Evolução das estratégias reprodutivas e da arquitetura genômica de espécies de Phyllosticta associadas a citros

Abstract

Resumo: O gênero Phyllosticta inclui espécies fitopatogênicas responsáveis por sintomas como manchas em folhas e frutos de diversos hospedeiros, bem como espécies endofíticas e saprofíticas. Com a descrição de P. paracapitalensis e P. paracitricarpa, oito espécies de Phyllosticta estão associadas a hospedeiros cítricos, apresentando diferentes modos de vida: algumas são endofíticas em plantas cítricas (P. capitalensis e P. citribraziliensis), outras são patogênicas (P. citriasiana, P. citricarpa, P. citrichinaensis, e P. paracitricarpa), algumas são hospedeiro específicas (P. citribraziliensis, P. citriasiana, P. citricarpa, P. citrichinaensis e P. paracitricarpa), enquanto P. capitalensis é extremamente generalista, colonizando endofiticamente mais de 20 famílias de plantas. Esta variação do modo de vida em espécies tão proximamente relacionadas caracteriza as espécies de Phyllosticta associadas a citros como um ótimo modelo para estudos evolutivos para compreensão da evolução de fitopatógenos. A comparação destes genomas pode contribuir para o entendimento das estratégias evolutivas dos patógenos de citros e auxiliar no conhecimento do patossistema Phyllosticta-Citrus, permitindo a adoção de melhores medidas de controle. Embora diversos aspectos possam ser avaliados, esta tese focou na evolução das estratégias de reprodução sexual e da arquitetura genômica, pois ambas as características podem estar associadas à patogenicidade de algumas espécies. As análises de genômica comparativa incluíram diversos indivíduos de seis das oito espécies de Phyllosticta associadas a citros (P. capitalensis, P. citriasiana, P. citribraziliensis, P. citricarpa, P. citrichinaensis, e P. paracitricarpa), utilizando montagens e anotações de genoma de alta qualidade. Em relação à evolução das estratégias de reprodução sexual, há um contraste entre o locus de mating-type como um todo e o seu conteúdo: a localização e a organização do locus são altamente conservadas, mas os genes de mating-type são altamente variáveis. Além disso, as espécies diferem quanto à estratégia reprodutiva utilizada: P. citriasiana, P. citribraziliensis, P. citricarpa, e P. paracitricarpa são heterotálicas, enquanto P. capitalensis e P. citrichinaensis são homotálicas. A estratégia reprodutiva ancestral no gênero Phyllosticta é o homotalismo, e o heterotalismo surgiu a partir de deleções gênicas. O locus de mating-type é uma região genômica bastante dinâmica, com mudanças e rearranjos resultando em alterações na estratégia reprodutiva. Por exemplo, em P. citrichinaensis, a reversão do heterotalismo para o homotalismo foi mediada por um elemento transponível. Em relação à arquitetura genômica, os genomas de Phyllosticta são altamente homogêneos e conservados em sua estrutura e conteúdo, sem compartimentalização, contrariando o observado para muitos patógenos já estudados, onde genes codificantes de proteínas efetoras são encontrados em regiões do genoma com maior velocidade de evolução. Esta organização genômica certamente é resultante da atividade de mecanismos genômicos de defesa como a mutação de ponto induzida por repetição (RIP), que impede a proliferação de sequências repetitivas e elementos transponíveis. A alta similaridade e conservação da arquitetura genômica entre as espécies é de fato surpreendente, uma vez que diferentes modos de vida são observados entre as espécies estudadas. De forma combinada, os resultados dos dois capítulos da tese sugerem que a reprodução sexual é essencial à biologia das espécies de Phyllosticta associadas a citros, gerando a variabilidade genética necessária para que estas espécies se adaptem aos seus hospedeiros cítricos e respondam à desafios ambientais. Estas espécies caracterizam um excelente modelo para estudos sobre a evolução da reprodução sexual e arquitetura genômica em fitopatógenos. Além disso, elas também podem fornecer uma melhor compreensão sobre a evolução e atividade de mecanismos genômicos de defesa contra sequências repetitivas, principalmente porque a correlação entre a presença destes mecanismos e altos níveis de conservação da arquitetura genômica ainda não foram extensamente investigados. Por fim, estudos futuros com isolados adicionais de outras espécies de Phyllosticta, numa amostragem populacional, certamente trarão perspectivas importantes sobre a contribuição dos mecanismos de defesa para a adaptação destas espécies a seus diferentes hospedeiros. Ainda, estudos futuros comparando os epigenomas e expressão gênica destas espécies podem contribuir para explicar as bases genéticas dos diferentes modos de vida observados.

Abstract: Phyllosticta genus comprises several plant pathogenic species that are responsible for disease symptoms such as leaf and fruit spots in many different hosts, as well as endophytic and saprophytic species. With the recent description of P. paracapitalensis and P. paracitricarpa, currently, eight Phyllosticta species are known to be associated with several Citrus hosts, incorporating diverse lifestyles: while some of them are endophytic in Citrus hosts (P. capitalensis and P. citribraziliensis), others are pathogenic (P. citriasiana, P. citricarpa, P. citrichinaensis, and P. paracitricarpa), some are host-specific (P. citribraziliensis, P. citriasiana, P. citricarpa, P. citrichinaensis and P. paracitricarpa) and P. capitalensis is a generalist, colonizing more than 20 plant families in an endophytic manner. This variation in host-interaction and lifestyles within so closely related species characterizes the Citrusassociated Phyllosticta species as a good model for evolutionary studies that aim to understand the evolution of phytopathogens. Genome comparisons may allow a better understanding on the evolutionary strategies of these citrus pathogens and the Phyllosticta-Citrus pathosystem, enabling the adoption of better management practices. While many aspects can be investigated in such studies, this thesis focused on the evolution of the sexual reproduction strategies and genomic architecture, as both traits can be associated with the pathogenic lifestyle of some species. The comparative genomic analyses included several individuals from six of the eight Citrus-associated Phyllosticta species (P. capitalensis, P. citriasiana, P. citribraziliensis, P. citricarpa, P. citrichinaensis, and P. paracitricarpa), relying on improved genome assemblies and high-quality genome annotations. Regarding the evolution of sexual reproduction strategies, there is a contrast between the mating-type locus as a whole and its content: the mating-type locus location and organization are highly conserved, but the mating-type genes are highly variable. Moreover, the species differ in the reproductive strategy employed: P. citriasiana, P. citribraziliensis, P. citricarpa, and P. paracitricarpa are heterothallic, while P. capitalensis and P. citrichinaensis are homothallic. The ancestral reproductive strategy in the Phyllosticta genus is homothallism, and heterothallism arose through gene losses. Overall, the mating-type locus is a highly dynamic region, with several changes and rearrangements leading to shifts in thallism states. One remarkable example of such shifts occurs in P. citrichinaensis, where a reversion from heterothallism to homothallism was mediated by a transposable element. Regarding the genomic architecture, the Phyllosticta genomes are highly homogeneous, highly conserved in their structure and content, without compartmentalization, differing remarkably from many other pathogens already studied, in which genes encoding effector proteins are found in fast-evolving genomic regions. This organization likely results from the activity of genome defense mechanisms like repeat-induced point mutation (RIP), which counter the proliferation of repetitive sequences and transposable elements. The high similarity and high conservation of genome architecture between species is indeed surprising, given that the studied species present contrasting lifestyles. Combined, the results from both thesis' chapters suggest that sexual reproduction plays an essential role in the biology of Citrusassociated Phyllosticta species, generating the necessary genetic variability these species need to adapt to their citrus hosts and deal with environmental challenges. Overall, the Citrusassociated Phyllosticta species comprise an excellent model for studies on the evolution of sexual reproduction and genomic architecture in phytopathogens. Furthermore, they can also be helpful for a better understanding of the evolution and activity of genome defenses mechanisms, especially because the correlation between their presence and high levels of conservation of genomic architecture was not fully addressed up to this date. Finally, further studies with additional Phyllosticta isolates from other species at the population level will certainly provide important insights on the contribution of the genome defense mechanisms on the adaptation of these species to their different hosts. Moreover, future studies on gene expression and epigenomic features of these species may contribute to a better understanding on the genetic bases of such diverse lifestyles.