Ustilago maydis is an important fungal pathogen of maize, causing corn smut. It is well adapted to its host and proliferates in living plant tissue without inducing a defence response. The genome sequence of U. maydis has now been determined, the first for a biotrophic plant parasite. Several gene clusters that encode secreted proteins of unknown function were identified: genome-wide expression analysis shows that the clustered genes are upregulated during disease. Mutations in these gene clusters frequently affect virulence, ranging from complete loss of pathogenicity to hypervirulence. Ustilago maydis is a ubiquitous pathogen of maize and a well-established model organism for the study of plant–microbe interactions1. This basidiomycete fungus does not use aggressive virulence strategies to kill its host. U. maydis belongs to the group of biotrophic parasites (the smuts) that depend on living tissue for proliferation and development2. Here we report the genome sequence for a member of this economically important group of biotrophic fungi. The 20.5-million-base U. maydis genome assembly contains 6,902 predicted protein-encoding genes and lacks pathogenicity signatures found in the genomes of aggressive pathogenic fungi, for example a battery of cell-wall-degrading enzymes. However, we detected unexpected genomic features responsible for the pathogenicity of this organism. Specifically, we found 12 clusters of genes encoding small secreted proteins with unknown function. A significant fraction of these genes exists in small gene families. Expression analysis showed that most of the genes contained in these clusters are regulated together and induced in infected tissue. Deletion of individual clusters altered the virulence of U. maydis in five cases, ranging from a complete lack of symptoms to hypervirulence. Despite years of research into the mechanism of pathogenicity in U. maydis, no ‘true’ virulence factors3 had been previously identified. Thus, the discovery of the secreted protein gene clusters and the functional demonstration of their decisive role in the infection process illuminate previously unknown mechanisms of pathogenicity operating in biotrophic fungi. Genomic analysis is, similarly, likely to open up new avenues for the discovery of virulence determinants in other pathogens.

Abstract Asymmetric localization of the ASH1 transcript is a central step in the regulation of mating type switching in Saccharomyces cerevisae and a paradigm for localized mRNAs specifically recognized by the She2p/3p transport machinery. Four RNA elements in ASH1 are known to mediate bud localization, but it remained unclear what a consensus motif of all four She2p/3p recognition sites (SRS) might look like. In this study, we derive the SRS consensus motif, which is characterized by an L-shaped, double-stranded RNA conformation with two cytosine-containing sequence motifs at conserved positions and a central asymmetric bulge. It is noteworthy that the spatial arrangement of these features can be retained, despite their altered order within the nucleotide sequence. We termed these variations “configurations” and confirmed in biochemical studies that SRS function in ASH1 elements is preserved when changing configurations. We tested other known and predicted SRS elements in target transcripts of She2p/3p by biochemical and biophysical studies and confirmed the conserved SRS function even in switched configuration. Consistently, we present the SRS instance collection , which includes further predictions of SRS instances of transcript targets of the She2p/3p translocation pathway.

Abstract The basidiomycete Ustilago maydis is a well-characterized model organism for studying pathogen-host interactions and of great interest for a broad spectrum of biotechnological applications. To facilitate research and enable applications, in this study, three luminescence-based and one enzymatic quantitative reporter were implemented and characterized. We generated dual-reporter constructs for ratiometric normalization that can be used as a fast-screening platform for reporter gene expression, applicable to in vitro and in vivo detection. Furthermore, we constructed and implemented synthetic bi-directional promoters, that enable bicisitronic expression for gene expression studies and engineering strategies. These non-invasive, quantitative reporters and expression tools will widen significantly the application range of biotechnology in U. maydis and enable in planta detection of fungal infection.

Abtract Sesquiterpenoids are important secondary metabolites with various pharma- and nutraceutical properties. In particular, higher basidiomycetes possess a versatile biosynthetic repertoire for these bioactive compounds. To date, only a few microbial production systems for fungal sesquiterpenoids have been established. Here, we introduce Ustilago maydis as a novel production host. This model fungus is a close relative of higher basidiomycetes. It offers the advantage of metabolic compatibility and potential tolerance for substances toxic to other microorganisms. We successfully implemented a heterologous pathway to produce the carotenoid lycopene that served as a straightforward read-out for precursor pathway engineering. Overexpressing genes encoding enzymes of the mevalonate pathway resulted in increased lycopene levels. Verifying the subcellular localisation of the relevant enzymes revealed that initial metabolic reactions might take place in peroxisomes: despite the absence of a canonical peroxisomal targeting sequence, acetyl-CoA C-acetyltransferase Aat1 localised to peroxisomes. By expressing the plant (+)-valencene synthase CnVS and the basidiomycete sesquiterpenoid synthase Cop6, we succeeded in producing (+)-valencene and α-cuprenene, respectively. Importantly, the fungal compound yielded about tenfold higher titres in comparison to the plant substance. This proof of principle demonstrates that U. maydis can serve as promising novel chassis for the production of terpenoids.

Abstract Global warming poses a threat for crops, therefore, the identification of thermotolerance mechanisms is a priority. In plants, the core factors that regulate transcription under heat stress (HS) are well described and include several HS transcription factors (HSFs). Despite the relevance of alternative splicing in HS response and thermotolerance, the core regulators of HS-sensitive alternative splicing have not been identified. In tomato, alternative splicing of HSFA2 is important for acclimation to HS. Here, we show that several members of the serine/arginine-rich family of splicing factors (SRSFs) suppress HSFA2 intron splicing. Individual-nucleotide resolution UV cross-linking and immunoprecipitation (iCLIP) combined with RNA-Seq revealed that RS2Z35 and RS2Z36, which make up a plant-specific clade of SR proteins, not only regulate HSFA2 but approximately 50% of RNAs that undergo HS-sensitive alternative splicing, with preferential binding to purine-rich RNA motifs. Single and double CRISPR rs2z mutant lines show a dysregulation of splicing and exhibit lower basal and acquired thermotolerance compared to wild type plants. Our results suggest that RS2Z35 and RS2Z36 have a central role in mitigation of the negative effects of HS on RNA splicing homeostasis, and their emergence might have contributed to the increased capacity of plants to acclimate to high temperatures.

Abstract Microtubule-dependent endosomal transport is crucial for polar growth, ensuring the precise distribution of cellular cargos such as proteins and mRNAs. However, the molecular mechanism linking mRNAs to the endosomal surface remains poorly understood. Here, we present a structural analysis of the key RNA-binding protein Rrm4 from Ustilago maydis . Our findings reveal a new type of MademoiseLLE domain featuring a seven-helical bundle that provides a distinct binding interface. A comparative analysis with the canonical MLLE domain of the poly(A)-binding protein Pab1 disclosed unique characteristics of both domains. Deciphering the MLLE binding code enabled prediction and verification of previously unknown Rrm4 interactors containing short linear motifs. Importantly, we demonstrated that the human MLLE domains, such as those of PABPC1 and UBR5, employed a similar principle to distinguish among interaction partners. Thus, our study provides unprecedented mechanistic insights into how structural variations in the widely distributed MLLE domain facilitates mRNA attachment during endosomal transport. Significance Polar growing cells, such as fungal hyphae and neurons, utilize endosomes to transport mRNAs along their microtubules. But how do these mRNAs precisely attach to endosomes? Our study addresses this question by investing the key mRNA transporter, Rrm4, in a fungal model microorganism. We uncovered new features of a protein-protein interaction domain that recognizes specific short linear motifs in binding partners. While this domain resembles one found in the poly(A)-binding protein, it exhibits distinct motif recognition. Deciphering the underlying binding code unveiled new interaction partners for Rrm4. The recognition system is used to form a resilient network of RNA-binding proteins (RBPs) and their interaction partners during endosomal transport. This principle is applicable to humans, highlighting its fundamental importance.

Abstract High temperatures cause heat stress (HS), which has negative effects on plant growth and development and affects many cellular processes including pre-mRNA splicing. In tomato plants the splicing profile of many of genes is altered under HS, including that of HSFA2 , a central transcriptional regulator of thermotolerance. To identify the core splicing regulators of HS-sensitive alternative splicing, we used HSFA2 as bait and identified two plant-specific members of the serine/arginine-rich family of splicing factors, namely RS2Z35 and RS2Z36, that inhibit HSFA2 intron splicing. Single and double CRISPR mutants of these proteins show dysregulated splicing of many genes and exhibit lower basal and acquired thermotolerance. Individual-nucleotide resolution UV cross-linking and immunoprecipitation (iCLIP) of tomato leaves revealed that the majority of HS-sensitive alternatively spliced RNAs are bound by RS2Z35 and RS2Z36 and this interaction occurs at purine-rich RNA motifs. Phenotypic and transcriptome analyses revealed that RS2Z35 and RS2Z36 are important players in the stress response and thermotolerance in plants that mitigate the negative effects of HS on RNA splicing homeostasis.

RNA interference (RNAi) is a crucial mechanism that can contribute to immunity against infectious microbes through the action of DICER-LIKE (DCL) and ARGONAUTE (AGO) proteins. In the case of the fungal pathogen Botrytis cinerea and the oomycete Hyaloperonospora arabidopsidis , plant DCL and AGO proteins have proven roles as negative regulators of immunity, suggesting functional specialization of these proteins. To address this aspect in a broader taxonomic context, we characterized the colonization pattern of an informative set of DCL and AGO loss-of-function mutants in Arabidopsis thaliana upon infection with a panel of pathogenic microbes with different lifestyles, and a fungal mutualist. Our results revealed that AGO1 and AGO4 function as positive regulators of immunity to a bacterial and a fungal pathogen, respectively. Additionally, AGO2 and AGO10 positively modulated the colonization by a fungal mutualist. Therefore, analysing the role of RNAi across a broader range of plant-microbe interactions has identified previously unknown functions for AGO proteins. For some pathogen interactions, however, all tested mutants exhibited wild type-like infection phenotypes, suggesting that the roles of AGO and DCL proteins in these interactions may be more complex to elucidate.

Abstract The COVID-19 pandemic has greatly impacted the global economy and health care systems, illustrating the urgent need for timely and inexpensive responses to a pandemic threat in the form of vaccines and antigen tests. The causative agent of COVID-19 is SARS-CoV-2. The spike protein on the virus surface interacts with the human angiotensin-converting enzyme (ACE2) via the so-called receptor binding domain (RBD), facilitating virus entry. The RBD thus represents a prime target for vaccines, therapeutic antibodies, and antigen test systems. Currently, antigen testing is mostly conducted by qualitative flow chromatography or via quantitative ELISA-type assays. The latter mostly utilize materials like protein-adhesive polymers and gold or latex particles. Here we present an alternative ELISA approach using inexpensive materials and permitting quick detection based on components produced in the microbial model Ustilago maydis . In this fungus, heterologous proteins like biopharmaceuticals can be exported by fusion to unconventionally secreted chitinase Cts1. As a unique feature, the carrier chitinase binds to chitin allowing its additional use as a purification or immobilization tag. In this study, we produced different mono- and bivalent SARS-CoV-2 nanobodies directed against the viral RBD as Cts1 fusions and screened their RBD binding affinity in vitro and in vivo . Functional nanobody-Cts1 fusions were immobilized on chitin forming an RBD tethering surface. This provides a solid base for future development of an inexpensive antigen test utilizing unconventionally secreted nanobodies as RBD trap and a matching ubiquitous and biogenic surface for immobilization.

Abtract Eukaryotic microorganisms transcribe monocistronic mRNAs to encode proteins. For synthetic biological approaches like metabolic engineering, precise co-expression of several proteins in space and time is advantageous. A straightforward approach is the application of viral 2A peptides to design synthetic polycistronic mRNAs in eukaryotes. Here, we establish such a system in the well-studied model microorganism Ustilago maydis. Using two fluorescence reporter proteins, we compared the activity of five viral 2A peptides. Their activity was evaluated in vivo using fluorescence microscopy and validated using fluorescence resonance energy transfer (FRET). Activity ranged from 20 to 100% and the best performing 2A peptide was P2A from porcine teschovirus-1. As proof of principle, we followed regulated gene expression efficiently over time and synthesised a tri-cistronic mRNA encoding biosynthetic enzymes to produce mannosylerythritol lipids (MELs). In essence, we evaluated 2A peptides in vivo and demonstrated the applicability of 2A peptide technology for U. maydis in basic and applied science.