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.

Trichoderma reesei is the main industrial source of cellulases and hemicellulases used to depolymerize biomass to simple sugars that are converted to chemical intermediates and biofuels, such as ethanol. We assembled 89 scaffolds (sets of ordered and oriented contigs) to generate 34 Mbp of nearly contiguous T. reesei genome sequence comprising 9,129 predicted gene models. Unexpectedly, considering the industrial utility and effectiveness of the carbohydrate-active enzymes of T. reesei, its genome encodes fewer cellulases and hemicellulases than any other sequenced fungus able to hydrolyze plant cell wall polysaccharides. Many T. reesei genes encoding carbohydrate-active enzymes are distributed nonrandomly in clusters that lie between regions of synteny with other Sordariomycetes. Numerous genes encoding biosynthetic pathways for secondary metabolites may promote survival of T. reesei in its competitive soil habitat, but genome analysis provided little mechanistic insight into its extraordinary capacity for protein secretion. Our analysis, coupled with the genome sequence data, provides a roadmap for constructing enhanced T. reesei strains for industrial applications such as biofuel production.

White rot fungi efficiently degrade lignin, a complex aromatic polymer in wood that is among the most abundant natural materials on earth. These fungi use extracellular oxidative enzymes that are also able to transform related aromatic compounds found in explosive contaminants, pesticides and toxic waste. We have sequenced the 30-million base-pair genome of Phanerochaete chrysosporium strain RP78 using a whole genome shotgun approach. The P. chrysosporium genome reveals an impressive array of genes encoding secreted oxidases, peroxidases and hydrolytic enzymes that cooperate in wood decay. Analysis of the genome data will enhance our understanding of lignocellulose degradation, a pivotal process in the global carbon cycle, and provide a framework for further development of bioprocesses for biomass utilization, organopollutant degradation and fiber bleaching. This genome provides a high quality draft sequence of a basidiomycete, a major fungal phylum that includes important plant and animal pathogens.

Brown-rot fungi such as Postia placenta are common inhabitants of forest ecosystems and are also largely responsible for the destructive decay of wooden structures. Rapid depolymerization of cellulose is a distinguishing feature of brown-rot, but the biochemical mechanisms and underlying genetics are poorly understood. Systematic examination of the P. placenta genome, transcriptome, and secretome revealed unique extracellular enzyme systems, including an unusual repertoire of extracellular glycoside hydrolases. Genes encoding exocellobiohydrolases and cellulose-binding domains, typical of cellulolytic microbes, are absent in this efficient cellulose-degrading fungus. When P. placenta was grown in medium containing cellulose as sole carbon source, transcripts corresponding to many hemicellulases and to a single putative β-1–4 endoglucanase were expressed at high levels relative to glucose-grown cultures. These transcript profiles were confirmed by direct identification of peptides by liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Also up-regulated during growth on cellulose medium were putative iron reductases, quinone reductase, and structurally divergent oxidases potentially involved in extracellular generation of Fe(II) and H 2 O 2 . These observations are consistent with a biodegradative role for Fenton chemistry in which Fe(II) and H 2 O 2 react to form hydroxyl radicals, highly reactive oxidants capable of depolymerizing cellulose. The P. placenta genome resources provide unparalleled opportunities for investigating such unusual mechanisms of cellulose conversion. More broadly, the genome offers insight into the diversification of lignocellulose degrading mechanisms in fungi. Comparisons with the closely related white-rot fungus Phanerochaete chrysosporium support an evolutionary shift from white-rot to brown-rot during which the capacity for efficient depolymerization of lignin was lost.

Efficient lignin depolymerization is unique to the wood decay basidiomycetes, collectively referred to as white rot fungi. Phanerochaete chrysosporium simultaneously degrades lignin and cellulose, whereas the closely related species, Ceriporiopsis subvermispora, also depolymerizes lignin but may do so with relatively little cellulose degradation. To investigate the basis for selective ligninolysis, we conducted comparative genome analysis of C. subvermispora and P. chrysosporium . Genes encoding manganese peroxidase numbered 13 and five in C. subvermispora and P. chrysosporium , respectively. In addition, the C. subvermispora genome contains at least seven genes predicted to encode laccases, whereas the P. chrysosporium genome contains none. We also observed expansion of the number of C. subvermispora desaturase-encoding genes putatively involved in lipid metabolism. Microarray-based transcriptome analysis showed substantial up-regulation of several desaturase and MnP genes in wood-containing medium. MS identified MnP proteins in C. subvermispora culture filtrates, but none in P. chrysosporium cultures. These results support the importance of MnP and a lignin degradation mechanism whereby cleavage of the dominant nonphenolic structures is mediated by lipid peroxidation products. Two C. subvermispora genes were predicted to encode peroxidases structurally similar to P. chrysosporium lignin peroxidase and, following heterologous expression in Escherichia coli , the enzymes were shown to oxidize high redox potential substrates, but not Mn 2+ . Apart from oxidative lignin degradation, we also examined cellulolytic and hemicellulolytic systems in both fungi. In summary, the C. subvermispora genetic inventory and expression patterns exhibit increased oxidoreductase potential and diminished cellulolytic capability relative to P. chrysosporium .

Circadian rhythms in the intracellular concentration of magnesium ions act as a cell-autonomous timekeeping component to determine key clock properties and tune cellular metabolism both in a human cell line and in a unicellular alga. The circadian clock has long been understood to involve cyclic gene expression patterns that coordinate an organism's physiology and behaviour. More recently, biochemical oscillators have been identified and found to also display cyclic changes that also influence physiology. Here Gerben van Ooijen and colleagues present a circadian rhythm in intracellular Mg2+ ion concentrations that seems to be present in human cells and in unicellular algae. Given the importance of Mg2+ as a cofactor for ATP, this ion fluctuation may regulate cellular energy expenditure over the daily cycle. Circadian clocks are fundamental to the biology of most eukaryotes, coordinating behaviour and physiology to resonate with the environmental cycle of day and night through complex networks of clock-controlled genes1,2,3. A fundamental knowledge gap exists, however, between circadian gene expression cycles and the biochemical mechanisms that ultimately facilitate circadian regulation of cell biology4,5. Here we report circadian rhythms in the intracellular concentration of magnesium ions, [Mg2+]i, which act as a cell-autonomous timekeeping component to determine key clock properties both in a human cell line and in a unicellular alga that diverged from each other more than 1 billion years ago6. Given the essential role of Mg2+ as a cofactor for ATP, a functional consequence of [Mg2+]i oscillations is dynamic regulation of cellular energy expenditure over the daily cycle. Mechanistically, we find that these rhythms provide bilateral feedback linking rhythmic metabolism to clock-controlled gene expression. The global regulation of nucleotide triphosphate turnover by intracellular Mg2+ availability has potential to impact upon many of the cell’s more than 600 MgATP-dependent enzymes7 and every cellular system where MgNTP hydrolysis becomes rate limiting. Indeed, we find that circadian control of translation by mTOR8 is regulated through [Mg2+]i oscillations. It will now be important to identify which additional biological processes are subject to this form of regulation in tissues of multicellular organisms such as plants and humans, in the context of health and disease.

Abstract RNA interference is an ancient mechanism with many regulatory roles in eukaryotic genomes, with small RNAs acting as their functional element. While there is a wide array of classes of small-RNA-producing loci, those resulting from stem-loop structures (hairpins) have received profuse attention. Such is the case of microRNAs (miRNAs), which have distinct roles in plants and animals. Fungi also produce small RNAs, and several publications have identified miRNAs and miRNA-like (mi/milRNA) hairpin RNAs in diverse fungal species using deep sequencing technologies. Despite this relevant source of information, relatively little is known about mi/milRNA-like features in fungi, mostly due to a lack of established criteria for their annotation. To systematically assess mi/miRNA-like characteristics and annotation confidence, we searched for publications describing mi/milRNA loci and re-assessed the annotations for 40 fungal species. We extracted and normalized the annotation data for 1,677 reported mi/milRNA-like loci and determined their abundance profiles, concluding that less than half of the reported loci passed basic standards used for hairpin RNA discovery. We found that fungal mi/milRNA are generally more similar in size to animal miRNAs and were frequently associated with protein-coding genes. The compiled genomic analyses identified 18 mi/milRNA loci conserved in multiple species. Our pipeline allowed us to build a general hierarchy of locus quality, identifying around 200 loci with high-quality annotations. We provide a centralized annotation of identified mi/milRNA hairpin RNAs in fungi which will serve as a resource for future research and advance in understanding the characteristics and functions of mi/milRNAs in fungal organisms.

Abstract Heat shock protein ( hsp ) encoding genes, part of the highly conserved Heat Shock Response (HSR), are known to be induced by thermal stress in several organisms. In Neurospora crassa , three hsp genes, hsp30, hsp70 , and hsp80 , have been characterized; however, the role of defined cis -elements in their response to discrete changes in temperature remains largely unexplored. To fill this gap, while also aiming to obtain a reliable fungal heat-shock inducible system, we analyzed different sections of each hsp promoter, by assessing the expression of real-time transcriptional reporters. Whereas all three promoters, and their resected versions, were acutely induced by high temperatures, only hsp30 displayed a broad range of expression and high tunability amply exciding other inducible promoter systems existing in Neurospora, such as Quinic acid- or light-inducible ones. As proof of concept, we employed one of these promoters to control the expression of clr-2 , which encodes for the master regulator of Neurospora cellulolytic capabilities. The resulting strain fails to grow on cellulose at 25°C, whereas it robustly grows if heat shock pulses are delivered daily. Additionally, we designed two hsp30 synthetic promoters and characterized these, as well as the native promoters, to a gradient of high temperatures, yielding a wide range of responses to thermal stimuli. Thus, Neurospora hsp30 -based promoters represent a new set of modular elements that can be used as a transcriptional rheostat to adjust the expression of a gene of interest or for the implementation of regulated circuitries for synthetic biology and biotechnological strategies. Importance Timely and dynamic response to strong temperature rises is paramount for organismal biology. At the same time, inducible promoters are a powerful tool for fungal biotechnological and synthetic biology endeavors. In this work, we analyzed the activity of several N. crassa heat shock protein ( hsp ) promoters upon a wide range of temperatures, observing that hsp30 exhibits remarkable sensitivity and dynamic range of expression as we chartered the response of this promoter to subtle increases in temperature, while also building synthetic promoters based on hsp30 cis -elements. As proof of concept, we analyzed the ability of hsp30 to provide tight control of a central process such as cellulose degradation. While this study provides an unprecedented description of the regulation of the N. crassa hsp genes it also contributes with a noteworthy addition to the molecular toolset of transcriptional controllers in filamentous fungi.

To analyze and visualize comprehensive gene expression patterns in the phytopathogenic fungus Botrytis cinerea , we developed BEB - a web-based B. cinerea gene expression browser. This tool and associated databases (DB) contain manually-curated RNA-Seq experiments conducted in B. cinerea . BEB allows easy gene expression analyses of genes of interest under different culture conditions by providing publication-ready heatmaps depicting transcripts levels. BEB is a computationally-inexpensive web-based application and gene expression DB that allows effortless visualization of the transcript levels of genes of interest without needing advanced computational skills. BEB also provides details of each experiment under analysis and user-defined gene expression clustering and visualization options. If needed, tables of gene expression values can be downloaded for further exploration, employing more sophisticated bioinformatics tools. The BEB implementation is based on open-source computational technologies that can be easily deployed for other organisms of interest with little additional effort. To demonstrate BEB's usability and potential, we selected genes of interest in B. cinerea to determine their expression patterns across different conditions. We thus focused our analysis on secondary metabolite gene clusters, chromosome-wide gene expression, previously described virulence factors, and reference genes, leading to a comprehensive expression overview of these groups of genes in this relevant fungal phytopathogen.

Fungal plant cell wall degradation processes are governed by complex regulatory mechanisms, allowing the organisms to adapt their metabolic program with high specificity to the available substrates. While the uptake of representative plant cell wall mono- and disaccharides is known to induce specific transcriptional and translational responses, the processes related to early signal reception and transduction remain largely unkown. A fast and reversible way of signal transmission are post-translational protein modifications, such as phosphorylations, which could initiate rapid adaptations of the fungal metabolism to a new condition. To elucidate how changes in the initial substrate recognition phase of Neurospora crassa affect the global phosphorylation pattern, phospho-proteomics was performed after a short (2 minutes) induction period with several plant cell wall-related mono- and disaccharides. The MS/MS-based peptide analysis revealed large-scale substrate-specific protein phosphorylation and de-phosphorylations. Using the proteins identified by MS/MS, a protein-protein-interaction (PPI) network was constructed. The variance in phosphorylation of a large number of kinases, phosphatases and transcription factors indicate the participation of many known signaling pathways, including circadian responses, two-component regulatory systems, MAP kinases as well as the cAMP-dependent and heterotrimeric G-protein pathways. Adenylate cyclase, a key component of the cAMP pathway, was identified as a potential hub for carbon source-specific differential protein interactions. In addition, four phosphorylated F-Box proteins were identified, two of which, Fbx-19 and Fbx-22, were found to be involved in carbon catabolite repression responses. Overall, these results provide unprecedented and detailed insights into a so far less well known stage of the fungal response to environmental cues and allow to better elucidate the molecular mechanisms of sensory perception and signal transduction during plant cell wall degradation.