Abstract Centromeres are chromosomal regions that serve as platforms for kinetochore assembly and spindle attachments, ensuring accurate chromosome segregation during cell division. Despite functional conservation, centromere DNA sequences are diverse and often repetitive, making them challenging to assemble and identify. Here, we describe centromeres in an oomycete Phytophthora sojae by combining long-read sequencing-based genome assembly and chromatin immunoprecipitation for the centromeric histone CENP-A followed by high-throughput sequencing (ChIP-seq). P. sojae centromeres cluster at a single focus at different life stages and during nuclear division. We report an improved genome assembly of the P. sojae reference strain, which enabled identification of 15 enriched CENP-A binding regions as putative centromeres. By focusing on a subset of these regions, we demonstrate that centromeres in P. sojae are regional, spanning 211 to 356 kb. Most of these regions are transposon-rich, poorly transcribed, and lack the histone modification H3K4me2 but are embedded within regions with the heterochromatin marks H3K9me3 and H3K27me3. Strikingly, we discovered a Copia -like transposon (CoLT) that is highly enriched in the CENP-A chromatin. Similar clustered elements are also found in oomycete relatives of P. sojae , and may be applied as a criterion for prediction of oomycete centromeres. This work reveals a divergence of centromere features in oomycetes as compared to other organisms in the Stramenopila-Alveolata-Rhizaria (SAR) supergroup including diatoms and Plasmodium falciparum that have relatively short and simple regional centromeres. Identification of P. sojae centromeres in turn also advances the genome assembly. Author summary Oomycetes are fungal-like microorganisms that belong to the stramenopiles within the Stramenopila-Alveolata-Rhizaria (SAR) supergroup. The Phytophthora oomycetes are infamous as plant killers, threatening crop production worldwide. Because of the highly repetitive nature of their genomes, assembly of oomycete genomes presents challenges that impede identification of centromeres, which are chromosomal sites mediating faithful chromosome segregation. We report long-read sequencing-based genome assembly of the Phytophthora sojae reference strain, which facilitated the discovery of centromeres. P. sojae harbors large regional centromeres fully embedded in heterochromatin, and enriched for a Copia -like transposon that is also found in discrete clusters in other oomycetes. This study provides insight into the oomycete genome organization, broadens our knowledge of the centromere structure, function and evolution in eukaryotes, and may help elucidate the high frequency of aneuploidy during oomycete reproduction.

Abstract Genome copy number variation occurs during each mitotic and meiotic cycle and it is crucial for organisms to maintain their natural ploidy. Defects in ploidy transitions can lead to chromosome instability, which is a hallmark of cancer. Ploidy in the haploid human fungal pathogen Cryptococcus neoformans is exquisitely orchestrated and ranges from haploid to polyploid during sexual development and under various environmental and host conditions. However, the mechanisms controlling these ploidy transitions are largely unknown. During C. deneoformans (formerly C. neoformans var. neoformans , serotype D) unisexual reproduction, ploidy increases prior to the onset of meiosis, can be independent from cell-cell fusion and nuclear fusion, and likely occurs through an endoreplication pathway. To elucidate the molecular mechanisms underlying this ploidy transition, we identified twenty cell cycle-regulating genes encoding cyclins, cyclin-dependent kinases (CDK), and CDK regulators. We characterized four cyclin genes and two CDK regulator genes that were differentially expressed during unisexual reproduction and contributed to diploidization. To detect ploidy transition events, we generated a ploidy reporter, called NURAT , which can detect copy number increases via double selection for nourseothricin-resistant, uracil-prototrophic cells. Utilizing this ploidy reporter, we showed that ploidy transition from haploid to diploid can be detected during the early phases of unisexual reproduction. Interestingly, selection for the NURAT reporter revealed several instances of segmental aneuploidy of multiple chromosomes, which conferred azole resistance in some isolates. These findings provide further evidence of ploidy plasticity in fungi with significant biological and public health implications. Author Summary Ploidy is an intrinsic fundamental feature of all eukaryotic organisms, and ploidy variation and maintenance are critical to the organism survival and evolution. Fungi exhibit exquisite plasticity in ploidy variation in adaptation to various environmental stresses. For example, the haploid opportunistic human fungal pathogen C. deneoformans can generate diploid blastospores during unisexual reproduction and also forms polyploid titan cells during host infection, however, the mechanisms underlying these ploidy transitions are largely unknown. In this study, we elucidated the genetic regulatory circuitry governing ploidy duplication during C. deneoformans unisexual reproduction through the identification and characterization of cell cycle regulators that are differentially expressed during unisexual reproduction. We showed that four cyclin and two cyclin-dependent kinase regulator genes function in concert to orchestrate ploidy transition during unisexual reproduction. To trace and track ploidy transition events, we also generated a ploidy reporter and revealed the formation of segmental aneuploidy in addition to diploidization, illustrating the diverse mechanisms of genome plasticity in C. deneoformans .

Fungi in the basidiomycete genus Malassezia are the most prevalent eukaryotic microbes resident on the skin of human and other warm-blooded animals and have been implicated in skin diseases and systemic disorders. Analysis of Malassezia genomes revealed that key adaptations to the skin microenvironment have a direct genomic basis, and the identification of mating/meiotic genes suggests a capacity to reproduce sexually, even though no sexual cycle has yet been observed. In contrast to other bipolar or tetrapolar basidiomycetes that have either two linked mating-type-determining ( MAT ) loci or two MAT loci on separate chromosomes, in Malassezia species studied thus far the two MAT loci are arranged in a pseudobipolar configuration (linked on the same chromosome but capable of recombining). By incorporating newly generated chromosome-level genome assemblies, and an improved Malassezia phylogeny, we infer that the pseudobipolar arrangement was the ancestral state of this group and revealed six independent transitions to tetrapolarity, seemingly driven by centromere fission or translocations in centromere- flanking regions. Additionally, in an approach to uncover a sexual cycle, Malassezia furfur strains were engineered to express different MAT alleles in the same cell. The resulting strains produce hyphae reminiscent of early steps in sexual development and display upregulation of genes associated with sexual development as well as others encoding lipases and a protease potentially relevant for pathogenesis of the fungus. Our study reveals a previously unseen genomic relocation of mating-type loci in fungi and provides insight towards the discovery of a sexual cycle in Malassezia , with possible implications for pathogenicity.Malassezia , the dominant fungal group of the mammalian skin microbiome, is associated with numerous skin disorders. Sexual development and yeast-to-hyphae transitions, governed by genes at two mating-type ( MAT ) loci, are thought to be important for fungal pathogenicity. However, Malassezia sexual reproduction has never been observed. Here, we used chromosome-level assemblies and comparative genomics to uncover unforeseen transitions in MAT loci organization within Malassezia , possibly related with fragility of centromeric-associated regions. Additionally, by expressing different MAT alleles in the same cell, we show that Malassezia can undergo hyphal development and this phenotype is associated with increased expression of key mating genes along with other genes known to be virulence factors, providing a possible connection between hyphal development, sexual reproduction, and pathogenicity.

Sexual development is a key evolutionary innovation of eukaryotes. In many species, mating involves interaction between compatible mating partners that can undergo cell and nuclear fusion and subsequent steps of development including meiosis. Mating compatibility in fungi is governed by mating type determinants, which are localized at mating type ( MAT ) loci. In basidiomycetes, the ancestral state is hypothesized to be tetrapolar (bifactorial), with two genetically unlinked MAT loci containing homeodomain transcription factor genes ( HD locus) and pheromone and pheromone receptor genes ( P/R locus), respectively. Alleles at both loci must differ between mating partners for completion of sexual development. However, there are also basidiomycete species with bipolar (unifactorial) mating systems, which can arise through genomic linkage of the HD and P/R loci. In the order Tremellales , which is comprised of mostly yeast-like species, bipolarity is found only in the human pathogenic Cryptococcus species. Here, we describe the analysis of MAT loci from the Trichosporonales , a sister order to the Tremellales . We analyzed genome sequences from 29 strains that belong to 24 species, including two new genome sequences generated in this study. Interestingly, in all of the species analyzed, the MAT loci are fused and a single HD gene is present in each mating type. This is similar to the organization in the pathogenic Cryptococci, which also have linked MAT loci and carry only one HD gene per MAT locus instead of the usual two HD genes found in the vast majority of basidiomycetes. However, the HD and P/R allele combinations in the Trichosporonales are different from those in the pathogenic Cryptococcus species. The differences in allele combinations compared to the bipolar Cryptococci as well as the existence of tetrapolar Tremellales sister species suggest that fusion of the HD and P/R loci and differential loss of one of the two HD genes per MAT allele occurred independently in the Trichosporonales and pathogenic Cryptococci. This finding supports the hypothesis of convergent evolution at the molecular level towards fused mating-type regions in fungi, similar to previous findings in other fungal groups. Unlike the fused MAT loci in several other basidiomycete lineages though, the gene content and gene order within the fused MAT loci are highly conserved in the Trichosporonales , and there is no apparent suppression of recombination extending from the MAT loci to adjacent chromosomal regions, suggesting different mechanisms for the evolution of physically linked MAT loci in these groups.Author summary Sexual development in fungi is governed by genes located within a single mating type ( MAT ) locus or at two unlinked MAT loci. While the latter is thought to be the ancestral state in basidiomycetes, physical linkage of the two MAT loci has occurred multiple times during basidiomycete evolution. Here, we show that physically linked MAT loci are present in all analyzed species of the basidiomycete order Trichosporonales . In contrast to previously studied basidiomycetes, the fused MAT loci in the Trichosporonales have highly conserved gene order, suggesting that this fusion might date back to the common ancestor of this lineage.

The skin of humans and animals is colonized by commensal and pathogenic fungi and bacteria that share this ecological niche and have established microbial interactions. Malassezia are the most abundant fungal skin inhabitant of warm-blooded animals, and have been implicated in skin diseases and systemic disorders, including Crohn disease and pancreatic cancer. Flavohemoglobin is a key enzyme involved in microbial nitrosative stress resistance and nitric oxide degradation. Comparative genomics and phylogenetic analyses within the Malassezia genus revealed that flavohemoglobin-encoding genes were acquired through independent horizontal gene transfer events from different donor bacteria that are part of the mammalian microbiome. Through targeted gene deletion and functional complementation in M. sympodialis, we demonstrated that bacterially-derived flavohemoglobins are cytoplasmic proteins required for nitric oxide detoxification and nitrosative stress resistance under aerobic conditions. RNAseq analysis revealed that endogenous accumulation of nitric oxide resulted in upregulation of genes involved in stress response, and downregulation of the MalaS7 allergen-encoding genes. Solution of the high-resolution X-ray crystal structure of Malassezia flavohemoglobin revealed features conserved with both bacterial and fungal flavohemoglobins. In vivo pathogenesis is independent of Malassezia flavohemoglobin. Lastly, we identified additional 30 genus- and species- specific horizontal gene transfer candidates that might have contributed to the evolution of this genus as the most common inhabitants of animal skin.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

The Pacific Northwest (PNW), Vancouver Island, Oregon, and Washington have been the location of an ongoing Cryptococcus gattii outbreak since the 1990s, and there is evidence that the outbreak is expanding along the West Coast into California. Here we report a clinical case of a 69-year-old, HIV-negative man from North Carolina who was diagnosed with a fungal brain mass by magnetic resonance imaging (MRI) and pathology. He had traveled to Seattle and Vancouver three years earlier and Costa Rica four months prior to presentation. Phenotypic evidence shows the fungal mass isolated from the patient's brain is C. gattii. In agreement with the phenotypic results, MLST provides genotypic evidence that assigns the infecting organism within in the C. gattii species complex and belonging to the C. deuterogattii VGIIa clade. Whole genome sequencing revealed >99.99% identity to the C. deuterogattii reference strain R265, indicating that the infecting strain is derived from the highly clonal outbreak strains in the PNW. We conclude the patient acquired the C. gattii infection during his travel to region three years prior and the infection was dormant for an extended period of time before causing disease. The patient tested positive for anti-granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) autoantibodies, supporting earlier reports that implicate these autoantibodies as a risk factor a risk factor associated with C. gattii infection.

Abstract Sexual reproduction is a ubiquitous and ancient trait of eukaryotic life. While sexual organisms are usually faced with the challenge of finding a compatible mating partner, species as diverse as animals, plants, and fungi have repeatedly evolved the ability to reproduce sexually without an obligate requirement for another individual. Here, we uncovered the underlying mechanism of self-compatibility (homothallism) in Cryptococcus depauperatus , a fungal species sister to the clinically relevant human fungal pathogens Cryptococcus neoformans and Cryptococcus gattii species complexes. In contrast to C. neoformans or C. gattii , which grow as a yeast in the asexual stage, and produce hyphae, basidia, and infectious spores during the sexual stage, C. depauperatus grows exclusively as hyphae decorated with basidia and abundant spores and appears to be continuously engaged in sexual reproduction. By combining the insights from comparative genomics and genetic analyses of mutants defective in key mating and meiosis genes, we demonstrate the sexual cycle of C. depauperatus involves meiosis, and reveal that self-compatibility is orchestrated by the expression, in the same cell, of an unlinked mating receptor (Ste3 a ) and pheromone ligand (MFα) pair seemingly derived from opposite mating types of a heterothallic (self-sterile) ancestor. We identified a putative mating-type ( MAT ) determining region containing genes phylogenetically aligned with MAT a alleles of other species, and a few MAT α gene alleles scattered and unlinked throughout the genome, but no homologs of the mating-type homeodomain genes SXI1 ( HD1 ) and SXI2 ( HD2 ). Comparative genomic analyses suggested a dramatic remodeling of the MAT locus possibly owing to reduced selective constraints to maintain mating-type genes in tight linkage, associated with a transition to self-fertility. Our findings support C. depauperatus as an obligately sexual, homothallic fungal species and provide additional insight into the repeated transitions between modes of sexual reproduction that have occurred throughout the fungal kingdom.

Abstract Hybridization has resulted in the origin and variation in extant species, and hybrids continue to arise despite pre- and post-zygotic barriers that limit their formation and evolutionary success. One important system that maintains species boundaries in prokaryotes and eukaryotes is the mismatch repair pathway, which blocks recombination between divergent DNA sequences. Previous studies illuminated the role of the mismatch repair component Msh2 in blocking genetic recombination between divergent DNA during meiosis. Loss of Msh2 results in increased interspecific genetic recombination in bacterial and yeast models, and increased viability of progeny derived from yeast hybrid crosses. Hybrid isolates of two pathogenic fungal Cryptococcus species, Cryptococcus neoformans and Cryptococcus deneoformans, are isolated regularly from both clinical and environmental sources. In the present study, we sought to determine if loss of Msh2 would relax the species boundary between C. neoformans and C. deneoformans . We found that crosses between these two species in which both parents lack Msh2 produced hybrid progeny with increased viability and high levels of aneuploidy. Whole-genome sequencing revealed few instances of recombination among hybrid progeny and did not identify increased levels of recombination in progeny derived from parents lacking Msh2. Several hybrid progeny produced structures associated with sexual reproduction when incubated alone on nutrient-rich medium in light, a novel phenotype in Cryptococcus . These findings represent a unique, unexpected case where rendering the mismatch repair system defective did not result in increased meiotic recombination across a species boundary. This suggests that alternative pathways or other mismatch repair components limit meiotic recombination between homeologous DNA and enforce species boundaries in the basidiomycete Cryptococcus species. Author summary Several mechanisms enforce species boundaries by either preventing the formation of hybrids, known as pre-zygotic barriers, or preventing the viability and fecundity of hybrids, known as post-zygotic barriers. Despite these barriers, interspecific hybrids form at an appreciable frequency, such as hybrid isolates of the human fungal pathogenic species, Cryptococcus neoformans and Cryptococcus deneoformans , which are regularly isolated from both clinical and environmental sources. C. neoformans x C. deneoformans hybrids are typically highly aneuploid, sterile, and display phenotypes intermediate to those of either parent, although self-fertile isolates and transgressive phenotypes have been observed. One important mechanism known to enforce species boundaries or lead to incipient speciation is the DNA mismatch repair system, which blocks recombination between divergent DNA sequences during meiosis. The aim of this study was to determine if genetically deleting the DNA mismatch repair component Msh2 would relax the species boundary between C. neoformans and C. deneoformans . Progeny derived from C. neoformans x C. deneoformans crosses in which both parental strains lacked Msh2 had higher viability, and unlike previous studies in Saccharomyces , these Cryptococcus hybrid progeny had higher levels of aneuploidy and no observable increase in meiotic recombination at the whole-genome level.

Abstract Sexual reproduction in fungi relies on proteins with well-known functions encoded by the mating-type ( MAT ) loci. In the Basidiomycota, MAT loci are often bipartite, with the P/R locus encoding pheromone precursors and pheromone receptors and the HD locus encoding heterodimerizing homeodomain transcription factors (Hd1/Hd2). The interplay between different alleles of these genes within a single species usually generates at least two compatible mating types. However, a minority of species are homothallic, reproducing sexually without an obligate need for a compatible partner. Here we examine the organization and function of the MAT loci of Cystofilobasidium capitatum , a species in the order Cystofilobasidiales, which is unusually rich in homothallic species. We determined MAT gene content and organization in C. capitatum and found that it resembles a mating type of the closely related heterothallic species Cystofilobasidium ferigula . To explain the homothallic sexual reproduction observed in C. capitatum we examined HD-protein interactions in the two Cystofilobasidium species and determined C. capitatum MAT gene expression both in a natural setting and upon heterologous expression in Phaffia rhodozyma , a homothallic species belonging to a clade sister to Cystofilobasidium . We conclude that the molecular basis for homothallism in C. capitatum appears to be distinct from that previously established for P. rhodozyma . Unlike the latter species, homothallism in C. capitatum may involve constitutive activation or dispensability of the pheromone receptor and the functional replacement of the usual Hd1/Hd2 heterodimer by an Hd2 homodimer. Overall, our results suggest that homothallism evolved multiple times within the Cystofilobasidiales. Importance Sexual reproduction is important for the biology of eukaryotes because it strongly impacts the dynamics of genetic variation. In fungi, although sexual reproduction is usually associated with the fusion between cells belonging to different individuals (heterothallism), sometimes a single individual is capable of completing the sexual cycle alone (homothallism). Homothallic species are unusually common in a fungal lineage named Cystofilobasidiales. Here we studied the genetic bases of homothallism in one species in this lineage, Cystofilobasidium capitatum , and found it to be different in several aspects when compared to another homothallic species, Phaffia rhodozyma , belonging to the genus most closely related to Cystofilobasidium . Our results strongly suggest that homothallism evolved independently in Phaffia and Cystofilobasidium , lending support to the idea that transitions between heterothallism and homothallism are not as infrequent as previously thought. Our work also helps to establish the Cystofilobasidiales as a model lineage in which to study these transitions.

A fundamental characteristic of eukaryotic organisms is the generation of genetic variation via sexual reproduction. Conversely, significant large-scale genome structure variations could hamper sexual reproduction, causing reproductive isolation and promote speciation. The underlying processes behind large-scale genome rearrangements are not well understood and include chromosome translocations involving centromeres. Recent genomic studies in the Cryptococcus species complex revealed that chromosome translocations generated via centromere recombination have reshaped the genomes of different species. In this study, multiple DNA double-strand breaks (DSBs) were generated via the CRISPR/Cas9 system at centromere-specific retrotransposons in the human fungal pathogen Cryptococcus neoformans . The resulting DSBs were repaired in a complex manner, leading to the formation of multiple inter-chromosomal rearrangements and new telomeres, similar to chromothripsis-like events. The newly generated strains harboring chromosome translocations exhibited normal vegetative growth but failed to undergo successful sexual reproduction with the parental wild-type strain. One of these strains failed to produce any spores, while another produced ∼3% viable progeny. The germinated progeny exhibited aneuploidy for multiple chromosomes and showed improved fertility with both parents. All chromosome translocation events were accompanied without any detectable change in gene sequences and thus, suggest that chromosomal translocations alone may play an underappreciated role in the onset of reproductive isolation and speciation.