Multi-omics approach to study responses to temperature in Lasiodiplodia theobromae, a human and plant fungal pathogen

Abstract

Lasiodiplodia theobromae is a phytopathogenic fungus considered an aggressive pathogen, especially for some crops, and has also been associated to opportunistic human infections. Small environmental alterations, such as the increasing of the global temperature, can have a huge impact on the dynamic between hosts and their pathogens, leading to changes in virulence or even to the colonization of different hosts. Thus, the main goal of this work was to characterize the molecular mechanisms of pathogenicity of L. theobromae under increasing temperatures. To achieve this, a multi-omics approach – genomics, transcriptomics, proteomics and metabolomics – was used. This holistic approach was complemented with targeted strategies (enzymatic profiling and cytotoxicity evaluation). In a general way, an investment of the fungus in dissemination was found when grown at 25 °C, with higher expression of transcripts/proteins associated to primary and carbohydrate metabolism and pathogenesis. At 37 °C, a selfprotection state seems to be used by this species, with an over expression of transcripts/proteins related to stress response. However, temperature- and strain-specific virulence factors were identified. Several transcripts/proteins/metabolites known to participate in the penetration, colonization and dissemination of the pathogen inside the plant and human hosts were identified. Between them, enzymes responsible to degrade the cell wall and molecules involved in pathways that contribute to a successful penetration inside the host, as MAPKs, were identified. Helping to overcome the stress originated by the host, heat shock proteins and nudix effectors were also identified. Proteins from velvet complex, important for fungal development and regulation of secondary metabolism, were also expressed. It seems that there is a tendency of the human isolated strain CBS339.90 to be more aggressive at 37 °C, expressing several molecules known to participate in human infections and being responsible for high rates of mammalian cell mortality. Contrarily, the strains isolated from plants, presented more transcripts/proteins related with pathogenesis at 25 °C and were more toxic for the tomato cuttings, at this temperature. This work attests the usefulness of using a multi-omics strategy to dissect fungal molecular pathogenesis mechanisms as well as differences between strains and temperatures, contributing to unveil the ability of this species to colonize a wide range of environments and hosts from different kingdoms.

Lasiodiplodia theobromae é um fungo fitopatogénico considerado agressivo, sobretudo para algumas culturas, que tem sido também associado a infeções oportunistas em humanos. Pequenas alterações ambientais, como o aumento da temperatura global, podem ter grande impacto na dinâmica entre hospedeiros e agentes patogénicos, levando a alterações na virulência ou mesmo à colonização de novos hospedeiros. Assim, o objetivo principal deste trabalho consistiu em caraterizar os mecanismos moleculares de patogenicidade de L. theobromae sob diferentes temperaturas. Para atingir este objetivo utilizou-se uma abordagem multi-ómica – genómica, transcriptómica, proteómica e metabolómica. Esta abordagem holística foi ainda complementada com outras estratégias específicas (perfil enzimático e avaliação da citotoxicidade). De uma forma geral, o fungo investe mais recursos energéticos na sua disseminação quando é cultivado a 25 °C, apresentando uma maior expressão de transcritos/proteínas associados ao metabolismo primário e de carboidratos, e também de patogénese. A 37 °C esta espécie parece concentrar-se mais na sua proteção, apresentando uma sobre-expressão de transcritos/proteínas relacionados com resposta ao stress. Foram identificados vários transcritos/proteínas/metabolitos conhecidos por participar na penetração, colonização e disseminação do agente patogénico no hospedeiro, plantas e humanos. Entre eles, enzimas responsáveis pela degradação da parede celular vegetal e moléculas envolvidas em vias que contribuem para uma penetração do hospedeiro bem sucedida, como vias MAPKs. Foram também identificadas proteínas de choque térmico e efetores nudix, responsáveis por ajudar a ultrapassar o stress originado pelo hospedeiro e proteínas do complexo velvet, importantes no desenvolvimento do fungo e na regulação do metabolismo secundário. Parece existir uma tendência para que a estirpe CBS339.90, isolada a partir de um humano, seja mais agressiva a 37 °C, expressando várias moléculas conhecidas por participar em infeções em humanos e sendo responsável por elevadas taxas de mortalidade de células de mamíferos. Contrariamente, as estirpes isoladas de plantas apresentaram mais transcritos/proteínas relacionados com patogénese a 25 °C e maior toxicidade em tomateiros também a esta temperatura. Este trabalho atesta a utilidade da utilização de uma abordagem multi-ómica para dissecar o mecanismo molecular de patogénese de fungos, assim como as diferenças encontradas entre as estirpes e as suas respostas à temperatura ambiental, contribuindo para desvendar a capacidade desta espécie em colonizar uma vasta gama de ambientes assim como hospedeiros de diferentes reinos.