Genetic mechanisms of adaptation in the pathogenic fungus Fusarium oxysporum

Abstract

Transposable elements (TEs) are major drivers of genome evolution and adaptation in eukaryotes. The clonally propagating fungus Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (Fol4287), a major pathogen of plants and an opportunistic pathogen in humans, provides a powerful model to investigate adaptive processes in the absence of sexual recombination. Previous studies revealed that rapid adaptation of Fol4287 during short-term experimental evolution is largely mediated by DNA TEs, with most insertions caused by Hormin, a miniature non-autonomous element mobilized by the hAT superfamily TE Hornet. Insertions of Hormin in the accessory gene FOXG_21009 were recurrently selected across independent populations evolved on plates, pointing to a potential role of this gene in adaptation to plate growth. Here, we generated a comprehensive annotation of Hormin and Hornet elements in Fol4287, revealing distinct chromosomal distributions, as well as signatures of recent activity and non-random insertion landscapes. To monitor their dynamics and mobilization, we developed a TE-capture protocol that revealed condition-dependent mobilization and novel insertions linked to stress and developmental responses. Furthermore, expression analysis during fungal development showed that expression of the Hornet transposase, responsible for Hormin mobilization, is markedly induced during early sporulation, with a peak in freshly produced microconidia. Consistent with stage-specific Hormin activation, experimental evolution of microconidia- or mycelium-passaged populations revealed distinct evolutionary trajectories with higher TE mobility and phenotypic variation in microconidia-passaged lines. Analysis of transcriptomes, chromatin accessibility, and specific gene knockout mutants further demonstrated that Hornet expression is tightly regulated through an interplay of developmental, environmental, and epigenetic cues. To elucidate the function of the recurrently targeted gene FOXG_21009, we performed a phenotypic characterization of the 21009Δ mutant and complemented strains, revealing a key role of this gene in different conserved fungal processes such as growth, development, quorum sensing and pathogenicity. Transcriptomic analysis of the deletion mutant suggested that FOXG_21009 functions as a negative regulator of an adjacent accessory gene cluster. Together, this work provides a comprehensive view of TE dynamics in F. oxysporum, revealing a central role of TEs as generators of genetic variability and as drivers of rapid adaptation in this clonally evolving fungal pathogen.

Los elementos transponibles (TEs) han sido descritos como promotores de la variabilidad genética y la adaptación en organismos eucariotas. El hongo Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (Fol4287), un importante patógeno de plantas y oportunista en humanos, se propaga de manera clonal y constituye un excelente modelo para investigar los procesos adaptativos en ausencia de recombinación sexual. Estudios previos han demostrado que la rápida adaptación de Fol4287 durante ensayos de evolución experimental se produce principalmente gracias al movimiento de TEs de ADN, particularmente de Hormin, un elemento miniatura no autónomo movilizado por Hornet, un TE de la superfamilia hAT. Además, en estos experimentos se observaron inserciones recurrentes de Hormin en el gen accesorio FOXG_21009 en poblaciones independientes evolucionadas en cultivo sólido, apuntando a un posible papel de este gen en la adaptación al crecimiento en placa. En este trabajo generamos una anotación completa de Hormin y Hornet, revelando distribuciones cromosómicas diferenciales, indicios de actividad reciente y patrones de inserción no aleatorios. Para monitorizar su dinámica, desarrollamos un protocolo de captura de TEs que puso de manifiesto que la movilización depende de las condiciones experimentales e identificó nuevas inserciones asociadas a estrés y desarrollo. Por otro lado, el análisis de expresión durante el desarrollo fúngico evidenció una marcada inducción de la transposasa de Hornet, responsable de la movilización de Hormin, en fases tempranas de esporulación, con un pico en microconidios recién formados. En concordancia con este resultado, ensayos de evolución experimental con poblaciones transferidas bien como microconidios o como micelio resultaron en trayectorias evolutivas divergentes con un mayor número de movilizaciones de TEs y mayor variación fenotípica en las líneas transferidas como microconidios. Análisis de transcriptómica, accesibilidad de cromatina y de distintos mutantes nulos demostraron que la expresión de Hornet está finamente regulada por señales de desarrollo, ambientales y epigenéticas. Por último, la caracterización fenotípica de la cepa mutante 21009Δ y de cepas complementadas reveló un papel esencial del gen FOXG_21009 en procesos fúngicos conservados tales como el crecimiento, la esporulación, el “quorum sensing” y la patogenicidad, mientras que el análisis transcriptómico sugirió su papel como regulador negativo de un clúster adyacente de genes accesorios. En conjunto, este trabajo ofrece una visión integral de la dinámica de los TEs en F. oxysporum, destacando su papel central como generadores de variabilidad genética y como impulsores de la rápida adaptación en este patógeno de propagación clonal.