Comparative genomics of microsporidia : a new species description, taxonomic delimitation and the origin of genome architectures

Abstract

Microsporídios são organismos peculiares, parasitas intracelulares obrigatórios rela- cionados aos fungos. Desde a descoberta desses organismos, sua classificação e origem é controversa, pois sua estrutura e morfologia celular são muito distintas de outros or- ganismos. As rápidas taxas evolutivas dos microsporídios, bem como a simplificação fisiológica, dificultaram posicioná-los na árvore da vida. Embora através da filogenômica tenha sido possível mostrar que os microsporídios são na verdade derivados de fungos muito ancestrais, ainda há dificuldades em classificá-los ao nível de gênero e espécie. Aqui caracterizamos o genoma e descrevemos uma nova espécie de microsporídio que infecta o crustáceo Daphnia longispina, Ordospora pajunii. A utilização da Identidade Nucleotídica Média (ANI) contra o genoma da espécie mais próxima filogeneticamente, O. colligata, foi decisiva para atribuir esse novo genoma caracterizado a uma nova espécie. Também testamos a utilização de ANI para um número maior de genomas de microsporídios e mostramos que essa métrica permite medições confiáveis e fáceis para a delimitação de espécies de microsporidíos. Assim como em procariotos e leveduras, ANI de 95% emergiu como um bom valor de corte para distinguir entre espécies de microsporídios, com valores próximos a 95% abertos a um julgamento qualitativo. Propomos que ANI seja incorporado na classificação taxonômica de microsporídios sempre que o genoma completo ou mesmo incompleto estiver disponível, em combinação com dados morfológicos e ecológicos. Os genomas de microsporídios também podem ser altamente variáveis em termos de tamanho e arquitetura. Testamos se o modo de transmissão ao hospedeiro (horizontal ou vertical) influencia na estrutura genética das populações a ponto de causar diferenças significativas no tamanho do genoma. Mostramos que, como os microsporídios com transmissão vertical provavelmente sofrem de gargalos populacionais recorrentes, o poder da seleção natural é reduzido permitindo o acúmulo de sequências levemente deletérias como Elementos de Transmposição (TEs) nos genomas através de deriva genética, conforme proposto pela Hipótese de Risco Mutacional (MHH). Por fim, caracterizamos o mobiloma de genomas de microsporídios e mostramos que espécies transmitidas verticalmente possuem genomas maiores e com maior proporção de TEs. Ainda há muito o que explorar na biologia dos microsporídios. A correta identificação e classificação das espécies é essencial para o estudo da diversidade e evolução dos microsporídios, e a genética populacional bem como a genômica comparativa são ferramentas poderosas para entender melhor padrões macro e microevolutivos.

Microsporidia are unique organisms, obligatory intracellular parasites related to fungi. Since the discovery of these organisms, their classification and origin has been controversial because their cell structure and morphology are very distinct from other organisms. The rapid evolutionary rates of microsporidia, as well as their physiological simplification, made it difficult to position them in the tree of life. Although it was possible to show through phylogenomics that microsporidia are actually derived from very ancestral fungi, there are still difficulties in classifying them at the level of genus and species. Here we characterized the genome and described a new microsporidian species that infects the crustacean Daphnia longispina, Ordospora pajunii. The use Average Nucleotide Identity (ANI) against the genome of its closest relative, O. colligata, was decisive to assign this newly characterized genome to a new species. We also tested ANI for a larger number of microsporidian genomes, and showed that this genome relatedness metric allows reliable and easy measurements to assess species boundaries in Microsporidia. As for prokaryotes and yeasts, the 95% of ANI emerged as a good cutoff value to distinguish between microsporidian species, with values close to the critical point open to qualitative judgment. We propose ANI to be incorporated in taxonomic classification of microsporidia whenever a draft or complete genomes are available, in combination to morphological and ecological data. Microsporidian genomes can also be highly variable in terms of size and architecture. We have tested whether the mode of transmission between hosts (horizontal or vertical) influences the genetic structure of populations to the point of causing significant differences in genome size. We showed that because microsporidia with vertical transmission probably suffer from recurrent population bottlenecks the power of natural selection is reduced, leading to the accumulation of mildly deleterious mutations such as Transposable Elements (TEs) in genomes by genetic drift, as proposed by mutational hazard hypothesis (MHH). Finally, we characterize the mobilome of microsporidian genomes and have showed that species that are vertically transmitted have larger genomes with higher proportion of TEs. There is still much to explore in the biology of microsporidia. The correct species identification and classification is essential for the study of diversity and evolution of microsporidia, and population genetics as well as comparative genomics are powerful tools better understand both macro- and microevolutionary patterns.