Genomics and Transcriptomics of the sebacinoid fungi Piriformospora indica and Sebacina vermifera

Der Wurzelendophyt Piriformospora indica und der Orchideen-Mykorrhiza Pilz Sebacina vermifera (Sebacinales, Basidiomycota) sind in der Lage eine mutualistische Symbiose mit Pflanzen zu etablieren. Beide Pilze kolonisieren dabei die Wurzelrinde einer Vielzahl von Gefäßpflanzen, einschließlich der monokotyledonen Gerste (Hordeum vulgare) und des dikotyledonen Ackerschmalwands (Arabidopsis thaliana). Die Besiedelung der Wirtspflanze durch die Pilze führt zu einer Wachstumsförderung, sowie einer erhöhten Resistenz gegen abiotische und biotische Stressfaktoren. Während der Entwicklung der Pilze innerhalb der Wurzel sind diese sowohl in toten Zellen der Wurzelrinde, als auch in einer biotrophen Interaktion mit lebenden Pflanzenzellen zu finden. Diese Eigenschaften zusammen mit der Möglichkeit, die Pilze auf synthetischen Medien zu kultivieren, offenbaren eine umfangreiche phänotypische Flexibilität, welche sich auch in ihrem Erbgut widerspiegeln. In dieser Arbeit wurden die Genome von Piriformospora indica und Sebacina vermifera charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass bestimmte Gene und funktionelle Proteindomänen in beiden Spezies expandiert sind. Zu diesen gehören Proteine, für die eine Funktion im intra- und extrazellulären Transport (Transporter), in der Proteolyse (Peptidasen), im Abbau von Kohlenhydraten (Hydrolasen) und in der Bindung von Kohlenhydraten (Lektine) vorhergesagt wurde. Zusätzlich wurde eine neuartige Familie von kleinen sekretierten Proteinen in P. indica identifiziert, welche sich durch regelmäßig verteilte Histidine und Alanine, sowie ein konserviertes, sieben Aminosäuren-Motiv ("RSIDELD") am C-terminus der Proteine auszeichnet. Auf der anderen Seite konnte gezeigt werden, dass die Anzahl an Proteinen welche eine Funktion in der Produktion von Sekundärmetaboliten besitzen, insbesondere Polyketide und nicht-ribosomale Peptidsynthetasen, in beiden Pilzen stark reduziert ist. Dies ist bezeichnend für den nicht pathogenen Charakter von P. indica und S. vermifera. Des weiteren konnte unter Verwendung von "Microarrays" und "RNA-Sequenzierung" gezeigt werden, dass die Expression von Genen in P. indica während der Besiedelung von Gersten- oder Arabidopsis-Wurzeln zeit- und wirtsabhängig reguliert ist. Eine erste vergleichende Untersuchung der Genexpression in S. vermifera und P. indica während der Besiedelung von Arabidopsis legt nahe, dass definierte Unterschiede während der Besiedelung dieses Wirtes durch die beiden untersuchten Pilze existieren.
The root endophyte Piriformospora indica and the orchid mycorrhiza Sebacina vermifera (Sebacinales, Basidiomycota) are able to establish a mutualistic symbiosis with plants. Both fungi colonize the root cortex of a wide range of vascular plants, including the monocot barley (Hordeum vulgare) and the dicot Arabidopsis thaliana. Colonization by the fungi results in growth promotion and induced resistance against abiotic and biotic stresses. Fungal development in roots combines biotrophic growth in living plant cells and cell-death associated colonization of dead cortex cells. These features together with the possibility to cultivate the fungi on synthetic media reveal substantial phenotypic plasticity which is reflected in their genomic traits. In this study, the genomes of Piriformospora indica and Sebacina vermifera were characterized. It could be shown that certain gene and functional protein domain expansions occurred in both species. These included proteins predicted to be involved in intra- and extracellular transport (Transporters), proteolysis (Peptidases), degradation of carbohydrates (Hydrolases) and non-destructive carbohydrate binding (Lectins). Additionally, a novel family of small secreted proteins was identified in P. indica which is characterized by regular distributed histidine and alanine residues and a conserved seven amino acid motif ("RSIDELD") at the C-terminus. On the other side, the number proteins involved in secondary metabolism, in particular polyketide and nonribosomal peptide synthetases, were shown to be strongly reduced in both fungi which is indicative of the non pathogenic character of P. indica and S. vermifera. By using microarrays and RNA-sequencing, a time- and host-specific expression of genes could be shown in P. indica during colonization of barley- or Arabidopsis roots. A first comparative analyses of genes expressed in S. vermifera and P. indica during colonization of Arabidopsis suggests that defined differences exist during the colonization of this host by both analysed fungi.