Role of the Mat loci in the development and virulence of Fusarium oxysporum f.sp. lycopersici

Sexual identity and compatibility in fungi are controlled by two Mating-type (MAT) loci, named MAT1-1 or MAT1-2, differentially regulating the expression of one pheromone/receptor pair (α-pheromone-Ste3 receptor or a-pheromone-Ste2 receptor, respectively) over the other. Fungi that present MAT loci in different nuclei of two individuals of the same specie are heterothallic (self-sterile), whereas those carrying them in the same nucleus are homothallic (self-fertile). F. oxysporum f. sp. lycopersici (Fol) is a heterothallic soil-borne pathogen causing vascular wilt disease on tomato plants; it enters in the plant roots mainly through natural openings or wounds and grows inter- and intra-cellularly until it reaches the xylem vessels to colonize the entire plant. Although the genome of Fol contains conserved MAT loci (MAT1-1 in the 4287 and MAT1-2 in the 54003 isolates, respectively), no sexual cycle has been described yet in this fungal specie (Yun et al., 2000). Recently, sexual pheromones and receptors from the Fol 4287 isolate have been shown to regulate mating-independent functions such as chemotropic sensing of host plant signals and density-dependent conidial germination via autocrine pheromone signalling (APS) (Turrà et al., 2015; Vitale et al., 2019). With the aim to understand how MAT loci regulate mating-independent processes we generated a set of mutants in both Fol isolates either lacking the MAT1-1 or containing both MAT loci in the same genome. Phenotypic assays carried out with these mutants revealed that the MAT1-1 locus inhibits, while MAT1-2 promotes conidial germination at high cell-density. Additionally, the MAT1-1 locus showed to be an inducer of hyphal aggregate formation and the MAT1-2 locus a repressor of vegetative hyphal fusion in Fol. Interestingly, by analysing the expression of APS related-genes in Fol at high concentrations of inoculum, we observed that the transcript levels of the α-pheromone specific protease Bar1 and of both pheromone and pheromone-receptor genes are higher in the MAT1-1Δ and MAT1-1Δ+MAT1-2 mutant strains. Noticeably, these mutants showed a derepression of conidial germination, most likely due to an increase in a-pheromone/Ste3 signalling and Bar1 activity, two mechanisms previously described to enhance germination under high cell densities (Vitale et al., 2019). Because Fol is a plant-pathogen, we finally tested the pathogenicity of all of the obtained mutants on tomato seedlings to understand if MAT loci could play a role in the regulation of this process. We observed only a partial but significant decrease in virulence for the MAT1-1Δ mutant strain in comparison to the wt Fol 4287 strain, suggesting that specific MAT loci might determine the pathogenic success in this destructive soil-borne fungal pathogen. Collectively, our findings provide the first evidence for a role of MAT loci in mating independent processes such as quorum sensing, cell fusion and pathogenicity of the asexual fungus F.oxysporum.

L’identità e la compatibilità sessuale nei funghi sono controllate da due Mating-type (MAT) loci, chiamati MAT1-1 e MAT1-2, che regolano in maniera differente l’espressione di feromoni sessuali e recettori (α-feromone-Ste3 recettore o a-feromone-Ste2 recettore, rispettivamente). I funghi che presentano i MAT loci nel nucleo di due differenti individui della stessa specie sono eterotallici (auto-sterili), mentre quelli che presentano entrambi i MAT loci nello stesso nucleo sono omotallici (auto-fertili). F. oxysporum f. sp. lycopersici (Fol) è un fungo eterotallico che causa l’avvizzimento vascolare delle piante di pomodoro; Fol attraverso ferite o aperture naturali entra nelle radici della pianta, cresce intra- e inter-cellularmente raggiungendo i vasi xilematici per colonizzare la pianta. Sebbene il genoma di Fol contenga i MAT loci (MAT1-1 nel 4287 e MAT1-2 nell'isolato 54003, rispettivamente), non è stato ancora descritto alcun ciclo sessuale in questa specie fungina (Yun et al., 2000). Recentemente, è stato dimostrato che feromoni e recettori in Fol 4287 regolano funzioni indipendenti dall’accoppiamento come il rilevamento chemiotropico dei segnali delle piante ospiti e la germinazione in dipendenza della densità conidica attraverso la generazione di un ciclo autocrino, (APS) (Turrà et al., 2015; Vitale et al., 2019). Con l'obiettivo di capire come i MAT loci regolano i processi indipendenti dall'accoppiamento, abbiamo generato una serie di mutanti in entrambi gli isolati Fol sia privi del MAT1-1 che contenenti entrambi i MAT loci nello stesso genoma. Saggi fenotipici condotti con questi mutanti hanno rivelato che il MAT1-1 locus inibisce, mentre MAT1-2 promuove la germinazione conidiale ad alta densità cellulare. Inoltre, il MAT1-1 locus ha mostrato essere un induttore della formazione di aggregati ifali e il MAT1-2 locus un repressore della fusione ifale vegetativa in Fol. È interessante notare che, analizzando l'espressione dei geni correlati all'APS in Fol ad alte concentrazioni di inoculo, sia i livelli di trascrizione di Bar1, proteasi dell’α-feromone, che quelli dei geni dei feromoni e dei recettori sono più alti nei mutanti MAT1-1Δ e MAT1-1Δ+MAT1-2. Questi mutanti hanno mostrato una derepressione della germinazione conidiale, molto probabilmente dovuta ad un aumento della segnalazione a-feromone/Ste3 e dell'attività di Bar1, due meccanismi, già precedentemente descritti, che promuovono la germinazione ad alta densità cellulare (Vitale et al., 2019). Poiché Fol è un patogeno vegetale, è stata infine valutata la patogenicità di tutti i mutanti verso piantine di pomodoro, per capire se i MAT loci avessero un ruolo nella regolazione di questo processo. Una riduzione parziale ma significativa della virulenza è stata riscontrata per il ceppo mutante MAT1-1Δ confrontato con il ceppo Fol 4287, suggerendo che i MAT loci potrebbero influenzare il successo dell’infezione in questo patogeno fungino. Nel complesso, i risultati ottenuti rappresentano le prime evidenze che mostrano il ruolo dei MAT loci in funzioni indipendenti dall’accoppiamento quali germinazione conidica, nella fusione vegetativa e aggregazione ifale ad alta densità di inoculo e nella patogenicità del fungo asessuato F. oxysporum.