The biosynthesis of the recently identified novel class of plant hormones, strigolactones, is up-regulated upon phosphate deficiency in many plant species. It is generally accepted that the evolutionary origin of strigolactone up-regulation is their function as a rhizosphere signal that stimulates hyphal branching of arbuscular mycorrhizal fungi. In this work, we demonstrate that this induction is conserved in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), although Arabidopsis is not a host for arbuscular mycorrhizal fungi. We demonstrate that the increase in strigolactone production contributes to the changes in shoot architecture observed in response to phosphate deficiency. Using high-performance liquid chromatography, column chromatography, and multiple reaction monitoring-liquid chromatography-tandem mass spectrometry analysis, we identified two strigolactones (orobanchol and orobanchyl acetate) in Arabidopsis and have evidence of the presence of a third (5-deoxystrigol). We show that at least one of them (orobanchol) is strongly reduced in the putative strigolactone biosynthetic mutants more axillary growth1 (max1) and max4 but not in the signal transduction mutant max2. Orobanchol was also detected in xylem sap and up-regulated under phosphate deficiency, which is consistent with the idea that root-derived strigolactones are transported to the shoot, where they regulate branching. Moreover, two additional putative strigolactone-like compounds were detected in xylem sap, one of which was not detected in root exudates. Together, these results show that xylem-transported strigolactones contribute to the regulation of shoot architectural response to phosphate-limiting conditions.

Strigolactones (SLs), or their derivatives, were recently demonstrated to act as endogenous shoot branching inhibitors, but their biosynthesis and mechanism of action are poorly understood. Here we show that the branching phenotype of mutants in the Arabidopsis P450 family member, MAX1, can be fully rescued by strigolactone addition, suggesting that MAX1 acts in SL synthesis. We demonstrate that SLs modulate polar auxin transport to control branching and that both the synthetic SL GR24 and endogenous SL synthesis significantly reduce the basipetal transport of a second branch-regulating hormone, auxin. Importantly, GR24 inhibits branching only in the presence of auxin in the main stem, and enhances competition between two branches on a common stem. Together, these results support two current hypotheses: that auxin moving down the main stem inhibits branch activity by preventing the establishment of auxin transport out of axillary branches; and that SLs act by dampening auxin transport, thus enhancing competition between branches.

Abstract Maintenance of stable ploidy over continuous mitotic events is a paradigm for most higher eukaryotes. Defects in chromosome segregation and/or replication can lead to aneuploidy, a condition often considered deleterious. However, in Leishmania , a Protozoan parasite, aneuploidy is a constitutive feature, where variations of somies represent a mechanism of gene expression adaptation, possibly impacting phenotypes. Strikingly, clonal Leishmania populations display cell-to-cell somy variation, a phenomenon named mosaic aneuploidy (MA). However, until recently, no method was available for the determination of the complete karyotype of single Leishmania parasites. To overcome this limitation, we used here for the first time a high-throughput single-cell genomic sequencing (SCGS) method to estimate individual karyotypes of 1560 promastigote cells in a clonal population of Leishmania donovani . We identified 128 different karyotypes, of which 4 were dominant. A network analysis revealed that most karyotypes are linked to each other by changes in copy number of a single chromosome and allowed us to propose a hypothesis of MA evolution. Moreover, aneuploidy patterns that were previously described by Bulk Genome Sequencing as emerging during first contact of promastigotes populations with different drugs are already pre-existing in single karyotypes in the SCGS data, suggesting a (pre-)adaptive role of MA. Additionally, the degree of somy variation was chromosome-specific. The SCGS also revealed a small fraction of cells where one or more chromosomes were nullisomic. Together, these results demonstrate the power of SCGS to resolve sub-clonal karyotype heterogeneity in Leishmania and pave the way for understanding the role of MA in these parasites’ adaptability. Update: 25 th May 2021 A revision of the present preprint was released in BioRxiv on 11 th May 2021 ( https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.11.443577v2 ). In the new version, we included two extra samples in our single-cell genome sequencing (SCGS) analysis – the BPK081 cl8 clone (a nearly euploid strain), and a population consisting of a mixture of four L. donovani strains which was used as control for high levels of mosaicism in aneuploidy and for estimation of doublets. We also upgraded the bioinformatics pipeline to determine single-cell karyotypes and performed new fluorescence in situ hybridization (FISH) analysis. The new findings observed especially in the BPK081 cl8 led to a reformulation of the text, a new hypothesis for the evolution of mosaicism and a general restructuring of the article. Therefore, the present preprint is obsolete. Please refer to the new preprint entitled “High throughput single cell genome sequencing gives insights in the generation and evolution of mosaic aneuploidy in Leishmania donovani ” for more information.

Abstract How genome instability is harnessed for fitness gain despite its potential deleterious effects is largely elusive. An ideal system to address this important open question is provided by the protozoan pathogen Leishmania , which exploits frequent variations in chromosome and gene copy number to regulate expression levels. Using ecological genomics and experimental evolution approaches we provide first evidence that Leishmania adaptation relies on epistatic interactions between functionally associated gene copy number variations in pathways driving fitness gain in a given environment. We further uncover post-transcriptional regulation as a key mechanism that compensates for deleterious gene dosage effects and provides phenotypic robustness to genetically heterogenous parasite populations. Finally, we correlate dynamic variations in snoRNA gene dosage with changes in rRNA 2’- O -methylation and pseudouridylation, suggesting translational control is an additional layer of parasite adaptation. Leishmania genome instability is thus harnessed for fitness gain by genome-dependent variations in gene expression, and genome-independent, compensatory mechanisms. This allows for polyclonal adaptation and maintenance of genetic heterogeneity despite strong selective pressure. The epistatic adaptation described here needs to be considered in Leishmania epidemiology and biomarker discovery, and may be relevant to other fast evolving, eukaryotic cells that exploit genome instability for adaptation, such as fungal pathogens or cancer. One Sentence Summary Epistatic interactions harness genome instability for Leishmania fitness gain.

Abstract Aneuploidy causes system-wide disruptions in the stochiometric balances of transcripts, proteins, and metabolites, often resulting in detrimental effects for the organism. The protozoan parasite Leishmania has an unusually high tolerance for aneuploidy, but the molecular and functional consequences for the pathogen remain poorly understood. Here, we addressed this question in vitro and present the first integrated analysis of the genome, transcriptome, proteome, and metabolome of highly aneuploid Leishmania donovani strains. Our analyses unambiguously establish that aneuploidy in Leishmania proportionally impacts the average transcript- and protein abundance levels of affected chromosomes, ultimately correlating with the degree of metabolic differences between strains. This proportionality was present in both proliferative and non-proliferative in vitro promastigotes. However, protein complex subunits and non-cytoplasmic proteins, showed dosage compensation, responding less or even not at all to aneuploidy-induced dosage changes. In contrast to other Eukaryotes, we did not observe the widespread regulation at the transcript level that typically modulates some of the negative effects of aneuploidy. Further, the majority of differentially expressed proteins between aneuploid strains were encoded by non-aneuploid chromosomes and were not driven by a significant underlying transcript change, suggesting that aneuploidy is accompanied by extensive post-transcriptional protein-level modulation. This makes Leishmania a unique Eukaryotic model for elucidating post-transcriptional protein-abundance modulation in the context of aneuploidy.

Abstract The implementation of prospective drug resistance (DR) studies in the R&D pipelines is a common practice for many infectious diseases, but not for Neglected Tropical Diseases. Here, we explored and demonstrated the importance of this approach, using as paradigms Leishmania donovani , the etiological agent of Visceral Leishmaniasis (VL), and TCMDC-143345, a promising compound of the GSK ‘Leishbox’ to treat VL. We experimentally selected resistance to TCMDC-143345 in vitro and characterized resistant parasites at genomic and phenotypic levels. We found that it took more time to develop resistance to TCMDC-143345 than to other drugs in clinical use and that there was no cross resistance to these drugs, suggesting a new and unique mechanism. By whole genome sequencing, we found two mutations in the gene encoding the L. donovani dynamin-1-like protein (LdoDLP1) that were fixed at highest drug pressure. Through phylogenetic analysis, we identified LdoDLP1 as a family member of the dynamin-related proteins, a group of proteins that impacts the shapes of biological membranes by mediating fusion and fission events, with a putative role in mitochondrial fission. We found that L. donovani lines genetically engineered to harbor the two identified LdoDLP1 mutations were resistant to TCMDC-143345 and displayed altered mitochondrial properties. By homology modeling, we showed how the two LdoDLP1 mutations may influence protein structure and function. Taken together, our data reveal a clear involvement of LdoDLP1 in the adaptation/resistance of L. donovani to TCMDC-143345. Importance Humans and their pathogens are continuously locked in a molecular arms race during which the eventual emergence of pathogen drug resistance (DR) seems inevitable. For neglected tropical diseases (NTDs), DR is generally studied retrospectively, once it has already been established in clinical settings. We previously recommended to keep one step ahead in the host-pathogen arms race and implement prospective DR studies in the R&D pipeline, a common practice for many infectious diseases, but not for NTDs. Here, using Leishmania donovani , the etiological agent of Visceral Leishmaniasis (VL), and TCMDC-143345, a promising compound of the GSK ‘Leishbox’ to treat VL, as paradigms, we experimentally selected resistance to the compound and proceeded to genomic and phenotypic characterization of DR parasites. The results gathered in the present study suggest a new DR mechanism involving the L. donovani dynamin-1 like protein (LdoDLP1) and demonstrate the practical relevance of prospective DR studies.

Abstract Leishmania , a unicellular eukaryotic parasite, is a unique model for aneuploidy and cellular heterogeneity, along with their potential role in adaptation to environmental stresses. Somy variation within clonal populations was previously explored in a small subset of chromosomes using fluorescence hybridization methods. This phenomenon, termed mosaic aneuploidy (MA), might have important evolutionary and functional implications but remains under-explored due to technological limitations. Here, we applied and validated a high throughput single-cell genome sequencing method to study for the first time the extent and dynamics of whole karyotype heterogeneity in two Leishmania clonal populations representing different stages of MA evolution in vitro. We found that drastic changes in karyotypes quickly emerge in a population stemming from an almost euploid founder cell. This possibly involves polyploidization/hybridization at an early stage of population expansion, followed by assorted ploidy reduction. During further stages of expansion, MA increases by moderate and gradual karyotypic alterations. MA usually affected a defined subset of chromosomes, of which some display an enrichment in snoRNA genes which could represent an adaptative benefit to the amplification of these chromosomes. Our data provide the first complete characterization of MA in Leishmania and pave the way for further functional studies. Note to the BioRxiv community The present preprint is a revision of an older preprint posted on 06th March 2020 on BioRxiv ( https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.03.05.976233v1 ). Here we included two extra samples in our single-cell genome sequencing (SCGS) analysis – the BPK081 cl8 clone (a nearly euploid strain) and a population consisting of a mixture of four L. donovani strains which was used as control for high levels of mosaicism in aneuploidy and for estimation of doublets. We also upgraded the bioinformatics pipeline to determine single-cell karyotypes and performed new fluorescence in situ hybridization (FISH) analysis. The new findings observed especially in the BPK081 cl8 led to a reformulation of the text, a new hypothesis for the evolution of mosaicism and a general restructuring of the article. Therefore, the older preprint is obsolete.

ABSTRACT Leishmania aethiopica is a zoonotic Old World parasite transmitted by Phlebotomine sand flies and causing cutaneous leishmaniasis in Ethiopia and Kenya. Despite a range of clinical manifestations and a high prevalence of treatment failure, L. aethiopica is the most neglected species of the Leishmania genus in terms of scientific attention. Here, we explored the genome diversity of L. aethiopica by analyzing the genomes of twenty isolates from Ethiopia. Phylogenomic analyses identified two strains as interspecific hybrids involving L. aethiopica as one parent and L. donovani and L. tropica respectively as the other parent. High levels of genome-wide heterozygosity suggest that these two hybrids are equivalent to F1 progeny that propagated mitotically since the initial hybridization event. Analyses of allelic read depths further revealed that the L. aethiopica - L. tropica hybrid was diploid and the L. aethiopica - L. donovani hybrid was triploid, as has been described for other interspecific Leishmania hybrids. When focusing on L. aethiopica , we show that this species is genetically highly diverse and consists of both asexually evolving strains and groups of recombining parasites. A remarkable observation is that some L. aethiopica strains showed an extensive loss of heterozygosity across large regions of the chromosomal genome, which likely arose from gene conversion/mitotic recombination. Hence, our prospection of L. aethiopica genomics revealed new insights into the genomic consequences of both meiotic and mitotic recombination in Leishmania .

Abstract The Arabidopsis ERECTA family (ERf) of leucine-rich repeat receptor-like kinases (LRR-RLKs), comprising ERECTA (ER), ERECTA-LIKE 1 (ERL1) and ERECTA-LIKE 2 (ERL2), control epidermal patterning, inflorescence architecture, stomata development, and hormonal signaling. Here we show that the er/erl1/erl2 triple mutant exhibits impaired gibberellin (GA) biosynthesis and perception alongside broad transcriptional changes. ERf proteins interact in the nucleus, via kinase domains, with the SWI3B subunit of the SWI/SNF chromatin remodeling complex (CRCs). The er/erl1/erl2 triple mutant exhibits reduced SWI3B protein level and affected nucleosomal chromatin structure. The ER kinase phosphorylates SWI3B in vitro , and the inactivation of all ERf proteins leads to the decreased phosphorylation of SWI3B protein in vivo . Correlation between DELLA overaccumulation and SWI3B proteasomal degradation together with the physical interaction of SWI3B with DELLA proteins explain the lack of RGA accumulation in the GA- and SWI3B-deficient erf mutant plants. Co-localization of ER and SWI3B on GID1 ( GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF 1 ) DELLA target gene promoter regions and abolished SWI3B binding to GID1 promoters in er/erl1/erl2 plants supports the conclusion that ERf-SWI/SNF CRC interaction is important for transcriptional control of GA receptors. Thus, the involvement of ERf proteins in transcriptional control of gene expression, and observed similar features for human HER2 (Epidermal Growth Family Receptor-member), indicate an exciting target for further studies of evolutionarily conserved non-canonical functions of eukaryotic membrane receptors. ONE SENTENCE SUMMARY ERECTA leucine-rich receptor-like kinase and SWI3B subunit of SWI/SNF chromatin remodeling complex cooperate in direct transcriptional control of GID1 genes in Arabidopsis.

Abstract Microorganisms can adopt a quiescent physiological condition which acts as a survival strategy under unfavourable conditions. Quiescent cells are characterized by slow or non-proliferation and deep down-regulation of processes related to biosynthesis. Although quiescence has been described mostly in bacteria, this survival skill is widespread, including in eukaryotic microorganisms. In Leishmania , a digenetic parasitic protozoan that causes a major infectious disease, quiescence has been demonstrated, but molecular and metabolic features enabling its maintenance are unknown. Here we quantified the transcriptome and metabolome of Leishmania promastigotes and amastigotes where quiescence was induced in vitro either through drug pressure or by stationary phase. Quiescent cells have a global and coordinated reduction in overall transcription, with levels dropping to as low as 0.4% of those in proliferating cells. However, a subset of transcripts did not follow this trend and were relatively upregulated in quiescent populations, including those encoding membrane components such as amastins and GP63 or processes like autophagy. The metabolome followed a similar trend of overall downregulation albeit to a lesser magnitude than the transcriptome. Noteworthy, among the commonly upregulated metabolites were those involved in carbon sources as an alternative to glucose. This first integrated two omics layers affords novel insights into cell regulation and shows commonly modulated features across stimuli and stages.