Dating Wood Rot Specific lineages within the basidiomycete fungi, white rot species, have evolved the ability to break up a major structural component of woody plants, lignin, relative to their non–lignin-decaying brown rot relatives. Through the deep phylogenetic sampling of fungal genomes, Floudas et al. (p. 1715 ; see the Perspective by Hittinger ) mapped the detailed evolution of wood-degrading enzymes. A key peroxidase and other enzymes involved in lignin decay were present in the common ancestor of the Agaricomycetes. These genes then expanded through gene duplications in parallel, giving rise to white rot lineages.

Cryptococcus neoformans is a pathogenic basidiomycetous yeast responsible for more than 600,000 deaths each year. It occurs as two serotypes (A and D) representing two varieties (i.e. grubii and neoformans, respectively). Here, we sequenced the genome and performed an RNA-Seq-based analysis of the C. neoformans var. grubii transcriptome structure. We determined the chromosomal locations, analyzed the sequence/structural features of the centromeres, and identified origins of replication. The genome was annotated based on automated and manual curation. More than 40,000 introns populating more than 99% of the expressed genes were identified. Although most of these introns are located in the coding DNA sequences (CDS), over 2,000 introns in the untranslated regions (UTRs) were also identified. Poly(A)-containing reads were employed to locate the polyadenylation sites of more than 80% of the genes. Examination of the sequences around these sites revealed a new poly(A)-site-associated motif (AUGHAH). In addition, 1,197 miscRNAs were identified. These miscRNAs can be spliced and/or polyadenylated, but do not appear to have obvious coding capacities. Finally, this genome sequence enabled a comparative analysis of strain H99 variants obtained after laboratory passage. The spectrum of mutations identified provides insights into the genetics underlying the micro-evolution of a laboratory strain, and identifies mutations involved in stress responses, mating efficiency, and virulence.

Bacterioplankton of the marine Roseobacter clade have genomes that reflect a dynamic environment and diverse interactions with marine plankton. Comparative genome sequence analysis of three cultured representatives suggests that cellular requirements for nitrogen are largely provided by regenerated ammonium and organic compounds (polyamines, allophanate, and urea), while typical sources of carbon include amino acids, glyoxylate, and aromatic metabolites. An unexpectedly large number of genes are predicted to encode proteins involved in the production, degradation, and efflux of toxins and metabolites. A mechanism likely involved in cell-to-cell DNA or protein transfer was also discovered: vir-related genes encoding a type IV secretion system typical of bacterial pathogens. These suggest a potential for interacting with neighboring cells and impacting the routing of organic matter into the microbial loop. Genes shared among the three roseobacters and also common in nine draft Roseobacter genomes include those for carbon monoxide oxidation, dimethylsulfoniopropionate demethylation, and aromatic compound degradation. Genes shared with other cultured marine bacteria include those for utilizing sodium gradients, transport and metabolism of sulfate, and osmoregulation.

The Community Cyberinfrastructure for Advanced Microbial Ecology Research and Analysis (CAMERA, http://camera.calit2.net/ ) is a database and associated computational infrastructure that provides a single system for depositing, locating, analyzing, visualizing and sharing data about microbial biology through an advanced web-based analysis portal. CAMERA collects and links metadata relevant to environmental metagenome data sets with annotation in a semantically-aware environment allowing users to write expressive semantic queries against the database. To meet the needs of the research community, users are able to query metadata categories such as habitat, sample type, time, location and other environmental physicochemical parameters. CAMERA is compliant with the standards promulgated by the Genomic Standards Consortium (GSC), and sustains a role within the GSC in extending standards for content and format of the metagenomic data and metadata and its submission to the CAMERA repository. To ensure wide, ready access to data and annotation, CAMERA also provides data submission tools to allow researchers to share and forward data to other metagenomics sites and community data archives such as GenBank. It has multiple interfaces for easy submission of large or complex data sets, and supports pre-registration of samples for sequencing. CAMERA integrates a growing list of tools and viewers for querying, analyzing, annotating and comparing metagenome and genome data.

Malassezia is a unique lipophilic genus in class Malasseziomycetes in Ustilaginomycotina, (Basidiomycota, fungi) that otherwise consists almost exclusively of plant pathogens. Malassezia are typically isolated from warm-blooded animals, are dominant members of the human skin mycobiome and are associated with common skin disorders. To characterize the genetic basis of the unique phenotypes of Malassezia spp., we sequenced the genomes of all 14 accepted species and used comparative genomics against a broad panel of fungal genomes to comprehensively identify distinct features that define the Malassezia gene repertoire: gene gain and loss; selection signatures; and lineage-specific gene family expansions. Our analysis revealed key gene gain events (64) with a single gene conserved across all Malassezia but absent in all other sequenced Basidiomycota. These likely horizontally transferred genes provide intriguing gain-of-function events and prime candidates to explain the emergence of Malassezia. A larger set of genes (741) were lost, with enrichment for glycosyl hydrolases and carbohydrate metabolism, concordant with adaptation to skin's carbohydrate-deficient environment. Gene family analysis revealed extensive turnover and underlined the importance of secretory lipases, phospholipases, aspartyl proteases, and other peptidases. Combining genomic analysis with a re-evaluation of culture characteristics, we establish the likely lipid-dependence of all Malassezia. Our phylogenetic analysis sheds new light on the relationship between Malassezia and other members of Ustilaginomycotina, as well as phylogenetic lineages within the genus. Overall, our study provides a unique genomic resource for understanding Malassezia niche-specificity and potential virulence, as well as their abundance and distribution in the environment and on human skin.

Abstract Some remarkable animal species require an opposite-sex partner for their sexual development but discard the partner’s genome before gamete formation, generating hemi-clonal progeny in a process called hybridogenesis. Here, we discovered a similar phenomenon, termed pseudosexual reproduction, in a basidiomycete human fungal pathogen, Cryptococcus neoformans , where exclusive uniparental inheritance of nuclear genetic material was observed during bisexual reproduction. Analysis of strains expressing fluorescent reporter proteins revealed instances where only one of the parental nuclei was present in the terminal sporulating basidium. Whole-genome sequencing revealed the nuclear genome of the progeny was identical with one or the other parental genome. Pseudosexual reproduction was also detected in natural isolate crosses where it resulted in mainly MAT α progeny, a bias observed in Cryptococcus ecological distribution as well. The meiotic recombinase Dmc1 was found to be critical for pseudosexual reproduction. These findings reveal a novel, and potentially ecologically significant, mode of eukaryotic microbial reproduction that shares features with hybridogenesis in animals.

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 .

ABSTRACT Cryptococcus species are life-threatening human fungal pathogens that cause cryptococcal meningoencephalitis in both immunocompromised and healthy hosts. The natural environmental niches of Cryptococcus include pigeon ( Columba livia ) guano, soil, and a variety of tree species such as Eucalyptus camaldulensis, Ceratonia siliqua, Platanus orientalis , and Pinus spp. Genetic and genomic studies of extensive sample collections have provided insights into the population distribution and composition of different Cryptococcus species in geographic regions around the world. However, few such studies examined Cryptococcus in Turkey. We sampled 388 Olea europaea (olive) and 132 E. camaldulensis trees from 7 locations in coastal and inland areas of the Aegean region of Anatolian Turkey in September 2016 to investigate the distribution and genetic diversity present in the natural Cryptococcus population. We isolated 84 Cryptococcus neoformans strains (83 MAT α and 1 MAT a ) and 3 Cryptococcus deneoformans strains (all MATa ) from 87 (22.4% of surveyed) O. europaea trees; a total of 32 C. neoformans strains were isolated from 32 (24.2%) of the E. camaldulensis trees, all of which were MAT α. A statistically significant difference was observed in the frequency of C. neoformans isolation between coastal and inland areas ( P < 0.05). Thus, O. europaea trees could represent a novel niche for C. neoformans . Interestingly, the MAT a C. neoformans isolate was fertile in laboratory crosses with VNI and VNB MAT α tester strains and produced robust hyphae, basidia, and basidiospores, thus suggesting potential sexual reproduction in the natural population. Sequencing analyses of the URA5 gene identified at least 5 different genotypes among the isolates. Population genetics and genomic analyses revealed that most of the isolates in Turkey belong to the VNBII lineage of C. neoformans , which is predominantly found in southern Africa; these isolates are part of a distinct minor clade within VNBII that includes several isolates from Zambia and Brazil. Our study provides insights into the geographic distribution of different C. neoformans lineages in the Mediterranean region and highlights the need for wider geographic sampling to gain a better understanding of the natural habitats, migration, epidemiology, and evolution of this important human fungal pathogen.

ABSTRACT Mitochondria are inherited uniparentally during sexual reproduction in the majority of eukaryotic species studied, including humans, mice, nematodes, as well as many fungal species. Mitochondrial uniparental inheritance (mito-UPI) could be beneficial in that it avoids possible genetic conflicts between organelles with different genetic backgrounds, as recently shown in mice; and it could prevent the spread of selfish genetic elements in the mitochondrial genome. Despite the prevalence of observed mito-UPI, the underlying mechanisms and the genes involved in controlling this non-mendelian inheritance are poorly understood in many species. In Cryptococcus neoformans , a human pathogenic basidiomyceteous fungus, mating types ( MAT α and MAT a ) are defined by alternate alleles at the single MAT locus that evolved from fusion of the two MAT loci ( P/R encoding pheromones and pheromone receptors, HD encoding homeodomain transcription factors) that are the ancestral state in the basidiomycota. Mitochondria are inherited uniparentally from the MAT a parent in C. neoformans and this requires the SXI1 α and SXI2 a HD factors encoded by MAT . However, there is evidence additional genes contribute to control of mito-UPI in Cryptococcus . Here we show that in Cryptococcus amylolentus , a sibling species of C. neoformans with unlinked P/R and HD MAT loci, mitochondrial uniparental inheritance is controlled by the P/R locus, and is independent of the HD locus. Consistently, by replacing the MAT α alleles of the pheromones ( MF ) and pheromone receptor ( STE3 ) with the MAT a alleles, we show that these P/R locus defining genes indeed affect mito-UPI in C. neoformans during sexual reproduction. Additionally, we show that during early stages of C. neoformans sexual reproduction, conjugation tubes are always produced by the MAT α cells, resulting in unidirectional migration of the MAT α nucleus into the MAT a cell during zygote formation. This process is controlled by the P/R locus and could serve to physically restrict movement of MAT α mitochondria in the zygotes, and thereby contribute to mito-UPI. We propose a model in which both physical and genetic mechanisms function in concert to prevent the coexistence of mitochondria from the two parents in the zygote and subsequently in the meiotic progeny, thus ensuring mito-UPI in pathogenic Cryptococcus , as well as in closely related non-pathogenic species. The implications of these findings are discussed in the context of the evolution of mito-UPI in fungi and other more diverse eukaryotes.

Cryptococcus neoformans is an opportunistic fungal pathogen that causes approximately 625,000 deaths per year from nervous system infections. Here, we leveraged a unique, genetically diverse population of C. neoformans from sub-Saharan Africa, commonly isolated from mopane trees, to determine how selective pressures in the environment coincidentally adapted C. neoformans for human virulence. Genome sequencing and phylogenetic analysis of 387 isolates, representing the global VNI and African VNB lineages, highlighted a deep, non-recombining split in VNB (herein VNBI and VNBII). VNBII was enriched for clinical samples relative to VNBI, while phenotypic profiling of 183 isolates demonstrated that VNBI isolates were significantly more resistant to oxidative stress and more heavily melanized than VNBII isolates. Lack of melanization in both lineages was associated with loss-of-function mutations in the BZP4 transcription factor. A genome-wide association study across all VNB isolates revealed sequence differences between clinical and environmental isolates in virulence factors and stress response genes. Inositol transporters and catabolism genes, which process sugars present in plants and the human nervous system, were identified as targets of selection in all three lineages. Further phylogenetic and population genomic analyses revealed extensive loss of genetic diversity in VNBI, suggestive of a history of population bottlenecks, along with unique evolutionary trajectories for mating type loci. These data highlight the complex evolutionary interplay between adaptation to natural environments and opportunistic infections, and that selection on specific pathways may predispose isolates to human virulence.