La génomique et la transcriptomique révèlent des clusters de luciférases chez les champignons

Séquençage du génome fongique englobe plusieurs techniques clés, y compris le scan du génome fongique, le cartographie fine et le resequencement. Cette approche puissante permet de prédire des gènes et des protéines cruciaux, facilitant une compréhension plus approfondie de leurs fonctions et des mécanismes sous-jacents. Le séquençage du génome fongique a supplanté les méthodes conventionnelles, devenant un outil indispensable pour étudier les mécanismes génétiques derrière l'évolution bactérienne et les gènes fonctionnels essentiels.

Le genre Mycènes comprend plus de 600 espèces connues pour leurs chapeaux en forme de parapluie, et leur habitat s'étend à travers le monde. Notamment, Mycènes les champignons présentent un trait captivant : la bioluminescence. Parmi les 81 espèces de champignons luminescents identifiées, 68 appartiennent à Mycènes, un phénomène qui a suscité l'intérêt des chercheurs. Il a été établi que la luciférase joue un rôle clé dans la luminescence fongique et est fortement conservée parmi les champignons. Néanmoins, l'origine évolutive de la luciférase chez les champignons et les gènes associés à la luminescence restent entourés de mystère. En réponse à cela, les chercheurs ont développé un modèle pour éclairer l'évolution de la bioluminescence fongique. Ils ont réussi cela en créant des génomes de référence de haute qualité pour cinq Mycènes espèces, tirant parti de la comparaison génomique et transcriptomique données.

Assemblage et Annotation du Génome : Interactions des Éléments Transposables et Méthylation de l'ADN

Utilisation Séquençage ONT et séquençage de nouvelle générationles chercheurs ont réussi à construire des génomes pour cinq espèces au sein du genre de champignons compact. MycènesCes génomes ont présenté une plage de taille allant de 50,9 à 167,2 mégabases, avec des valeurs de Contig N50 variant de 2,2 à 5,5 mégabases. Le processus d'annotation a abouti à un total de 13 940 à 26 334 gènes codant pour des protéines, tandis que la complétude du génome, évaluée à l'aide des métriques BUSCO, a constamment varié entre 92,1 % et 95,3 %. En résumé, les chercheurs ont établi cinq génomes de référence de haute qualité pour le Mycènes espèces.

Semblable à d'autres génomes fongiques, la variation dans les tailles de ces cinq sélectionnés Mycènes les génomes peuvent être attribués au contenu des séquences répétées. Notamment, le plus petit génome, M. chlorophosne contenaient que 11,7 % de séquences répétitives, tandis que les génomes plus grands, M. sanguinolenta et M. vénusont présenté une proportion substantielle de 35,7 % à 39 % de séquences répétitives. De plus, ces génomes des Mycènes L'espèce a démontré des caractéristiques fongiques typiques, caractérisées par un faible contenu en séquences répétitives et une haute densité génomique.

De plus, la recherche a révélé une relation intrigante entre la taille du génome et les niveaux de méthylation dans M. VénusIl a été observé que l'expansion des séquences d'éléments transposables (ET) au sein de la Mycènes des espèces corrélées à une augmentation des séquences répétées et à une réduction concomitante des niveaux de méthylation. Ce phénomène a finalement conduit aux tailles de génome plus grandes observées.

Analyse phylogénomique de Mycena et des champignons apparentés. (Ke et al., 2020)

Distribution des caractéristiques du génome de Mycena. (Ke et al., 2020)

L'évolution de la luciférase : une enzyme clé à l'origine de la luminescence fongique

Les arbres phylogénétiques, construits à travers diverses méthodologies, suggèrent fortement que l'origine de la luciférase peut être retracée jusqu'à la fin du Jurassique, il y a environ 160 millions d'années. Cependant, une question intrigante émerge : pourquoi les champignons luminescents se regroupent-ils principalement au sein des genres Mycena et Marasmioid, tandis que leurs homologues non luminescents au sein de ces mêmes genres semblent avoir perdu le cluster de gènes essentiel de la luciférase ? Cette particularité a poussé les chercheurs à explorer l'histoire évolutive complexe de la luciférase.

Les résultats de la recherche mettent en lumière le fait que la luciférase des espèces ancestrales parmi les champignons luminescents, englobant des clusters de gènes clés tels que luz, h3h, cyp450 et hisps, étaient situés ensemble sur le même chromosome aux côtés de l'enzyme cph. Cependant, au fil du temps, une trajectoire évolutive distincte s'est développée au sein des espèces de Mycena et de Marasmioid.

Notamment, la luciférase luminescente champignons clade Marasmioid était confiné à des régions génomiques où les changements évolutifs se produisaient à un rythme plus lent, dépourvues de réarrangements chromosomiques. Cet environnement a permis la préservation de caractéristiques de luciférase cohérentes au sein de ce groupe. En revanche, la luciférase au sein de la Mycènes Les espèces de champignons luminescents ont subi de multiples événements de réarrangement chromosomique médiés par des éléments transposables, entraînant une divergence notable de leurs séquences de luciférase.

De plus, les champignons non lumineux au sein de ces genres ont présenté une perte complète du gène de la luciférase, les distinguant de leurs homologues bioluminescents.

Synténie autour du cluster de luciférase chez les champignons bioluminescents. (Ke et al., 2020)

Identification des gènes associés à la luminescence fongique

Dans la quête d'une identification précise des gènes responsables de la luminescence fongique, les chercheurs ont utilisé une approche d'analyse du transcriptome en deux étapes. Ils ont réalisé une analyse de l'expression génique différentielle sur quatre champignons distincts, chacun présentant des degrés de luminescence variés. De plus, les chercheurs ont comparé les modèles d'expression des gènes liés à la luminescence dans différents tissus, en se concentrant sur Mycena kentingensis comme exemple représentatif.

Les résultats ont révélé un total de 29 gènes différemment exprimés parmi les quatre champignons, incluant notamment les gènes luz, h3h et hisps, affirmant ainsi leur implication directe dans le processus de luminescence. Une analyse de réseau de co-expression génique pondérée (WGCNA) a également identifié 67 gènes co-exprimés au sein de M. kentingensisCet ensemble comprenait non seulement les 29 gènes liés à la luminescence mentionnés précédemment, mais aussi des gènes associés au remodelage de la paroi cellulaire. Cette découverte intrigante implique une possible connexion entre le processus de développement fongique, le remodelage de la paroi cellulaire et la bioluminescence.

En résumé, cette étude souligne la régulation dynamique du cluster de luciférase durant le développement fongique, mettant en évidence des niveaux d'expression distincts parmi les différentes lignées de champignons bioluminescents. Grâce à une analyse comparative complète du génome, les chercheurs ont construit un modèle évolutif de la luciférase, éclairant son évolution à travers divers champignons luminescents s'étendant sur plus de 160 millions d'années. L'analyse du transcriptome a en outre révélé une pléthore de gènes liés à la luminescence fongique, offrant de nouvelles perspectives pour l'exploration de ce phénomène fascinant.

Analyse d'expression pour identifier les gènes impliqués dans la bioluminescence. (Ke et al., 2020)

Référence:

1. Ke, Huei-Mien, et al. "Les génomes de Mycena résolvent l'évolution de la bioluminescence fongique." Actes de l'Académie nationale des sciences 117,49 (2020) : 31267-31277.