Development and secondary metabolism in Penicillium expansum : implication of global transcription factors VeA and BrlA
Développement et métabolisme secondaire chez Penicillium expansum : implication des facteurs de transcription globaux VeA et BrlA
Résumé
Penicillium expansum is a known and widely studied mold of the genus Penicillium because it is the causative agent of post-harvest blue mold disease in apples. This filamentous fungus can infest a wide range of fruits primarily during harvest and throughout the storage period. Representing a significant economic problem for the fresh fruit industry, P. expansum is also known to produce a wide variety of secondary metabolites with diverse chemical structures including the mycotoxins patulin, citrinin and roquefortine C. Secondary metabolites are the end products of enzyme cascades where the enzymes involved are encoded by genes arranged contiguously as a cluster of biosynthetic genes. These clusters of genes are often transcriptionally co-regulated by a variety of different genetic mechanisms ranging from specific regulation by DNAlinked transcription factors to global regulation by changes in chromosome structure. BrlA is a global zinc finger type C2H2 transcription factor required for the development of conidiophores in the family Aspergillaceae. It is involved in the production of secondary metabolites, in particular in the regulation of genes coding for metabolites synthesized during spore formation. VeA is a protein with a velvet domain and forms with VelB (another velvet protein) and methyltransferase LaeA the heterotrimeric VelB-VeA-LaeA complex, which plays an important role in development, sporulation, secondary metabolism and pathogenicity. The characterization of the role of the brlA and veA genes (already performed for veA) in the regulation of the biosynthetic pathways of certain secondary metabolites in P. expansum as well as the determination of the environmental conditions favoring their expression are essential to understand the behavior of this fungus and to predict fungal development in their natural substrate. In this context, one of the objectives of the thesis was the investigation of the roles of the transcription factor BrlA on the virulence, development and secondary metabolism of P. expansum. For this purpose, a PebrlA strain was generated by homologous recombination. In vivo, the suppression of brlA completely blocked the development of conidiophores but not the formation of coremia/synnemata. The analysis of the PebrlA transcriptome in vitro revealed the positive regulation of a cluster of genes showing a strong similarity with the chaetoglobosin cluster of Chaetomium globosum in addition to the genes involved in conidiation such as wetA, abaA, hydrophobin or melanin-like pigment coding genes. A second objective of the thesis was the characterization of the secondary metabolome of P. expansum. Metabolomic analysis, carried out in the wild-type and null mutant strains PeveA and PebrlA, showed that patulin biosynthesis was not related to conidiogenesis. Patulin was not detected in the spores or synnemata, showing that patulin synthesis stopped when the fungus emerged from the apple. The biosynthesis of secondary metabolites is linked to the different stages of fungal development, some of which were secreted by the basal metabolism and were believed to be aggressive factors allowing faster invasion of the substrate, while others were produced by aerial metabolism during dissemination. The analysis of the metabolome of PebrlA revealed a great diversity of chaetoglobosins. Chaetoglobosins A and C were only present in synnemata while the other derivatives were found in apple flesh, suggesting a spatial-temporal organization of the chaetoglobosin biosynthesis pathway
Penicillium expansum est une moisissures connue et largement étudiée du genre Penicillium car c’est l’agent responsable de la maladie de la moisissure bleue post-récolte des pommes. Ce champignon filamenteux peut infester une large gamme de fruits principalement pendant la récolte et toute la période d’entreposage. Représentant un problème économique important pour l'industrie des fruits frais, P. expansum est également connu pour produire une grande variété de métabolites secondaires aux structures chimiques diverses dont les mycotoxines patuline, citrinine et roquefortine C. Les métabolites secondaires sont les produits finaux de cascades enzymatiques où les enzymes impliquées sont codées par des gènes disposés de manière contiguë sous forme de cluster de gènes biosynthétiques. Ces clusters de gènes sont souvent co-régulés de manière transcriptionnelle par une variété de mécanismes génétiques différents allant de la régulation spécifique par des facteurs de transcription liés à l'ADN à la régulation globale par des modifications de la structure du chromosome. BrlA est un facteur de transcription global en doigt de zinc de type C2H2 nécessaire au développement des conidiophores dans la famille des Aspergillaceae. Il est impliqué dans la production de métabolites secondaires, en particulier dans la régulation de gènes codant pour des métabolites synthétisés lors de la formation des spores. VeA est une protéine comportant un domaine velvet et forme avec VelB (protéine velvet) et la méthyltransférase LaeA lecomplexe hétérotrimérique VelB-VeA-LaeA, qui joue un rôle important dans le développement, la sporulation, le métabolisme secondaire et la pathogénicité. La caractérisation du rôle des gènes brlA et veA (déjà effectuée pour veA) dans la régulation des voies de biosynthèse de certains métabolites secondaires chez P. expansum ainsi que la détermination des conditions environnementales favorisant leur expression sont essentielles pour comprendre le comportement de ce champignon et pour prédire le développement fongique dans leur substrat naturel. Dans ce contexte, un des objectifs de la thèse a été l’investigation des rôles du facteur de transcription BrlA sur la virulence, le développement et le métabolisme secondaire de P. expansum. Pour cela, une souche PebrlA a été générée par recombinaison homologue. In vivo, la suppression de brlA a complètement bloqué le développement des conidiophores mais pas la formation des corémies/synnémates. L’analyse du transcriptome de PebrlA in vitro a mis en évidence la régulation positive d’un cluster de gènes présentant une forte similarité avec celui des chaetoglobosines de Chaetomium globosum en plus des gènes impliqués dans la conidiation tels que wetA, abaA, les gènes codant pour les hydrophobines ou pour les pigments de type mélanine. Un second objectif de la thèse résidait dans la caractérisation du métabolome secondaire de P. expansum. L’analyse métabolomique, réalisée chez la souche sauvage et les souches mutantes nulles PeveA et PebrlA, a montré que la biosynthèse de la patuline n’était pas liée à la conidiogenèse. La patuline n’est détectée ni dans les spores ni dans les synnémates, montrant que la synthèse de patuline s’arrête quand le champignon ressort de la pomme. La biosynthèse des métabolites secondaires est liée aux différents stades du développement fongique, certains sont secrétés par le métabolisme basal et seraient des facteurs d’agressivité permettant d’envahir plus rapidement le substrat tandis que d’autres sont produits par le métabolisme aérien lors de la dissémination. L’analyse du métabolome de PebrlA a révélé une grande diversité de chaetoglobosins. Les chaetoglobosines A et C étaient seulement présentes dans les synnémates alors que les autres dérivés étaient retrouvés dans la chair des pommes, suggérant une organisation spatio-temporelle de la voie de biosynthèse des chaetoglobosines.
Origine : Version validée par le jury (STAR)