Comparative genomics of lichen-forming and endophytic fungi

Abstract

공생(symbiosis)은 생태계에 존재하는 관계 중 하나로, 두 유기체 중 적어도 한쪽이 이득을 얻으며 서로 영향을 주고받는 형태를 말한다. 대부분의 식물들은 외부환경으로부터 물과 양분을 좀 더 효율적으로 얻기 위해 공생균과 상호작용을 하고 있다. 분자유전학적 연구만으로는 공생 생활사를 이해하는데 한계가 있었지만, 최근 염기서열 분석 기술의 발달로 인해 포괄적인 비교 유전체학적 연구와 진화적 관점에 대한 접근이 가능해졌다. 공생균은 각각 식물의 뿌리, 조류, 그리고 식물의 전체 조직과 상호작용하는 균근(mycorrhizal fungi), 지의류 형성 곰팡이(lichen-forming fungi), 내생균(endophytic fungi)으로 나뉜다. 최근에는 많은 수의 균근 유전체 서열이 밝혀졌고, 비교 유전체학 분석을 통해 식물 세포벽 분해효소(plant cell wall degrading enzyme) 유전자의 손실과 계통 특이적인 이펙터(effector) 유전자들의 획득으로 인해 균근의 공생생활사가 나타났음이 밝혀졌다. 하지만 이에 비해 지의류와 내생균의 유전체 연구는 부족한 것으로 보인다. 본 연구에서는 공생균인 지의류 형성 곰팡이와 내생균의 유전체적 특성을 두 장에 걸쳐 분석하였다. 첫 번째 장에서는 여섯 종의 지의류 형성 곰팡이 유전체를 비교분석하여 조류와의 공생관계 형성에 관여하는 요소를 유전체 서열에서 찾아보고자 하였다. 지의류 형성 곰팡이들의 유전체 서열은 서로 잘 유지 되어있지 않았으며, 각각 다른 공통조상으로부터 유래된 것을 확인할 수 있었다. 하지만 지의류 계통에서 공통적으로 사이토크롬 P450(cytochrome P450) 유전자군의 확장과 식물 세포벽 분해효소, 당 수송체(sugar transporter), 전사 인자(transcription factor) 유전자군의 수축이 일어났음을 밝혔다. 이는 지의류 형성 곰팡이가 조류와의 상호작용에서 비 침투 표면(non-penetrating interface)을 형성하고, 조류로부터 광합성 산물을 특정 폴리올(polyol) 형태로 제공받는 것과 상응하는 결과이다. 또한 시간대별 전사체 정보를 통해 지의류 형성 곰팡이 특이적 유전자와 다른 곰팡이에서도 보존 되어있는 유전자들이 각각 공생 형성과정의 초기와 후기 단계에 관여한다는 것을 밝혀내었다. 두 번째 장에서는 바랭이에서 벼로 기주 전이(host transition)된 Magnaporthe grisea JDJ2F와 YHL-684 균주들을 찾아내었으며, 이들은 벼에서 내생균으로 존재함을 확인하였다. 두 균주는 벼에서 분리되었지만 유전형과 전체 유전자 서열 비교를 통해 원래 기주 (origin host)는 바랭이임이 밝혀졌다. 기주 결정 요인으로 알려진 이펙터 유전자들은 M. grisea 균주들 사이에서 큰 차이를 보이지 않았지만, M. oryzae 이펙터 유전자들에서 M. grisea JDJ2F 균주의 기주 전이의 증거를 확보할 수 있었다. AVR-Pi9은 일부 아미노산 서열에서 다형성(polymorphism)을 보이는 것을 확인하였고, 이는 M. oryzae 서열과 동일한 것으로 나타났다. 또한, 벼를 기주로 가지는 M. oryzae에 특이적인 AVR-Pik 유전자가 M. grisea JDJ2F에 존재하며 주변에 많은 수의 전이 인자(transposable element)와 M. grisea JDJ2F 특이적으로 획득된 유전자들이 분포하는 것을 확인하였다. 이러한 증거들을 토대로, M. grisea JDJ2F 균주는 바랭이에서 벼로 기주가 전이되는 과정에 있으며 벼에 대한 병원성을 얻기 전에 내생균으로 존재할 수 있다는 가설을 설정할 수 있었다. 본 비교유전체 연구는 지의류 형성 곰팡이가 어떻게 공생관계를 형성하고 유지할 수 있었는지, 그리고 기주 전이의 중간단계로 보이는 내생균에서의 기주 전이 증거는 무엇인지를 밝혀내는 것을 목표로 하였다. 이 연구결과들은 공생관계를 형성하는 곰팡이들의 유전체적 특성을 보여줄 뿐만 아니라 추후 분자생물학적 연구의 기반을 제공할 것이다. 궁극적으로는 곰팡이의 생활양식을 이해하는데 새로운 식견을 제공할 것이다.

Symbiosis is one of the interactions between different organisms in the ecosystem in which one of them has benefits. Most plants are associated with symbiotic fungi to obtain water and nutrients more efficiently from the external environment. Fungal symbiosis which interact with plants is classified into mycorrhizal, lichen-forming, and endophytic fungi which interact with plant roots, algae, and entire plant tissue respectively. Although there have been limitations in understanding fungal symbiosis using molecular biology, the recent advancement of whole genome sequencing technology has enabled a comprehensive comparative genomics approach to evolutionary perspectives. For example, comparative genomics of a large number of mycorrhizal fungi genomes revealed their lifestyle has evolved with the loss of plant cell wall degrading enzymes and the gain of lineage-specific effector proteins. However, comparative genomics of lichen-forming and endophytic fungi were poorly conducted compared with that of mycorrhizal fungi. This study analyzed the genomic characteristics of symbiotic, lichen-forming, and endophytic fungi, in two chapters. In the first chapter, the genomes of six lichen-forming fungi were compared to find how their symbiotic relationships gained in evolutionary history. Whole genome sequences of lichen-forming fungi were not conserved, which indicates that six lichen-forming fungi were derived from different common ancestors. However, two lichen-forming fungi lineages have undergone similar changes in gene families such as gene family expansions of cytochrome P450 and gene family contractions of plant cell wall degrading enzymes, sugar transporters, and transcription factors. These results correspond with the formation of non-penetrating interfaces in fungi-algal interactions and the obtaining of photosynthetic products such as specific polyols from algal partners. In addition, time-series transcriptome profiles showed that lichen-forming fungi-specific and conserved genes were induced in the early and late stages of symbiosis establishment, respectively. In chapter 2, two host-transited Magnaporthe grisea strains, JDJ2F and YHL-684, were isolated from rice showing an endophytic lifestyle. Even though two strains were isolated from rice, their genomic evidence indicated that they had originated from crabgrass. To reveal the host transition evidence of two strains, effector protein sequences were compared among M. grisea and M. oryzae sequences. The repertories of effectors were not significantly different among M. grisea strains, but two M. oryzae effector genes showed a significant difference which could clarify the host transition evidence. One of the effector proteins, AVR-Pi9 in the M. grisea JDJ2F strain, has amino acid polymorphism similar to sequences of M. oryzae strains. Moreover, rice-infecting M. oryzae-specific AVR-Pik gene was observed in the M. grisea JDJ2F strain with a large number of transposable elements. Based on these results, we hypothesized that M. grisea strain JDJ2F is in an intermediate stage of the host transition process from crabgrass to rice and exhibit the endophytic lifestyle before they obtain virulence in rice. This comparative genomic study aims to elucidate how lichen-forming fungi obtain and maintain their beneficial interaction and how endophytic fungi are evolved as an intermediate stage during host transition process. The results of this study will contribute to the understanding of fungal symbiosis and provide the basic clue for further molecular genetic studies of fungal symbiosis and their lifestyles.