Abstract Fruiting bodies of mushroom-forming fungi (Agaricomycetes) are among the most complex structures produced by fungi. Unlike vegetative hyphae, fruiting bodies grow determinately and follow a genetically encoded developmental program that orchestrates tissue differentiation, growth and sexual sporulation. In spite of more than a century of research, our understanding of the molecular details of fruiting body morphogenesis is limited and a general synthesis on the genetics of this complex process is lacking. In this paper, we aim to comprehensively identify conserved genes related to fruiting body morphogenesis and distill novel functional hypotheses for functionally poorly characterized genes. As a result of this analysis, we report 921 conserved developmentally expressed gene families, only a few dozens of which have previously been reported in fruiting body development. Based on literature data, conserved expression patterns and functional annotations, we provide informed hypotheses on the potential role of these gene families in fruiting body development, yielding the most complete description of molecular processes in fruiting body morphogenesis to date. We discuss genes related to the initiation of fruiting, differentiation, growth, cell surface and cell wall, defense, transcriptional regulation as well as signal transduction. Based on these data we derive a general model of fruiting body development, which includes an early, proliferative phase that is mostly concerned with laying out the mushroom body plan (via cell division and differentiation), and a second phase of growth via cell expansion as well as meiotic events and sporulation. Altogether, our discussions cover 1480 genes of Coprinopsis cinerea , and their orthologs in Agaricus bisporus, Cyclocybe aegerita, Armillaria ostoyae, Auriculariopsis ampla, Laccaria bicolor, Lentinula edodes, Lentinus tigrinus, Mycena kentingensis, Phanerochaete chrysosporium, Pleurotus ostreatus, and Schizophyllum commune , providing functional hypotheses for ∼10% of genes in the genomes of these species. Although experimental evidence for the role of these genes will need to be established in the future, our data provide a roadmap for guiding functional analyses of fruiting related genes in the Agaricomycetes. We anticipate that the gene compendium presented here, combined with developments in functional genomics approaches will contribute to uncovering the genetic bases of one of the most spectacular multicellular developmental processes in fungi.

Abstract Multicellularity has been one of the most important innovations in the history of life. The role of regulatory evolution in driving transitions to multicellularity is being increasingly recognized; however, patterns and drivers of transcriptome evolution are poorly known in many clades. We here reveal that allele-specific expression, natural antisense transcripts and developmental gene expression, but not RNA editing or a developmental hourglass act in concert to shape the transcriptome of complex multicellular fruiting bodies of fungi. We find that transcriptional patterns of genes are strongly predicted by their evolutionary age. Young genes showed more expression variation both in time and space, possibly because of weaker evolutionary constraint, calling for partially non-adaptive interpretations of evolutionary changes in the transcriptome of multicellular fungi. Gene age also correlated with function, allowing us to separate fruiting body gene expression related to simple sexual development from that potentially underlying complex morphogenesis. Our study highlighted a transcriptional complexity that provides multiple speeds for transcriptome evolution, but also that constraints associated with gene age shape transcriptomic patterns during transitions to complex multicellularity in fungi.

Abstract Mushroom-forming fungi (Agaricomycetes) are emerging as pivotal players in several fields, as drivers of nutrient cycling, sources of novel applications, and the group includes some of the most morphologically complex multicellular fungi. Genomic data for Agaricomycetes are accumulating at a steady pace, however, this is not paralleled by improvements in the quality of genome sequence and associated functional gene annotations, which leaves gene function notoriously poorly understood in comparison with other fungi and model eukaryotes. We set out to improve our functional understanding of the model mushroom Coprinopsis cinerea by integrating a new, chromosome-level assembly with high-quality gene predictions and functional information derived from gene-expression profiling data across 67 developmental, stress, and light conditions. The new annotation has considerably improved quality metrics and includes 5’- and 3’-untranslated regions (UTRs), polyadenylation sites (PAS), upstream ORFs (uORFs), splicing isoforms, conserved sequence motifs (e.g., TATA and Kozak boxes) and microexons. We found that alternative polyadenylation is widespread in C. cinerea , but that it is not specifically regulated across the various conditions used here. Transcriptome profiling allowed us to delineate core gene sets corresponding to carbon starvation, light-response, and hyphal differentiation, and uncover new aspects of the light-regulated phases of life cycle. As a result, the genome of C. cinerea has now become the most comprehensively annotated genome among mushroom-forming fungi, which will contribute to multiple rapidly expanding fields, including research on their life history, light and stress responses, as well as multicellular development.

Abstract Contamination of genomes and sequence databases is an increasingly recognized problem, however, efficient tools for removing alien sequences are still sparse and the impact of impure data on downstream analyses remains to be fully explored. Here, we present a new, highly sensitive tool, ContScout, for removing contamination from genomes, evaluate the level of contamination in 844 published eukaryotic genomes and show that contaminating proteins can severely impact analyses of genome evolution. Via benchmarking against synthetic data, we demonstrate that ContScout achieves high specificity and sensitivity when separating sequences of different high level taxa from each other. Furthermore, by testing on manually curated data we show that ContScout by far outperforms pre-existing tools. In the context of ancestral genome reconstruction, an increasingly common approach in evolutionary genomics, we show that contamination leads to spurious early origins for gene families and inflates gene loss rates several fold, leading to false notions of complex ancestral genomes. Using early eukaryotic ancestors (including LECA) as a test case, we assess the magnitude of bias and identify mechanistic bases of the estimation problems. Based on these results, we advocate the incorporation of contamination filtering as a routine step of reporting new draft genomes and caution against the outright interpretation of complex ancestral genomes and subsequent gene loss without accounting for contamination.

The morphogenesis of sexual fruiting bodies of fungi is a complex process determined by a genetically encoded program. Fruiting bodies reached the highest complexity levels in the Agaricomycetes, yet, the underlying genetics is currently poorly known. In this work, we functionally characterized a highly conserved unannotated gene termed snb1, whose expression level increases rapidly during fruiting body initiation. According to phylogenetic analyses, orthologues of snb1 are present in almost all agaricomycetes and may represent a novel conserved gene family that plays a substantial role in fruiting body development. We disrupted snb1 using CRISPR/Cas9 in the agaricomycete model organism Coprinopsis cinerea. Snb1 deletion mutants formed unique, snowball-shaped, rudimentary fruiting bodies that could not differentiate caps, stipes and lamellae. We took advantage of this phenotype to study fruiting body differentiation using RNA-Seq analyses. This revealed differentially regulated genes and gene families that, based on wild-type RNA-Seq data, were upregulated early during development and showed tissue-specific expression, underscoring their potential role in differentiation. Taken together, the novel gene family of snb1 and the differentially expressed genes in the snb1 mutants provide valuable insights into the complex mechanisms underlying developmental patterning in the Agaricomycetes.

Hyphae represent a hallmark structure of multicellular fungi with immense importance in their life cycle, including foraging for nutrients, reproduction, or virulence. Hypha morphogenesis has been the subject to intense interest, yet, the origins and genetic underpinning of the evolution of hyphae are hardly known. Using comparative genomics, we here show that the emergence of hyphae correlates with multiple types of genetic changes, including alterations of gene structure, gene family diversification as well as co-option and exaptation of ancient eukaryotic genes (e.g. phagocytosis-related genes). Half of the gene families involved in hypha morphogenesis have homologs in unicellular fungi and non-fungal eukaryotes and show little or no duplications coincident with the origin of multicellular hyphae. Considerable gene family diversification was observed only in transcriptional regulators and genes related to cell wall synthesis and modification. Despite losing 35-46% of their genes, yeasts retained significantly more multicellularity-related genes than expected by chance. We identified 414 gene families that evolved in a correlated fashion with hyphal multicellularity and may have contributed to its evolution. Contrary to most multicellular lineages, the origin of hyphae did not correlate with the expansion of gene families encoding kinases, receptors or adhesive proteins. Our analyses suggest that fungi took a unique route to multicellularity that involved limited gene family diversification and extensive co-option of ancient eukaryotic genes.

Summary Cre1 is an important transcription factor that regulates carbon catabolite repression (CCR) and is widely conserved across fungi. This gene has been extensively studied in several Ascomycota species, whereas its role in gene expression regulation in the Basidiomycota remains poorly understood. Here, we identified and investigated the role of cre1 in Coprinopsis cinerea , a basidiomycete model mushroom that can efficiently degrade lignocellulosic plant wastes. We used a rapid and efficient gene deletion approach based on PCR-amplified split-marker DNA cassettes together with in-vitro assembled Cas9-guide RNA ribonucleoproteins (Cas9-RNPs) to generate C. cinerea cre1 gene deletion strains. Gene expression profiling of two independent C. cinerea cre1 mutants showed significant deregulation of carbohydrate metabolism, plant cell wall degrading enzymes (PCWDEs), plasma membrane transporter-related and several transcription factor encoding genes, among others. Our results support the notion that, similarly to reports in the ascomycetes, Cre1 of C. cinerea orchestrates CCR through a combined regulation of diverse genes, including PCWDEs, transcription factors that positively regulate PCWDEs and membrane transporters which could import simple sugars that can induce the expression of PWCDEs. Somewhat paradoxically, though in accordance with other Agaricomycetes, genes related to lignin degradation were mostly downregulated in cre1 mutants, indicating they fall under different regulation than other PCWDEs. The gene deletion approach and the data presented in this paper expand our knowledge of CCR in the Basidiomycota and provide functional hypotheses on genes related to plant biomass degradation. Importance Mushroom-forming fungi include some of the most efficient degraders of lignocellulosic plant biomass. They degrade dead plant materials by a battery of lignin-, cellulose-, hemicellulose- and pectin-degrading enzymes, the encoding genes of which are under tight transcriptional control. One of the highest-level regulation of these metabolic enzymes is known as carbon catabolite repression, which is orchestrates by the transcription factor Cre1, and ensures that costly lignocellulose-degrading enzyme genes are expressed only when simple carbon sources (e.g. glucose) are not available. Here, we identified the Cre1 ortholog in a litter-decomposer Agaricomycete, Coprinopsis cinerea, knocked it out and characterized transcriptional changes in the mutants. We identified several dozen lignocellulolytic enzyme genes as well as membrane transporters and other transcription factors as putative target genes. These results extend knowledge on carbon catabolite repression to litter decomposer Basidiomycota.

Convergent evolution is pervasive in nature, but it is poorly understood how various constraints and natural selection limit the diversity of evolvable phenotypes. Here, we report that, despite >650 million years of divergence, the same genes have repeatedly been co-opted for the development of complex multicellularity in the two largest clades of fungi-the Ascomycota and Basidiomycota. Co-opted genes have undergone duplications in both clades, resulting in >81% convergence across shared multicellularity-related families. This convergence is coupled with a rich repertoire of multicellularity-related genes in ancestors that predate complex multicellular fungi, suggesting that the coding capacity of early fungal genomes was well suited for the repeated evolution of complex multicellularity. Our work suggests that evolution may be predictable not only when organisms are closely related or are under similar selection pressures, but also if the genome biases the potential evolutionary trajectories organisms can take, even across large phylogenetic distances.

Abstract Sporulation is the most widespread means of reproduction and dispersal in fungi. In the Basidiomycota, sexual spores are produced on specialised cells known as basidia, from which they are discharged forcibly by a powered process called ballistospory, the highest known acceleration in nature. However, the genetics of sporulation, in particular postmeiotic events related to spore morphogenesis and ballistospory, remain poorly known. Here, we explore the genetics of these processes, based on a new, highly conserved transcription factor, Sporulation-Related Regulator 1 (SRR1), and its putative downstream regulatory network. Reverse genetics of Srr1 in the model mushroom Coprinopsis cinerea and commercially produced oyster mushroom indicated a conserved role of Srr1 in sporulation across Agaricomycetes. RNA-Seq analysis and motif-based inference of a hypothetical SRR1 gene regulatory network allowed delimiting putative targets regulated by SRR1 in a direct and indirect manner. Using this network and comparative genomics, we identified genes associated with ballistospory, including a putative SRR1-target chitinase, which was found to be required for normal spore production and morphology. Overall, our study offers new insights into the genetic mechanisms governing postmeiotic spore morphogenesis and ballistospory in the Agaricomycetes.

We constructed a reference atlas of mushroom formation based on developmental transcriptome data of six species and comparisons of >200 whole genomes, to elucidate the core genetic program of complex multicellularity and fruiting body development in mushroom-forming fungi (Agaricomycetes). Nearly 300 conserved gene families and >70 functional groups contained developmentally regulated genes from five to six species, covering functions related to fungal cell wall (FCW) remodeling, targeted protein degradation, signal transduction, adhesion and small secreted proteins (including effector-like orphan genes). Several of these families, including F-box proteins, protein kinases and cadherin-like proteins, showed massive expansions in Agaricomycetes, with many convergently expanded in multicellular plants and/or animals too, reflecting broad genetic convergence among independently evolved complex multicellular lineages. This study provides a novel entry point to studying mushroom development and complex multicellularity in one of the largest clades of complex eukaryotic organisms.