Mecanismos genéticos y moleculares implicados en la plasticidad genómica de Fusarium oxysporum

Abstract

Los patógenos fúngicos representan una grave amenaza para la salud humana y la seguridad alimentaria. Fusarium oxysporum es un hongo filamentoso que causa marchitez vascular en más de cien cultivos diferentes y es conocido por su amplia distribución ecológica a nivel mundial. A pesar de carecer de reproducción sexual conocida, posee una extraordinaria plasticidad genética. Reconocido como primer modelo fúngico de patógeno multihospedador, tiene la capacidad de infectar organismos tanto del reino vegetal como animal, en este último caso como patógeno oportunista. Esta gran variabilidad le permite adaptarse y colonizar nichos muy diferentes convirtiéndolo en un organismo ideal para estudiar mecanismos genéticos adaptativos. En este estudio se llevaron a cabo experimentos de evolución experimental de F. oxysporum en tres condiciones distintas: infección de plantas, placas de medio mínimo y placas de medio completo. Con ello se pretendía estudiar, como la presión selectiva ejercida por estas condiciones ambientales impulsara cambios genéticos que pudieran manifestarse a nivel fenotípico. A partir de la cepa original clónica 4287 de F. oxysporum f. sp lycopersici se obtuvieron 5 líneas independientes evolucionadas en cadas condición mediante diez pasajes seriados. La re-secuenciación del genoma de las poblaciones evolucionadas tras el último pasaje reveló la presencia de grandes duplicaciones segmentarias y deleciones en regiones accesorias del genoma, incluida la pérdida parcial de cromosomas. Además, se detectaron numerosas inserciones de transposones, así como algunos cambios de un solo nucleótido (SNPs) y pequeñas inserciones o deleciones (Indels). El seguimiento de estos eventos a lo largo del experimento, a través de diversas técnicas moleculares, permitió establecer la dinámica evolutiva dentro de las poblaciones, relacionada con la competitividad relativa de las mutaciones múltiples propagadas simultáneamente. Algunas de las poblaciones evolucionadas mostraron notables diferencias fenotípicas con respecto al aislado inicial, incluyendo cambios en la sensibilidad a estreses, crecimiento invasivo y virulencia en plantas y animales. En las poblaciones evolucionadas en medio completo se encontraron dos mutaciones recurrentes, seleccionadas en múltiples líneas de manera independiente. Los genes afectados fueron FOXG_21009 de función desconocida y FOXG_00016 (velB) que codifica un componente de Velvet, un complejo proteico regulador del desarrollo y metabolismo secundario. La caracterización de aislados monospóricos portadores de estas mutaciones, además de la generación de mutantes nulos, reveló un incremento significativo en la velocidad de crecimiento y en la capacidad de conidiación bajo las condiciones de evolución experimental. Además, se ha estudiado el papel de uno de los metabolitos secundarios regulados por Velvet, el ácido fusárico, en la infección de plantas de tomate y del hospedador invertebrado Galleria mellonella. En resumen, los resultados del presente trabajo sugieren que la plasticidad del genoma, particularmente mediante el efecto de los transposones, actúa como un importante impulsor evolutivo en F. oxysporum, y que la adaptación al huésped implica ajustes compensatorios entre distintos programas de desarrollo que promueven la infección frente a la proliferación.

Fungal pathogens represent a serious threat to human health and food security. Fusarium oxysporum is a filamentous fungus that causes vascular wilt disease in more than a hundred different crops and is known for its wide ecological distribution worldwide. Although it lacks a known sexual cycle, F. oxysporum displays a striking genetic plasticity. Recognized as the first fungal multi-host pathogen model, it infects organisms from both the plant and the animal kingdom, in the latter case as an opportunistic pathogen. Its variability allows it to adapt and colonize a wide range of different niches, making it an ideal organism to study genetic mechanisms underlying adaptation. In this study we conducted experimental evolution experiments with F. oxysporum under three different conditions: plant infection, growth on minimal and on complete medium. The goal was to understand how the selective pressure exerted by these different environmental conditions drives genetic change and affects phenotype. Starting from the clonal isolate F. oxysporum f. sp lycopersici 4287, we obtained 5 independent lines evolved in each condition through ten serial passages. Genome re-sequencing of the evolved populations after the last passage revealed the presence of large segmental duplications and deletions in accessory regions of the genome, including partial loss of chromosomes. We also detected numerous transposon insertion, as well as single nucleotide polymorphisms (SNPs) and small insertions or deletions (Indels). Monitoring these events throughout the experiment by various molecular techniques allowed to establish the evolutionary dynamics within the populations as a function of the relative competitiveness of the multiple mutations propagated simultaneously. Some evolved populations showed remarkable phenotypic differences with respect to the initial isolate including changes in sensitivity to stresses, invasive growth and virulence on plant and animal hosts. In the populations evolved on complete medium, two recurrent mutations were selected independently in several lines. The affected genes were FOXG_21009 with unknown function and FOXG_00016 (velB) encoding a component of Velvet, a protein complex that regulates development and secondary metabolism. The characterization of monosporic isolates carrying these mutations, as well as the generation of deletion mutants, revealed a significant increase in growth speed and conidiation capacity under the conditions of experimental evolution. In addition, we analyzed the role of fusaric acid, one of the secondary metabolites regulated by Velvet, during infection of tomato plants and of the invertebrate host Galleria mellonella. In summary, the results of this work suggest that genome plasticity, in particular associated with transposons, acts as a potent evolutionary driver in F. oxysporum, and that host adaptation implies trade-offs between different development programs promoting infection versus proliferation.