title: Virulence in smut fungi: Insights from evolutionary comparative genomics
title: Virulenz bei Brandpilzen: Einblicke von vergleichenden evolutionären Genomstudien
Creators: name: Schweizer, Gabriel
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Evolution , Virulenz
Genomik
Brandpilze, Effektoren
Smut Fungi
Effectors
Virulence
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
Genomics, Evolution

description: Fungi and plants show a long
      history of co-evolution since about 400 million years. This
      lead to the development of diverse types of interactions
      which include for example parasitism, in which fungi reduce
      the fitness of their host. Parasitic fungi can establish
      biotrophic interactions, which require living plant tissues
      for successful colonization. To establish biotrophy, fungi
      secret effectors, which are proteins that prevent or mediate
      plant immune responses. They can also contribute to virulence
      by changing the host physiology towards the needs of the
      pathogen. Effectors and their plant targets evolve in a
      molecular arms race, where both pathogen and plants evolve
      new effectors and plant interactors, respectively. In this
      process, single nucleotide polymorphisms and species-specific
      orphan genes can play an important role. Smut fungi (order:
      Ustilaginales) are biotrophic pathogens, which parasitize
      mostly sweet grasses, including wheat, oat, barley, maize,
      sugar cane and Sorghum grass. The genomes of five related
      species with different host plants or colonization strategies
      (Ustilago hordei, Ustilago maydis, Sporisorium scitamineum,
      Sporisorium reilianum f. sp. zeae and S. reilianum f. sp.
      sorghi) were sequenced. Furthermore, methods allowing geneitc
      manipulations were developed, which makes this group of smut
      fungi an interesting model system for studying virulence
      and/or host specificity. The aim of the present work was to
      investigated to which extent positively selected or
      species-specific effectors contribute to virulence of the
      respective species. To detect positive selection, families of
      homologous proteins were built. Positive selection was then
      inferred by applying a non-homogenous branch model of
      sequence evolution. Most genes under positive selection were
      found in both formae speciales of S. reilianum. A role in
      virulence could be shown for sr10529 in S. reilianum f. sp.
      zeae. This gene is orthologous to pit2 of U. maydis, where it
      encodes an inhibitor of cysteine proteases. To get insights
      in differences in the inhibition of maize cysteine proteases
      by Pit2-orthologues, a yeast-2-hybrid assay was conducted In
      contrast to the expectaion that Pit2-orthologues of maize
      pathogens can better interact with maize cysteine proteases
      compared to Pit2 of the Sorghum pathogen, no
      host/pathogen-specific interaction could be observed. Besides
      this, a contribution to virulence could be demonstrated for
      three gene clusters containing positively selected genes inS.
      reilianum f. sp. zeae. Besides positively selected genes,
      species-specific orphan genes were bioinformatically
      identified. Most candidates could be detected in Pseudocyma
      flocculosa. Deletion of the orphan gene um02193 in U. maydis
      did not reveal a contribution to virulence for this
      protein.
description: Pilze und Pflanzen teilen eine
      lange Koevolution seit ungefähr 400 Millionen Jahren. Dabei
      entwickelten sich unterschiedliche Arten von Interaktionen
      wie zum Beispiel Parasitismus, bei dem Pilze auf Kosten ihrer
      Wirtspflanze leben. Parasitäre Pilze gehen dabei
      beispielsweise biotrophe Interaktionen ein, bei denen
      lebendes Pflanzengewebe für die Besiedelung des Wirts
      erforderlich ist. Zur erfolgreichen Etablierung biotropher
      Wechselwirkungen sekretieren Pilze Proteine, die als
      Effektoren Immunantworten verhindern oder abschwächen oder
      zur Virulenz beitragen, indem sie die Wirtsphysiologie zu
      Gunsten des Pathogens verändern. Effektoren und ihre
      pflanzlichen Interaktionspartner evolvieren in einem
      molekularen Wettrüsten, bei dem Pathogen und Wirtspflanze
      kontinuierlich neue Effektoren und Interaktionspartner
      evolvieren, um Virulenz bzw. Abwehr Sicher zu stellen. In
      diesen Prozessen können Einzelnukleotid-Polymorphismen unter
      positiver Selektion und artspezifische Gene eine wichtige
      Rolle spielen. Brandpilze (Ordnung: Ustilaginales) sind
      biotrophe Pathogene, die vorwiegend Gräser befallen, darunter
      auch Weizen, Hafer, Gerste, Mais, Zuckerrohr und Sorghumgras.
      In der Vergangenheit wurden die Genome von fünf verwandten
      Arten mit unterschiedlichen Wirtspflanzen oder
      Besiedelungsstrategien sequenziert (Ustilago hordei, Ustilago
      maydis, Sporisorium scitamineum, Sporisorium reilianum f. sp.
      zeae und S. reilianum f. sp. sorghi). Außerdem wurden
      Methoden zur genetischen Manipulation entwickelt, was diese
      Gruppe ideal für Studien zur Virulenz und/oder
      Wirtsspezifität macht. Ziel dieser Arbeit war es zu
      untersuchen, inwiefern positiv selektierte oder
      artspezifische Effektoren zur Virulenz beitragen. Um positive
      Selektion zu detektieren, wurden Familien von homologen
      Proteinen gebildet. Positive Selektion wurde unter Verwenundg
      eines nichthomogenen Modells für die Evolution von
      Nukleotidsequenzen vorhergesagt. Die meisten Gene unter
      positiver Selektion wurden in den beiden formae speciales von
      S. reilianum detektiert. Ein Beitrag zur Virulenz konnte für
      sr10529 aus S. reilianum f. sp. zeae gezeigt werden. Dieses
      Gen ist ein Ortholog zu pit2 aus U. maydis, welches einen
      Inhibitor von Cysteinproteasen kodiert. Um Einblicke in
      mögliche Unterschiede in der Inhibition von Cysteinproteasen
      in Mais durch Pit2-Orthologe zu erhalten, wurde ein
      Hefe-2-Hybrid System verwendet. Im Gengensatz zu der
      Erwartung, dass Pit2-Orthologe aus Maispathogenen mit
      Cysteinproteasen aus Mais besser interagiren als Pit2 aus dem
      Sorghum pathogen, zeigten sich keine
      Wirt/Parasit-spezifischen Interaktionen. Daneben konnte eine
      Rolle in der Virulenz von S. reilianum f. sp. zeae für drei
      Gencluster, die positiv selektierte Gene enthalten, gezeigt
      werden. Neben positiver Selection wurden artspezifische Gene
      bioinformatisch identifiziert. Dabei wurden die meisten
      Kandidaten in Pseudozyma flocculosa gefunden. Die Deletion
      des Kandidatengenes um02193 in U. maydis konnte keinen
      Beitrag zur Virulenz zeigen.