin embargo, podrían existir interacciones entre estos componentes y comprometer la predictibilidad del fenotipo del virus en un huésped alternativo. Saber cómo las mutaciones afectan la eficacia biológica de las poblaciones virales es esencial para llegar a entender la emergencia viral y la posterior adaptación del nuevo virus a su nuevo hospedador. La observación común de que la mayoría de las mutaciones son deletéreas coincide con la predicción teorética de que un organismo ya está adaptado a su ambiente en particular, por lo cual, cualquier cambio genético supondría apartarse del fenotipo optimo. En realidad, este punto de vista es demasiado simplificado; los efectos mutacionales sobre la eficacia biológica constituyen un continuo y están condicionados tanto por el ambiente como por el fondo genético. Estos efectos se nombran comúnmente como interacción genotipo-ambiente (G×E), interacción genética (G×G o epistasia) e interacción G×G×E (epistasia-huésped). En esta Tesis, la contribución de estos componentes a la arquitectura de la eficacia biológica de un virus de RNA de la cadena positiva que infecta plantas, TEV. Los virus de RNA forman el grupo más grande de los virus de las plantas y causan muchas enfermedades económicamente importantes. En primer lugar, para inferir G×E, hemos caracterizado la distribución de los efectos mutacionales sobre la eficacia biológica (DMFE) de TEV utilizando una colección de veinte mutantes simples que tenían una única sustitución nucleotídica. Los efectos mutacionales se midieron en un conjunto de ambientes representados por ocho huéspedes distintos. Cinco de estos huéspedes pertenecían a la familia Solanaceae y se infectaban con TEV de la forma natural. Otros tres huéspedes pertenecían a otras tres familias de las plantas y eran parcialmente susceptibles a la infección con TEV. Primero, hemos encontrado una interacción significativa entre el genotipo del virus y la especie del huésped, generada por diferencias en la varianza genética de la eficacia biológica y los efectos pleiotrópicos de las mutaciones entre huéspedes. Segundo, las DMFE eran profundamente distintos entre los huéspedes que pertenecían a Solanaceae y los que no. La exposición de los genotipos de TEV a las no-solanáceas resultó en una gran reducción en la eficacia biológica, mientras que la varianza permanecía constante y la asimetría de la distribución era positiva. Una asimetría positiva implica que hay más valores mayores que la media, es decir, la cola derecha de la distribución contiene una proporción significativa de mutaciones beneficiosas. Entre solanáceas, la cola izquierda de la distribución tenía mayor peso, indicando un exceso de las mutaciones deletéreas. Conjuntamente, este resultado muestra que TEV puede fácilmente extender su rango de huéspedes y mejorar su eficacia biológica en los nuevos huéspedes, y que conocer la eficacia biológica de un mutante en un huésped no nos permite extrapolar que su eficacia se mantenga en otro(s) huésped(es). En segundo lugar, para inferir la epistasia, hemos generado 53 genotipos de TEV los cuales llevaban pares de únicas sustituciones nucleotídicas y hemos medido sus efectos deletéreos sobre la eficacia biológica por separado y en combinación en el huésped primario: Nicotiana tabacum. Hemos encontrado que el 38% de los pares mostraban epistasia significativa sobre la eficacia biológica. Las desviaciones de la hipótesis nula de efectos multiplicativos eran tanto positivas como negativas, aunque predominaban los casos de epistasia de signo reciproco, lo cual indica de que el paisaje adaptativo de TEV debe de ser muy rugoso. Por último, hemos observado que la epistasia de magnitud correlaciona negativamente con el efecto promedio de las mutaciones, lo cual revela baja robustez genética de los genomas compactos de los virus de RNA. Estas observaciones son malas noticias con respeto a la predictibilidad de cuales genotipos virales podrían ser más propensos a emerger. En tercer lugar, con el objetivo de caracterizar el grado de variación de los efectos epistaticos con los huéspedes en los que estos se miden, hemos cuantificado la eficacia de diez genotipos de TEV que llevaban pares de únicas sustituciones nucleotídicas a través de cuatro huéspedes que variaban en su proximidad taxonómica con el huésped primario. Hemos observado que la epistasia entre pares de mutaciones era dependiente del huésped y, en promedio, positiva en el huésped natural, haciéndose más débil a medida que el parentesco genético de estos huéspedes disminuía respecto al primario. La existencia de la epistasia y su variación entre huéspedes hace que los efectos de las mutaciones individuales sean aun más imprevisibles. Por último, hemos caracterizado empíricamente el paisaje de la eficacia del TEV adaptado a A. thaliana reconstruyendo la mayor parte de los genotipos intermediarios posibles durante el proceso de adaptación y hemos medido dos componentes de la eficacia biológica en el nuevo huésped. En nuestro conjunto de datos predominaba la epistasia de magnitud entre las mutaciones beneficiosas, especialmente en los primeros pasos de la adaptación. La epistasia era pequeña en los genotipos más adaptados. Las interacciones epistaticas consistían en desviaciones de los valores esperados que eran ambos positivos y negativos. La topografía del paisaje era predominantemente neutral y consistía de un único pico. La suavidad del paisaje de TEV en A. thaliana sugiere que el virus se haya adaptado fácilmente a su nuevo huésped. Este resultado es importante desde la perspectiva de las enfermedades virales emergentes y en concordancia con la observación común de que la mayoría de los virus emergentes son efectivamente los virus de RNA.