Alterations in gene expression and secondary metabolite production during development of Aspergillus nidulans

Abstract

Viele Studien beschreiben Entwicklung und Sekundärmetabolismus des filamentösen Pilzes Aspergillus nidulans, was zu einem besseren Verständnis der Regulation des Sekundärmetabolismus von Pilzen auf molekularer Ebene beisteuert. Dennoch muss ein umfassendes Bild dieser Regulation noch gezeigt werden. Aus diesem Grund geben wir in dieser Arbeit einen ausführlichen Überblick von Transkriptom und Metabolom, welcher die Antworten der lichtabhängigen Entwicklung dieses bodenbürtigen Pilzes aufzeigt. Licht begünstigt die Entwicklung asexueller Sporen und hemmt die Entstehung sexueller Fruchtkörper (Kleistothetien), die bevorzugt im Dunkeln gebildet werden. Insgesamt werden 2.014 Gene, was etwa 20 % dessen Genom entspricht, während unterschiedlicher Entwicklungsphasen in Licht und Dunkelheit differenziell exprimiert und beeinflusst. Licht kontrolliert die Entwicklung, indem es die Genexpression während 24-48 Stunden der Entwicklung erheblich induziert. Die gezielte Repression von Lichtsensor-Komplexen in der frühen sexuellen Entwicklung könnte die Genexpression und schließlich die Differenzierung des Pilzes verzögern. Die erhöhte Anzahl verzögerter Gene während der sexuellen Differenzierung zeigt eine zeitliche Übereinstimmung mit der sekundär induzierten und verzögerten Bildung von Konidien bei sexueller Entwicklung. Interessanterweise zeigen die Transkriptome vom vegetativen Wachstum und der frühen sexuellen Entwicklung ähnliche Expressionsmuster auf, was sich in den äußerst ähnlichen Phänotypen beider Phasen widerspiegelt. Ein charakteristisches Merkmal während der späten Phase asexueller Sporenbildung im Licht stellt die Expression von Genen für die Antwort auf Stress dar. Dadurch könnten Resistenzen gegenüber verschiedensten abiotischen Stressbedingungen, einschließlich UV-Bestrahlung and daraus entstehende reaktive Sauerstoffspezies, in den luftverbreiteten Konidien gebildet werden. Die Entwicklung der Pilze ist von psi (precocious sexual inducer) Faktoren, welche Prostaglandin verwandte Oxylipin-Hormone sind, abhängig. PsiC1(5,8-DiHOE) erscheint spezifisch während der frühen sexuellen Entwicklung in Dunkelheit. Im Laufe der sexuellen Entwicklung aktiviert A. nidulans viele Gene für den Zellwandabbau, einschließlich Gene für den Abbau von Pflanzen- und Bakterienzellwand sowie für die Hydrolyse von Polysacchariden. Dadurch könnten Energie und die Grundbausteine für die erfolgreiche Fertigstellung sexueller Fruchtkörper während Nährstoffmangelbedingungen mobilisiert wird. Während der späten sexuellen Entwicklung sind Sekundärmetaboliten vorhanden, welche den Schutz der Fruchtkörper und Askosporen z. B. gegen Fressfeinde gewährleisten und daher den Askosporen beim Keimen in Anwesenheit einer geringeren Anzahl von Mitstreitern unterstützt. Das Emericellamide C Metabolit wird ausgeschieden bevor die Reifung der Kleistothecien und die sexuelle Entwicklung abgeschlossen sind. Viele herunter regulierte Gene für die Synthese von Aminosäuren und die geringe Anreicherung zellulärer Aminosäuren in der späten sexuellen Entwicklung spiegeln einen Ruhezustand wider, bei welchem die Translation aufgrund des Mangels an Aminosäuren gestoppt wurde. Der Pilz initiiert den programmierten Zelltod in der späten sexuellen Entwicklung durch die Expression von Apoptose-Genen, welche mit einem Alterungsprozess einhergeht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass während der lichtabhängigen Entwicklung des Pilzes ein beachtlicher Teil des Genoms (20 %) durch das Lichtsignal beeinflusst wird. Dieses führt zu verschiedenen Antworten einschließlich der Produktion von Sekundärmetaboliten und anderen Anpassungen, welche es zusammengenommen dem Pilz ermöglichen sich anzupassen und in den vorherrschenden Umweltbedingungen zu überleben.