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Doctoral Thesis
DOI
Document
Author
Full name
Juliana Benevenuto
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2017
Supervisor
Committee
Vitorello, Claudia Barros Monteiro (President)
Camargo, Luis Eduardo Aranha
Ceresini, Paulo Cezar
Oliveira, Giancarlo Conde Xavier
Pachón, Diego Mauricio Riaño
Title in English
Molecular variability among Brazilian strains of the sugarcane smut pathogen and the genetic basis of host specialization in smut fungi
Keywords in English
Effectors
Genome
Host adaptation
Mating-type
Orphan genes
Positive selection
Smut disease
Variability
Abstract in English
Plant pathogens have the ability to quickly overcome host resistance and shift to novel hosts. The (re)emergence of plant pathogens is a major concern in agriculture and in conservation of natural landscapes. The rapid adaptation to hosts and new environments depends on the genetic variability in pathogen populations. Despite of the importance of sugarcane for Brazilian agribusiness and the persistence of the smut pathogen Sporisorium scitamineum in most cropping areas, genetic variation studies are still missing for Brazilian isolates. In the chapters 1 and 2, molecular variability studies were performed for Brazilian and Argentine isolates of S. scitamineum, using molecular markers (AFLP, telRFLP) and sequencing (ITS and a candidate effector gene) strategies. No variation was found in ITS sequences. On the contrary, telRFLP marker generates almost a unique fingerprint for each strain. Two genetically distinct groups were formed by the joint analysis of the AFLP and telRFLP markers. The two groups were the same formed by haplotypes of a candidate effector gene. The presence of polymorphisms that causes non-synonymous mutations in a candidate effector gene potentially involved in the specific interaction with sugarcane may cause distinct performances on host genotypes. S. scitamineum is part of the highly diverse clade of Ustilaginomycetes fungi that includes several smut disease agents. Despite being phylogenetically close and present similar lifestyles, species of smut fungi have distinct and narrow host ranges. Hence, another objective in this thesis was to identify the genetic basis of host specialization in smut fungi using comparative genomics analyses. In chapter 3, the mating-type loci were described in S. scitamineum genome and compared among smut fungi. Transposable elements are the likely mechanism causing chromosomal rearrangements between mating-type loci. The presence of trans-specific polymorphisms at the genes encoding pheromone/receptor proteins suggests a hybridization potential among smut species. In the chapter 4, a broad comparative genomics analysis was performed among nine species of smut fungi infecting distinct hosts. The genetic basis of host specialization in smut fungi is complex and seems to involve a range of evolutionary processes, including gene gain/loss and episodic selection events. Species-specific effectors and positively selected genes will be good candidates for further characterization in regards to their role in host adaptation.
Title in Portuguese
Variabilidade molecular entre isolados brasileiros do agente causal do carvão da cana-de-açúcar e a base genética da especialização ao hospedeiro
Keywords in Portuguese
Adaptação ao hospedeiro
Cana-de-açúcar
Doenças do Carvão
Efetores
Genômica
Abstract in Portuguese
Fitopatógenos apresentam a habilidade de rapidamente suplantar os mecanismos de defesas da planta e adaptar-se a um novo hospedeiro. A (re)emergência de patógenos é uma das maiores preocupações na agricultura e na conservação de populações naturais. A rápida adaptação ao hospedeiro e a novos ambientes depende da variabilidade genética nas populações de patógenos. Apesar da importância da cana-de-açúcar para o agronegócio brasileiro e da persistência do patógeno Sporisorium scitamineum, o agente causal do carvão da cana-de-açúcar, na maioria das áreas canavieiras, estudos de variabilidade genética ainda não foram realizados para isolados brasileiros. Nos capítulos 1 e 2, estudos de variabilidade molecular foram realizados para isolados brasileiros e argentinos de S. scitamineum, usando marcadores moleculares (AFLP e telRFLP) e dados de sequenciamento (ITS e um gene candidato a efetor). Nenhum polimorfismo foi encontrado usando sequências ITS. Contrariamente, o marcador telRFLP gerou quase um fingerprint para cada linhagem. Dois grupos geneticamente distintos foram formados pela análise conjunta dos marcadores telRFLP e AFLP. Os dois grupos também foram formados pelos haplótipos obtidos pelo sequenciamento de um candidato a efetor. A presença de polimorfismos causando mutações não-sinônimas em um candidato a efetor pode acarretar em performances distintas em diferentes genótipos de cana-de-açúcar. S. scitamineum pertence à classe Ustilaginomycetes, a qual também abrange vários outros agentes causais de doenças do carvão. Apesar de filogeneticamente próximos e com estilo de vida similar, espécies de carvão apresentam uma faixa distinta e estreita de hospedeiros. Portanto, outro objetivo desta tese foi identificar a base genética da especialização ao hospedeiro por fungos causadores de carvão usando análises de genômica comparativa. No capítulo 3, os loci envolvidos na determinação do tipo de reação sexual (mating-type) foram caracterizados no genoma de S. scitamineum e comparados com sequências de outras espécies de carvão. Tranposons foram identificados como provável mecanismo de rearranjo cromossômico entre os loci de mating-type. Polimorfismos trans-específicos nos genes codificadores de feromônios e receptores sugerem o potencial de hibridização entre espécies de carvão. No capítulo 4, análises de genômica comparativa abrangendo nove espécies de carvão infectando hospedeiros distintos foram realizadas. A base genética da especialização ao hospedeiro em fungos causadores de carvão é complexa e parece envolver processos evolutivos de ganho/perda de genes e seleção positiva. Efetores espécie-específicos e sob seleção positiva são destacados como bons candidatos para serem caracterizados quanto ao papel que estabelecem na adaptação ao hospedeiro.
 
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Release Date
2019-10-06
Publishing Date
2017-10-18
 
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