Fusarium graminearum種の植物病原性真菌の間の特殊な代謝物遺伝子クラスターの多様性の複雑な進化起源

真菌ゲノムは、特殊な（または二次）代謝産物の生産の根底にある、高度に組織化された遺伝子クラスターをコードします。遺伝子クラスターはキー関数をエンコードして、植物の宿主または環境ニッチを悪用します。種間の無差別な交換と頻繁な再構成により、遺伝子クラスターは真菌ゲノムの最も動的な要素のいくつかを作ります。密接に関連する株の遺伝子クラスター含有量の多様性の高い証拠にもかかわらず、遺伝子クラスターの獲得、喪失、および新機能化を促進する微小進化プロセスはほとんど不明です。強力なマイコトキシンを生成し、穀物にフザリウム頭の枯病を引き起こす植物病原体で構成されるフザリウムグラミニアラム種複合体（FGSC）を分析しました。私たちは、以前に特性化されていないFGSCメンバーのゲノムを組み立てました（F. austroamericanum、F。cortaderiae、およびF. meridionaleの2つの株）。他の15のフザリウム種に加えて、FGSCの8種の分析により、FGSC内の54の遺伝子クラスターのパンゲノームが特定されました。複数の独立した損失が、FGSCおよびフザリウム属内の現存するクラスターの多様性を生成する重要な要因であることがわかりました。遠い関連する真菌の間で保存されているモジュラー遺伝子クラスターを特定しました。これは、異なる機能をエンコードするように再構成された可能性があります。また、FGSCのまれなクラスターが細菌と真菌の間の古代の水平移動によって得られたという強力な証拠も発見しました。クラスター損失の根底にある染色体再配置はしばしば複雑であり、特定の転位要素の濃縮によって促進された可能性があります。私たちの調査結果は、非常に密接に関連する種の中で特殊な代謝遺伝子クラスターの出生および死亡プロセスにおける重要な一時的な段階を特定します。

Fungal genomes encode highly organized gene clusters that underlie the production of specialized (or secondary) metabolites. Gene clusters encode key functions to exploit plant hosts or environmental niches. Promiscuous exchange among species and frequent reconfigurations make gene clusters some of the most dynamic elements of fungal genomes. Despite evidence for high diversity in gene cluster content among closely related strains, the microevolutionary processes driving gene cluster gain, loss, and neofunctionalization are largely unknown. We analyzed the Fusarium graminearum species complex (FGSC) composed of plant pathogens producing potent mycotoxins and causing Fusarium head blight on cereals. We de novo assembled genomes of previously uncharacterized FGSC members (two strains of F. austroamericanum, F. cortaderiae, and F. meridionale). Our analyses of 8 species of the FGSC in addition to 15 other Fusarium species identified a pangenome of 54 gene clusters within FGSC. We found that multiple independent losses were a key factor generating extant cluster diversity within the FGSC and the Fusarium genus. We identified a modular gene cluster conserved among distantly related fungi, which was likely reconfigured to encode different functions. We also found strong evidence that a rare cluster in FGSC was gained through an ancient horizontal transfer between bacteria and fungi. Chromosomal rearrangements underlying cluster loss were often complex and were likely facilitated by an enrichment in specific transposable elements. Our findings identify important transitory stages in the birth and death process of specialized metabolism gene clusters among very closely related species.