Computational and molecular study of terpene synthase genes in trichoderma
- Autores: Isabel Vicente Muñoz
- Directores de la Tesis: Enrique Monte Vázquez (dir. tes.), Giovanni Vannacci (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Salamanca ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Christophe Clément (presid.), Lorenzo Guglielminetti (secret.), María Rosa Hermosa Prieto (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Agrobiotecnología por la Universidad de Salamanca
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
Trichoderma comprende un amplio número de especies, de gran interés en el manejo de enfermedades de las plantas de cultivo y la industria. El amplio rango de estilos de vida de estas especies está respaldado por su diversidad de Metabolitos Secundarios (MSs). En este trabajo, se ha utilizado una combinación de enfoques de minería genómica y genómica comparativa generando una extensa visión sobre el potencial de biosíntesis de MSs en Trichoderma. La evaluación del contenido en genes core y clusters de genes involucrados en la producción de MSs en 21 cepas de 17 especies de Trichoderma muestra que las especies filogenéticamente cercanas tienen arsenales de MSs similares, y que las diferencias en los estilos de vida de estas especies podrían explicar las diferencias encontradas entre clados. Trichoderma contiene un sorprendente número de terpeno sintasas (TSs). La caracterización de estas enzimas, en base a elementos de secuencia conservados y análisis filogenético junto con TSs de función conocida, permitió asignar funciones putativas a 15 grupos de prenil-transferasas, terpeno ciclasas y proteínas quiméricas, proporcionando una visión general de la diversidad de esta familia génica dentro del género. Las enzimas trichodieno sintasas (TRI5) se encontraron en distintos contextos genómicos en especies no productoras de trichotecenos. En T. gamsii, tri5 se encuentra incluido en un cluster de 21.3 kb junto con un factor de transcripción, algunas encimas de modificaciones secundarias y un transportador. Dado que T. gamsii carece de los genes TRI necesarios para la biosíntesis de trichotecenos, tri5 podría estar involucrado en esta especie, en la biosíntesis de sesquiterpeno/s diferentes a los trichotecenos, participando así en vias metabólicas aun no definidas en Trichoderma. Las características de T. gamsii T6085 (Tgam), antagonista de Fusarium spp. y capaz de controlar la Fusariosis de la Espiga (FHB) en trigo, así como de colonizar la rizosfera y endofitar las raíces de las plantas de trigo, permitieron estudiar la regulación de los genes TSs en diferentes condiciones ambientales. El estrés oxidativo, salino y por baja disponibilidad de N, así como la presencia/ausencia de una fuente de C, afectaron diferencialmente la expresión de los genes TSs, y los resultados sugieren que la producción de diterpenos de indol podría ocurrir en respuesta al estrés oxidativo. La expresión de los genes TSs no cambió cuando el hongo crecía en las espigas de trigo en presencia/ausencia de F. graminearum. Sin embargo, una evidente reprogramación en la biosíntesis de terpenos parece ocurrir cuando el hongo coloniza las raíces de las plantas de trigo. Si se considera la expresión de tri5, los resultados sugieren que su regulación sería distinta en T. gamsii y T. brevicompactum. La fuerte expresión de tri5 durante la colonización de las raíces sugiere que este gen podría tener un papel importante en la interacción del hongo con la planta. Por otro lado, los perfiles metabólicos de Tgam revelaron la ausencia de trichotecenos, y la habilidad del hongo para producir diterpenos y grandes cantidades de pironas. Este trabajo proporciona i) una visión extensa del potencial de biosíntesis de MSs en Trichoderma, ii) una caracterización genómica detallada de la diversidad en la familia de TSs en Trichoderma, iii) una fotografía de la regulación de las TSs en Tgam en diferentes situaciones ambientales, iv) algunas claves sobre la regulación de tri5 en Tgam y su relevancia en la relación con la planta, y v) preguntas interesantes sobre el significado biológico de tri5 en especies beneficiosas de Trichoderma.
- English
Trichoderma is a fungal genus comprising a large number of species of great interest for plant protection and industry. The broad spectrum of lifestyles of the isolates belonging to this genus is likely supported by the diversity of their Secondary Metabolites (SMs) arsenal. In the present work, we combined genome mining and comparative genomic approaches to provide an extensive view of the SMs potential in this genus. Assessment of the core-genes and Biosynthetic Gene Clusters (BGCs) involved in SMs biosynthesis in the genomes of 21 isolates of 17 Trichoderma species showed that closest phylogenetic species tend to have similar SMs inventories, while lifestyle diversity could explain differences found among clades. Trichoderma contains a striking number of terpenoid synthases (TSs) genes, whose almost half is included in clusters. Characterization based on conserved sequence features and phylogenetic analysis with known TS proteins revealed the putative functions of 15 groups of prenyl transferases, terpene cyclases and chimeric proteins, providing an overview of the diversity of these enzymes in the genus.
Trichodiene synthases (TRI5)-encoding genes were found in different genomic contexts in the non-trichothecene producer species. In particular, tri5 genes from T. gamsii isolates are embedded in a 21.3 Kb putative cluster including a transcription factor, some tailoring enzymes and a transporter. Since T. gamsii lacks the other TRI genes required for trichothecene production, we hypothesize that tri5 might be involved, in this species, in the biosynthesis of sesquiterpene/s other than trichothecenes, therefore participating in not yet defined metabolic pathways in Trichoderma. The characteristics of the isolate T6085 of T. gamsii (Tgam), known both to antagonize Fusarium spp. and to reduce Fusarium Head Blight (FHB) on wheat, and for its ability to colonize the rhizosphere and, endophytically, the wheat roots, enabled to study the regulation of the TS genes in different environments. Overall, oxidative and saline stresses, N starving, and availability of C source differentially affected TS genes expression, and results suggest that production of indole diterpenes could occur in response to oxidative stress. TS genes expression did not change significantly when the fungus was growing on wheat spikes in presence/absence of F. graminearum. In contrast, an evident reprogramming of terpene biosynthesis seems to take place when the fungus colonizes the roots (on PDA) compared to when it grows on PDA alone. Specifically, if we consider the expression of tri5, results suggest this gene in T. gamsii has a different type of regulation compared to what is known for tri5 of T. brevicompactum. The strong up-regulation of tri5 found when the fungus colonizes the wheat roots suggests this gene could have an important role in the interaction with the plant. In addition, metabolic profiles of Tgam revealed the absence of trichothecene compounds, and the ability of the fungus to produce diterpenes and high amounts of pyrones. In summary, we provide i) an extensive view of the SMs potential in Trichoderma, ii) a genomic characterization of the TS inventory in the genus, iii) a picture of TS gene regulation in Tgam in different environments, iv) a step forward to deciphering the regulation of tri5 in Tgam and its relevance in the relation with the plant, and v) interesting questions about the biological significance of tri5 in beneficious Trichoderma species.
- italiano
Trichoderma è un genere fungino che comprende un grande numero di specie d’interesse per la difesa delle piante e per l’industria. L’ampia varietà degli stili di vita degli isolati appartenenti a questo genere è supportata dalla diversità dei Metaboliti Secondari (MSs) che sono in grado di produrre. Nel presente lavoro, la combinazione di un approccio di genome-mining e di genomica comparata ha permesso di ottenere una visione ampia del potenziale biosintetico, in termini di MS, del genere Trichoderma. La valutazione dei geni “core” e dei cluster genici coinvolti nella biosintesi dei MSs presenti nei genomi di 21 isolati appartenenti a 17 specie di Trichoderma, ha rivelato che le specie filogeneticamente vicine tendono ad avere un arsenale di MSs simile, mentre la diversità dello stile di vita potrebbe spiegare le differenze riscontrate tra i clade. Trichoderma contiene una grande quantità di enzimi appartenenti alla classe delle terpene sintasi (TSs), la cui caratterizzazione, sulla base delle sequenze conservate e dell’analisi filogenetica effettuata su quelle con funzione nota, ha rivelato le funzioni putative di 15 gruppi di prenil-transferasi, terpene ciclasi ed enzimi chimerici, fornendo una panoramica della diversità di questi enzimi all’interno del genere. Gli enzimi tricodiene sintasi (TRI5) sono stati trovati in diversi contesti genomici anche in specie non produttrici di tricoteceni. In T. gamsii, tri5 appartiene ad un cluster genico di 21.3 Kb che include un fattore di trascrizione, diversi enzimi responsabili di modificazioni secondarie, ed un trasportatore.
Poiché T. gamsii non presenta altri geni TRI necessari per la biosintesi dei tricoteceni, tri5 potrebbe essere coinvolto, in questa specie, nella biosintesi di sesquiterpeni diversi, partecipando quindi a vie metaboliche non ancora definite in Trichoderma. Le caratteristiche dell’isolato T6085 di T. gamsii (Tgam), noto sia per antagonizzare Fusarium spp. e ridurre l’incidenza della fusariosi sul frumento, che per la sua capacità di colonizzare la rizosfera e, endofiticamente, le radici di questa specie vegetale, ha permesso di studiare la regolazione dei geni TS in diverse condizioni ambientali. In generale, gli stress ossidativi e salini, la bassa disponibilità di N e la presenza/assenza di fonti di C, hanno effetti differenziali sull’espressione dei geni TS che, tuttavia, non cambia quando il fungo cresce nelle spighe di frumento in presenza/assenza di F.
graminearum. Un’evidente riprogrammazione nella biosintesi dei terpeni sembra verificarsi, invece, quando il fungo colonizza le radici di frumento (su PDA), rispetto a quando cresce da solo su mezzo agarizzato. In particolare, si se considera l’espressione di tri5, i risultati suggeriscono che in T. gamsii questo gene è regolato diversamente rispetto a quanto noto per T. brevicompactum. La forte espressione di tri5 rilevata quando il T6085 colonizza le radici di frumento suggerisce che questo gene potrebbe avere un ruolo importante nell’interazione con la pianta. Inoltre, i profili metabolici di Tgam rivelano l’assenza di tricoteceni e la capacità di questo fungo di produrre diterpeni ed un’elevata quantità di pirone. Questo lavoro fornisce: i) una visione ampia del potenziale biosintetico dei MSs e; ii) una caratterizzazione delle TSs in Trichoderma; iii) un quadro sulla regolazione dei geni TS in Tgam in diverse condizioni ambientali; iv) nuove informazioni sulla regolazione di tri5 in Tgam e il suo coinvolgimento nelle interazioni tra il fungo e la pianta e; v) lascia aperti alcuni quesiti, meritevoli di indagini, sul significato biologico di tri5 in specie benefiche di Trichoderma.
- español
