[论文解读] A mathematical model for the spread of multipartite viruses reveals their evolutionary potential

Eugenio Valdano, Susanna C. Manrubia+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2018

Plant Virus Research Studies参考文献 24被引用 1

一句话总结

本研究开发了一种分室模型，以探究多分体病毒——基因组分裂在多个颗粒中的病毒——如何在需要共感染的条件下仍能成功传播。模型揭示，病毒的移动性与宿主种群结构促进了多分体性作为适应性策略，使病毒能够侵入非分段病毒无法进入的环境，尤其是在同质化的农业环境中。

ABSTRACT

Multipartite viruses replicate through a puzzling evolutionary strategy. These viruses have their genomes segmented into two or more parts encapsidated in separate particles that propagate independently. The requirement of host co-infection to complete the viral cycle represents a major drawback of this adaptive strategy, while its advantages remain unclear. Still, multipartitism is a successful adaptive solution observed in over 40% of all known viral families, particularly targeting plants. The transition from a monopartite to a bipartite viral form has been described in vitro under conditions of high multiplicity of infection, suggesting that cooperation between defective mutants is a plausible evolutionary pathway towards multipartitism. Here we devise a compartmental model for the spread of a multipartite virus in a population of hosts through vector mediated contacts. Our goal is to disentangle which mechanisms might favor the ecological emergence and persistence of multipartitism. Our analytical and numerical results uncover a rich phenomenology driven by the interplay between viral dynamics, vector driven mobility, and the structure of the host population. In the framework of our model, multipartitism appears as a successful adaptive strategy driven by mobility, that permits the colonization of environments forbidden to the nonsegmented variant. Surprisingly, this is promoted in homogeneous contact networks, which corresponds to the vast majority of farmed plant patterns. This is also in line with the observed rising of multipartitism concomitantly with the agricultural expansion.

研究动机与目标

• 理解多分体病毒成功背后的进化与生态驱动因素，这些病毒将基因组分裂为多个颗粒。
• 研究多分体性为何在需要宿主共感染这一重大生物学限制下仍能持续存在。
• 确定多分体性在结构化宿主种群中能够出现并持续的条件。
• 探讨媒介介导的传播与宿主种群同质性在促进多分体病毒策略中的作用。

提出的方法

• 开发了一种分室数学模型，以模拟通过媒介介导传播在宿主种群中传播多分体病毒的过程。
• 该模型整合了宿主感染动态、病毒颗粒释放，以及成功复制所需的共感染要求。
• 病毒移动性被建模为与媒介移动相关的函数，从而实现病毒在宿主网络中的空间传播。
• 宿主种群被表示为具有不同程度结构同质性的网络，以评估其对病毒持久性的影响。
• 采用解析与数值模拟方法，探索病毒动态、移动性与种群结构之间的相互作用。
• 该模型比较了在不同传播与空间条件下，多分体病毒与单分体变体的生态成功。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种生态与流行病学条件下，多分体病毒能够在宿主种群中成功出现并持续存在？
• RQ2 与单分体病毒相比，媒介介导的移动性如何影响多分体病毒的传播与成功？
• RQ3 为何多分体性在具有同质宿主模式的农业系统中更为普遍？
• RQ4 宿主种群结构在多分体病毒侵入环境方面发挥何种作用？
• RQ5 缺陷病毒颗粒之间的合作能否解释从单分体到多分体形式的进化转变？

主要发现

• 当病毒移动性使病毒能够侵入非分段病毒无法进入的空间受限环境时，多分体性便成为一种成功的适应性策略。
• 出人意料的是，多分体性在同质化的宿主接触网络中更受青睐，这类网络在农作物种植系统中具有典型性。
• 模型表明，媒介驱动的移动性增强了多分体病毒的生态范围，使其在单分体形式失败的环境中仍能持续存在。
• 当移动性与网络结构支持高效传播时，共感染要求并不会阻止病毒的持久存在。
• 研究结果与农业扩张过程中多分体性上升的观察结果一致，表明人类农业实践与病毒进化之间存在关联。
• 模型表明，传播动态与空间结构之间的相互作用可驱动分段病毒基因组的进化成功。