Structure and dynamics of chromosomes: role in the genomic and pathogenic plasticity of Fusarium oxysporum

Abstract

Fungal pathogens have developed a wide range of mechanisms allowing rapid adaptation to different environments. The vascular wilt pathogen Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (Fol4287) infects the roots of tomato plants by activating a series of mechanisms that are induced in the presence of nitrate, the most abundant form of inorganic nitrogen in soils. Here we characterized knockout mutants in nitrate assimilation genes and found that Nit1 as accounts for the major nitrate reductase activity, while Nit2 and Nit3 only have minor contributions. During growth on different nitrogen sources, we observed the formation of colony sectors which appeared to be the result of genomic instability. Following these findings, a study was initiated to understand the physical structure and dynamics of chromosomes in Fol4287 . Previous studies had revealed that the genome of this isolate is compartmentalized into core regions and accessory regions, which are highly dynamic and have been associated with host adaptation. We found that the subtelomeric regions of Fol4287 are highly conserved and contain two genes of unknown function, FOXG_15616 and FOXG_15617 genes as well as a copia - type retrotransposon, similar to those reported previously in the rice blast fungus Magnaporthe oryzae . Since previous whole-genome sequencing of serially passaged strains had detected recurrent copy number variations (CNVs) in certain accessory chromosomal regions, we performed k aryotype analysis by CHEF and Southern blot to monitor chromosomal dynamics and molecularly characterize CNVs. This revealed the presence of previously unrecognized duplicated regions that are shared between accessory chromosomes in Fol4287 . Different methodologies were set up for measuring the frequency of chromosome loss in Fol4287 , both in the wild type strain and in mutants affected in DNA repair or chromatin structure. Our results indicate that the spontaneous mitotic loss frequency of an accessory mini chromosome in Fol4287 can be as high as 1%, and that the stability of such accessory regions may be promoted by H3k9me3 histone methylation.

Los patógenos fúngicos han desarrollado una amplia gama de mecanismos que les permiten una rápida adaptación a diferentes ambientes. El patógeno Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (Fol4287) causante del marchitamiento vascular infecta las raíces de las plantas de tomate activando una serie de mecanismos que se inducen en presencia de nitrato, la forma de nitrógeno inorgánico más abundante en los suelos. Aquí caracterizamos los mutantes knockout en los genes de asimilación de nitrato y descubrimos que Nit 1 representa la principal actividad de la nitrato reductasa, mientras que Nit2 y Nit3 solo tienen contribuciones menores. Durante el crecimiento en diferentes fuentes de nitrógeno, observamos la formación de sectores de colonias que parecían ser el resultado de inestabilidad genómica. Tras estos hallazgos, se inició un estudio para comprender la estructura física y la dinámica de los cromosomas en Fol4287. Estudios previos habían revelado que el genoma de este aislado está compartimentado en regiones centra les y regiones accesorias, que son altamente dinámicas y se han asociado con la adaptación al huésped. Encontramos que las regiones subteloméricas de Fol4287 están altamente conservadas y contienen dos genes de función desconocida, los genes FOXG_15616 y F OXG_15617 , así como un retrotransposón de tipo -copia , similar a los informados previamente en el hongo del añublo del arroz Magnaporthe oryzae . Dado que la secuenciación anterior del genoma completo de cepas sometidas a pasajes en serie había detectado variaciones recurrentes en el número de copias (CNVs) en ciertas regiones cromosómicas accesorias, realizamos análisis de cariotipo por CHEF y Southern blot para monitorear la dinámica cromosómica y caracterizar molecularmente las CNVs. Esto reveló la presencia de regiones duplicadas previamente no reconocidas que se comparten entre los cromosomas accesorios en Fol4287 . Se establecieron diferentes metodologías para medir la frecuencia de pérdida cromosómica en Fol4287, tanto en la cepa de tipo silvestre como en mutantes afectados en la reparación del ADN o en la estructura de la cromatina. Nuestros resultados indican que la frecuencia de pérdida mitótica espontánea de un mini-cromosoma accesorio en Fol4287 puede llegar al 1%, y que la estabilidad de tales regiones accesorias puede ser promovida por la metilación de la histona H3k9me3.