Relationship between genome size, serpentine adaptation and cryptic sexuality in the ectomycorrhizal fungus Cenococcum geophilum

Abstract

Os fungos micorrízicos constituem um grupo diverso de microorganismos terrestres que formam associações simbióticas multifuncionais com raízes de plantas vasculares, nas quais o fungo facilita a absorção de água e nutrientes pela planta, melhora a tolerância da planta à seca e a organismos patogénicos, e favorece o desempenho da planta em ambientes ricos em metais pesados (por exemplo, solos serpentinicos). Enquanto o papel que os fungos desempe-nham na diversidade e funcionamento dos ecossistemas é objecto de muitos estudos, a informação existente acerca da estrutura e tamanho do genoma em fungos era, até recentemente, muito escassa para espécies fúngicas não-modelo, apesar da sua importância no estudo da biodiversidade comparativa. Estudos recentes envolvendo a sequenciação de genomas fúngicos suge-rem grandes variações no tamanho do genoma e têm ainda demonstrado uma associação entre o tamanho do genoma e a variação fenotípica. Por exemplo, uma variação no tamanho do genoma parece relacionar-se com a patogenici-dade e com um aumento na capacidade de adaptação de certos fungos. Ape-sar de não ser regra, fungos patogénicos têm frequentemente tamanhos de genoma superiores, o que parece conferir uma maior adaptabilidade e, a longo prazo, uma maior virulência. Um tamanho de genoma maior pode ainda expli-car a subsistência de fungos sem uma fase sexual conhecida, e a variação do genoma em si mesma pode promover uma rápida adaptação. Neste contexto, os principais objectivos desta tese de Mestrado foram es-tabelecer o tamanho de genoma do fungo ectomicorrízico Cenococcum ge-ophilum proveniente de solos serpentínicos e não serpentínicos e investigar a possível relação entre diferentes níveis de ploidia e a sensibilidade ao níquel. Quarenta isolados provenientes de quatro populações do nordeste de Portugal (Bragança) - duas populações serpentínicas e duas não serpentínicas, foram analisados por citometria de fluxo e o tamanho de genoma foi calculado. As estimativas de tamanho de genoma variaram entre 104 e 414 Mbp e foram de-finidos três níveis de ploidia (haplóide, diplóide e aneuplóide). Em experiências dose-resposta três isolados representantes de cada tipo de solo e de cada ní-vel de ploidia foram expostos a diferentes concentrações de níquel e o incre-mento de biomassa foi medido ao fim de 21 dias. Perante a exposição ao ní- vi quel, não só os isolados serpentínicos e não serpentínicos, mas também os isolados haplóides e diplóides responderam de modo distinto. Estes resultados sugerem que a diploidização poderá contribuir para a adaptação de Cenococ-cum geophilum a solos serpentinicos através de uma maior tolerância ao ní-quel.

Mycorrhizal fungi are a diverse group of soil microorganisms that form multi-functional symbiotic associations with the roots of vascular plants, in which the fungi aid nutrient and water uptake by the plant, improve plant tolerance to drought and pathogens and aid plant performance in environments high in heavy metal content (e.g. serpentine soils). While the important role that fungi play in ecosystem diversity and functioning is under active research, until re-cently there has been relatively scarce information on genome structure and size for non-model fungal species despite its relevance for comparative biodi-versity research. Recent genome sequencing studies support observations of large variation in fungal genome size, and have further demonstrated an association between genome size and phenotypic variation. For example, genome size variation has been shown to associate with pathogenicity and increased adaptability. Alt-hough not the rule, pathogenic fungi often have larger overall genome sizes, which has been suggested to confer adaptability, and over the longer term, greater virulence. A larger genome size may also explain the long-term persis-tence of fungi having no known sexual stage and genome size variation itself can promote rapid adaptation. Considering this, the main objectives of this Master thesis were to establish the genome size of the ectomycorrhizal fungus Cenococcum geophilum isolated from serpentine and non-serpentine soils and relate its ploidy levels with nickel sensitivity. Forty isolates from four populations in northeastern Portugal (Bra-gança) were analyzed through flow cytometry and their genome size was as-sessed. Genome size estimates ranged from 104 and 414 Mbp and three levels of ploidy were established (haploid, diploid and aneuploid). In dose response experiments, three isolates representative of each soil type and ploidy levels were exposed to different Ni concentrations and biomass increment measured after 21 days of growth. A dissimilar response has resulted from exposure of serpentine and non-serpentine isolates, but also of haploid and diploid isolates, to nickel. This result suggests that diploidization can contribute to adaptation of C. geophilum to serpentine soils via Ni-enhanced tolerance.