Phylogénomique des eucaryotes : la branche holomycota

Deep eukaryotic phylogenomics : the holomycota branch

• Auteur / Autrice : Luis Javier Galindo González
• Direction : Purificación López-García, David Moreira
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 11/06/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie, Société et Evolution (Orsay, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Fairhead
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Silar, Ingrid Lafontaine, Ramon Massana, Tom Richards
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Silar, Ingrid Lafontaine
• DOI : 10.70675/c372f454zda6dz4820zb255z176dd65f68a1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champignons microscopiques

Phylogénie

Microorganismes

Génomique comparative

Mots clés libres

Cellule unique génomique

Microorganismes

Phylogénomique

Holomycota

Fungi

Single cell genomics

Microeukaryotes

Phylogenomics

Holomycota

Fungi

Résumé

La plupart de la diversité biologique est en réalité microbienne. L'arbre phylogénétique des eucaryotes comprend plusieurs grands supergroupes monophylétiques, dont les Opisthokonta. Ce groupe comprend deux branches, les Holozoa, qui inclut les animaux, et les Holomycota, qui regroupe les champignons et leurs parents unicellulaires. Bien que les champignons multicellulaires soient bien connus, nos connaissances sur la diversité des champignons unicellulaires et de leurs parents phylogénétiques restent limitées. Cette fraction unicellulaire comprend plusieurs lignées zoosporiques (par exemple chytrids) au sein des champignons, mais aussi une variété de lignées liées aux champignons classiques : les nucleariids, les rozellids, les aphelids et les microsporidies. Cependant, les relations phylogénétiques de ces lignées entre elles et avec les champignons restent à établir solidement. Les arbres phylogénétiques des gènes d'ARNr 18S environnementaux montrent une grande diversité d'Holomycota unicellulaires dans la plupart des écosystèmes terrestres. Cependant, le signal phylogénétique de ce gène est limité et ne permet pas de résoudre la plupart des relations phylogénétiques profondes. Au cours des dernières années, les techniques à haut débit ont permis de séquencer des centaines de nouveaux génomes et transcriptomes. Cela a permis de réaliser des études phylogénomiques multi-gènes, qui augmentent le signal disponible pour résoudre les relations évolutives. Néanmoins, la plupart de ces génomes correspondent à des espèces fongiques faciles à cultiver, souvent avec un intérêt particulier pour l'homme. Actuellement, les approches de type « omique » à partir des cellules uniques se révèlent comme potentiellement utiles pour étudier les eucaryotes unicellulaires non cultivés, en permettant de reconstruire des analyses phylogénétiques robustes d'une grande diversité environnementale à l'aide de données génomiques et transcriptomiques. Au cours de mon travail de doctorat, j'ai appliqué des approches de « cellule unique » pour obtenir des informations phylogénétiques à partir de lignées Holomycota divergentes, clarifier les relations phylogénétiques entre les champignons et ses proches parents et inférer l'évolution de leurs traits. Plus précisément, j'ai utilisé cette approche pour :1) Générer des données génomiques et transcriptomiques pour les nucleariids et mieux reconstruire les relations internes dans le clade et les caractères présents dans leur ancêtre. Nos résultats confirment que les genres de protistes à thèque Pompholyxophrys et Lithocolla sont en effet des nucleariids et branchent avec Nuclearia, Parvularia et Fonticula. La reconstruction d'une phylogénie robuste de ce groupe nous a permis d’inférer les traits (par exemple pas de flagelle) ancestraux du groupe. 2) Séquencer et analyser de manière comparative le génome de Metchnikovella incurvata, pour confirmer sa position relativement basale dans Microsporidia et déterminer les synapomorphies du clade. L'analyse phylogénomique du metchnikovellid Metchnikovella incurvata a confirmé que des Metchnikovellidae branchent à la base des Core-Microsporidia. Nous avons également confirmé que leur profil métabolique était plus similaire à celui des Core-microsporidia, tous deux ayant réduit de manière similaire leurs gènes / fonctions. 3) Générer des données génomiques pour Amoeboradix gromovi et Sanchytrium tribonematis, qui forment le clade des sanchytrides, une nouvelle lignée de champignons zoosporiques identifiée récemment, et résoudre leur position phylogénétique. L'étude des deux génomes de sanchytrids a clarifié leur placement au sein des Fungi en tant que nouvelle groupe frère des Blastocladiomycota. Des analyses génomiques comparatives montrent que leur métabolisme est réduit par rapport aux lignées apparentées. En particulier, le système flagellaire est fortement réduit par rapport à d'autres Holomycota, avec 4 événements indépendants de perte de flagelle dans le clade.

Despite the astonishing diversity of plants, animals and macroscopic fungi, most eukaryotic diversity is actually microbial. The eukaryotic tree comprises several large monophyletic supergroups. One of these groups is the Opisthokonta, which encompasses two branches, Holozoa, including animals, and Holomycota, grouping Fungi and their unicellular relatives. While multicellular fungi are well known, knowledge on the diversity of unicellular Fungi and their phylogenetic relatives is still poor. This unicellular fraction includes several zoosporic lineages (e.g. Chytridiomycota and Blastocladiomycota) within Fungi, but also a variety of lineages related to the classical core Fungi: nucleariids, rozellids, aphelids and Microsporidia. However, the phylogenetic relationships of these lineages among them and with classical Fungi remain to be solidly established. Molecular phylogenetic trees of 18S rRNA genes retrieved from environmental studies have showed a wide diversity of unicellular holomycotans in almost all environments on Earth. However, the phylogenetic signal of this gene is limited and does not allow robustly resolving most deep phylogenetic relationships. During past years, high-throughput techniques have allowed sequencing hundreds of new genomes and transcriptomes. This has made possible to carry out multi-gene phylogenomic studies, which increase the available signal to resolve evolutionary relationships. Nevertheless, most sequenced genomes correspond to easy-to-culture fungal species, often with particular interest for humans (e.g. parasites, plant symbionts, yeast). Recently, single-cell omics has become a potential useful approach to study uncultured unicellular eukaryotes, making it possible to reconstruct robust phylogenetic analyses of a wide environmental diversity using genomic and transcriptomic data. During my PhD work, I have applied single-cell techniques to get phylogenetic information from divergent holomycotan lineages, clarify phylogenetic relationships among fungi and their close relatives and infer trait evolution. More specifically, I have used this approach to: 1) Generate genomic and transcriptomic data for nucleariids and better reconstruct inner relationships in the clade and the characters present in the nucleariid ancestor. Our results confirm that the cover-bearing unicellular genera Pompholyxophrys and Lithocolla are indeed nucleariids and branch together with Nuclearia, Parvularia and Fonticula. The reconstruction of a robust phylogeny for the group allowed us to infer the traits (e.g. no flagellum, glycocalyx, no cover) already present in their ancestor. 2) Sequence and comparatively analyze the genome of Metchnikovella incurvata, to confirm its relatively basal position within Microsporidia, and determine synapomorphies for the clade. Phylogenomic analysis of the metchnikovellid Metchnikovella incurvata confirmed that Metchnikovellidae branch at the base of Core-Microsporidia. We also confirmed their metabolic profile to be more similar to Core-microsporidia, being both similarly reduced in genes/functions. 3) Generate genomic data for Amoeboradix gromovi and Sanchytrium tribonematis, which form the newly described zoosporic fungal clade of sanchytrids, and resolve their phylogenetic position. The study of the two sanchytrid genomes clarified their placement within Fungi as a new clade sister to Blastocladiomycota. Comparative genomics showed that their metabolic composition was reduced in comparison with related lineages. This reduction was especially important in their flagellar toolkit when compared with other Holomycota, confirming 4 independent flagellum loss events in the clade.