 |
Genome chimerisation in alloploid genomes of yeast interspecies hybrids
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124417 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Sipiczki, Mátyás |
| Title in Hungarian |
Genom-kimerizálódás élesztőgombák alloploid fajközötti hibridjeiben |
| Title in English |
Genome chimerisation in alloploid genomes of yeast interspecies hybrids |
| Keywords in Hungarian |
élesztőgomba, hibridizálódás, genom, evolúció, genomika |
| Keywords in English |
yeast, hybridisation, genome, evolution, genomics |
| Discipline |
| Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (Council of Medical and Biological Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology |
| Department or equivalent |
Department of Genetics and Applied Microbiology (University of Debrecen) |
| Participants |
Antunovics, Zsuzsa
Csoma, Hajnalka
Kállai, Zoltán
Pfliegler, Valter Péter
|
| Starting date |
2017-09-01 |
| Closing date |
2021-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
34.944 |
| FTE (full time equivalent) |
7.24 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A fajközti keresztezés során eltérő fajok egyedei hibridizálódnak. A hibridekből új fajok keletkezhetnek, de genomátrendeződéseken keresztül kiméra-genomok is kialakulhatnak, amelyek különböző eredetű génekből állnak. Gyakoribb a növényeknél, mint az állatoknál. A gombáknál ritka a mindkét faj teljes genomját tartalmazó alloploid hibrid. Az esetek többségében a hibridizálódást követően a genomok mérete lecsökken és kimerizálódik. A genomkimerizálódás folyamata még feltáratlan a gombáknál, mivel az eddigi kutatások a természetes forrásokból izolált stabil genomú kiméra törzsek genomszerkezetét vizsgálták csupán. Elsőként a laboratóriumunk kezdte vizsgálni az instabil hibrid genomtól a stabil kiméra-genomhoz vezető folyamatot. Kiderítettük, hogy a Saccharomyces fajokat egy kettős sterilitási barrier izolálja egymástól. A barrier esetenként lebontható, aminek a mechanizmusát szintén feltártuk. A fertilissé válás után az alloploid genom fokozatosan kromoszómákat veszít elsősorban a résztvevő fajok egyikének genomjából. Az egymást követő meiozisok során lejátszódó genomredukció és -kimerizáció mechanizmusára egy modellt dolgoztunk ki, ami a kromoszómavesztés lehetőségeit és korlátaik azzal magyarázza, hogy a homeológ kromoszómák részben eltérő génkészlettel rendelkeznek. Ebben a projektben a modell helyességét fogjuk vizsgálni négyféle módon: kromoszóma-specifikus markergének és mikroszatellitek szegregációjának elemzésével, elektroforetikus kariotipizálással, genom-szekvenálással valamint a mitokondriális genomok elemzésével. Mivel egyes természetes eredetű törzsekben kettőnél több fajból származó gének is előfordulnak, megkísérelünk hibrideket három fajból is létrehozni.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Fajok közötti hibridizálódás ritkábban fordul elő a gombáknál mint a növényeknél, és általában alloaneuploidok és két vagy több faj génjeivel rendelkező genomi kimérák létrejöttéhez vezet. Bár sok olyan törzset vizsgáltak már, amelyben ősi hibridizálódások nyomaira bukkantak, meglepően keveset lehet tudni arról, hogy miként jöhettek létre az ilyen törzsek. Laboratóriumunk volt az első, amely Saccharomyces élesztőknél elkezdte kísérleti úton tanulmányozni a genomredukció és –kimerizáció jelenségét. Feltártuk a hibridek sterilitását biztosító mechanizmust, és kimutattuk, hogy allotetraploidokban a sterilitási barrier lebontható a mating-type heterozygótaság elvesztésével. Megállapítottuk, hogy a fertilitás visszaszerzése után a hibrid rohamosan kromoszómákat veszit az egyik társgenomból, és a genomja fokozatosan átalakul egy kisebb méretű kiméra-genommá. A jelenség magyárázatára egy modellt javasoltunk, ami abból indult ki, hogy a homeológ kromoszómák génkészlete részben eltérő és hogy gyakran képződnek életképtelen spórák (gaméták). Feltételezzük a modellben, hogy a kromoszómák véletlenszerű elvesztése létfontosságú gének vesztésével járhat. Sokkal kevésbé kockázatos a spórák életképessége szempontjából, ha a kromoszómák zömmel ugyanabból a társgenomból vesznek el. Ebben a projektben a modellt fogjuk tesztelni a következő kérdések megválaszolásával: mely kromoszómakombinációk elvesztése megengedhető és melyeké letális, a letális hatású kombinációk valóban esszenciális gének vesztésével járnak-e, részt vesznek-e alloszindézises rekombinációs események is a kimerizációban, befolyásolhatja-e a mitokondriális genom a nukleáris genom kimerizációs folyamatát?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A posztzygotikus genomi változásokat még kevéssé ismerjük a gombák fajközötti hibridjeiben. Noha ritkák a valódi hibridek, amelyek a hibridizálódó fajok teljes genomjaival rendelkeznek, számos gombacsoportban sikerült fajközötti hibridizálódásra utaló nyomokat találni. A legismertebb példák a nagyon változatos genomszerkezetű hibrid fajoknak tartott Saccharomyces pastorianus (szin. S. carlsbergensis) és S. bayanus, valamint a S. cerevisiae egyes borászati törzsei, amelyek genomjai két vagy több nem-hibrid faj genom-mozaikjait is tartalmazzák. Noha számos ilyen törzs genomszerkezetét jellemezték már, létrejöttük lehetséges mechanizmusát nem vizsgálták, mielőtt mi elkezdtük tanulmányozni az általunk laboratóriumban létrehozott “szintetikus” Saccharomyces hibridek genomjainak változását. Feltártuk a fajok reproduktív izolálásának egy új mechanizmusát, ami nagyon eltérő a növényekben ismertektől. A Saccharomyces fajokat egy kettős sterilitási barrier választja el egymástól, amelyben a mating-type heterozygótaság viszi a vezető szerepet. A hibridek sterilek, de fertilissé válhatnak, ha elveszítenek egy olyan kromoszómát, amely párosodási típust meghatározó lókuszt hordoz. Az ilyen meglehetősen ritka esemény ára a genom destabilizálódása. Rohamosan lecsökken a mérete és kimerizálódik. A mostani projekt célja ezen genomi események alaposabb megismerése. A folyamat jobb megértése minden bizonnyal elő fogja segíteni az élesztő-genomok és -kromoszómák evolúciójának, valamint a hibridfajok kialakulásának kutatását. Mivel a destabilizálódott alloploid hibridekből képződő genomi kimérák genomjai általában egy faj teljes vagy majdnem teljes genomjából és egy másik faj génjeinek kisebb csoportjából állnak, a folyamat tulajdonképpen horizontális géntranszfernek is tekinthető. Mint ilyen, lehetővé teszi új fenotípusok kialakítását és ipari törzsek genetikai módosítását GMO technológia alkalmazása nélkül. A project hozzájárul fiatal kutatók képzéséhez is, mivel egyes munkafeladatok megvalósításába hallgatókat és egy doktoranduszt is bevonunk.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az azonos fajba tartozó szervezetek csak egymással tudnak szaporodni, más fajok egyedeivel nem. Fajok közötti hibridek ritkán jönnek létre a természetben. Gyakoribbak a növényeknél, mint az állatoknál. A gombáknál nagyon ritka a mindkét faj teljes genomját tartalmazó hibrid. Esetükben a hibridizálódást követően a genomok mérete csökken és kimerizálódik. A genomkimerizálódás folyamata még feltáratlan a gombáknál, mivel az eddigi kutatások a természetes forrásokból izolált stabil genomú kiméra törzsek genomszerkezetét vizsgálták csupán. Elsőként a laboratóriumunk kezdte vizsgálni az instabil hibrid genomtól a stabil kiméra-genomhoz vezető folyamatot. Kiderítettük, hogy a Saccharomyces fajokat egy kettős sterilitási barrier izolálja egymástól. A barrier esetenként lebontható, aminek a mechanizmusát szintén feltártuk. A fertilissé válás után az alloploid genom fokozatosan kromoszómákat veszít elsősorban a résztvevő fajok egyikének genomjából. Az egymást követő meiozisok során lejátszódó genomredukció és -kimerizáció mechanizmusára egy modellt dolgoztunk ki, ami a kromoszómavesztés lehetőségeit és korlátaik azzal magyarázza, hogy a homeológ kromoszómák részben eltérő génkészlettel rendelkeznek. Ebben a projektben a modell helyességét fogjuk vizsgálni négy, egymást kiegészítő módon: kromoszóma-specifikus markergének és mikroszatellit-lókuszok szegregációjának elemzésével, elektroforetikus kariotipizálással, genom-szekvenálással valamint a mitokondriális genomok elemzésével. Mivel egyes természetes szubsztrátumokból izolált törzsekben kettőnél több fajból származó gének is előfordulnak, megkísérelünk hibrideket három fajból is létrehozni.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Interspecific hybridisation is a process of interbreeding between individuals of different species. It can lead to speciation or through complex genome rearrangements to chimeric genomes consisting of genes originating from different species. It is more common in plants than in animals. In fungi, true hybrids with balanced alloploid genomes are very rare. The fungal hybrids usually undergo postzygotic genome reduction and chimerisation. Genome chimerisation is an unexplored field of fungal biology, as previous research focused only on the characterization of genome structures of chimerical strains of stabilized genomes. Our laboratory was the first to investigate the process leading from the usually unstable hybrid genome to stable chimerical genomes. We revealed that the Saccharomyces species are biologically isolated by a double sterility barrier, and described a mechanism by which the barrier can occasionally be broken down and then the alloploid genome gradually and preferentially (but not exclusively) loses chromosomes of one of the species. We proposed a model for the mechanism governing the reduction and chimerisation of the hybrid genome in series of meiotic divisions. It explains the limits and possibilities with differences in gene contents between the homeologous chromosomes. Here we will test the model by four complementary experimental approaches: segregation of marker genes and microsatellites of the chromosomes, electrophoretic karyotyping, whole-genome sequencing, analysis of mitochondrial genomes. As certain chimeric strains isolated from natural substrates have genes from more than two species, we will also attempt to construct three-species hybrids.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Interspecific hybridisation occurs in fungi less frequently than in plants and usually results in alloaneuploids and genomic chimeras containing genes from two or more species. Although many strains with traces of ancient interspecies hybridisation events have been characterized over the past two decades, astonishingly little is known about how they might have arisen. Our laboratory was the first to investigate the process of genome reduction and chimerisation by experimental approach in Saccahromyces yeasts. We revealed the mechanisms underlying hybrid sterility and the break-down of the sterility barrier by the loss of mating-type heterozygosity in allotetraploids. We found that upon regaining fertility, the hybrid rapidly loses chromosomes preferentially from one of the subgenomes and its alloploid genome gradually converts into a much smaller chimerical genome. We proposed a model for the mechanism of this process which was based on the different gene contents of the homeologous chromosomes and the high number of dead spores (gametes). We assume in the model that the accidental loss of chromosomes from the subgenomes can eliminate essential genes, whereas the loss of chromosomes from the same subgenome is much less risky for the viability of the spores. In this project we will test the model by seeking answers to the following questions: the loss of which combinations of parental chromosomes are allowed and which are lethal, do the lethal combinations of chromosome losses eliminate essential genes, does allosyndetic recombination contribute to genome chimerisation, does the mitochondrial genome affect the chimerisation of the nuclear genome?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The mechanism of postzygotic genomic changes in the interspecies fungal hybrids is poorly explored. True hybrids with complete genomes from the hybridizing species are rare but traces of interspecies hybridisation have been detected in several groups of fungi. The best characterized examples are the brewery yeasts assigned to the highly heterogeneous, so-called “hybrid species” Saccharomyces pastorianus (syn. S. carslbergensis) and S. bayanus which have diverse alloaneuploid genomes and certain S. cerevisiae wine strains harbouring mosaics of genomes of two or more related non-hybrid species. Although many such strains have been characterized, the mechanisms by which such genomes might have arisen had not been investigated before we started investigating the genomic changes in laboratory-made “synthetic” interspecies Saccharomyces hybrids. We found a novel mechanism of reproductive isolation of species which is very different from those operating in plants. The Saccharomyces species are reproductively isolated by a double sterility barrier, in which mating-type heterozygosity plays the leading role. The hybrids are sterile but can regain fertility if they lose a chromosome carrying one of the loci determining the mating-type. The price of this rather rare event is the destabilization of the genome manifested in gradual genome reduction and chimerisation. This projects aims at a deeper insight in these genomic events. The better understanding of the process will surely facilitate the research of the evolution of yeast genomes and chromosomes and hybrid speciation in general. As the chimeric genomes arising from the destabilized alloploid hybrids usually consist of a complete or nearly complete genome of one species and only a small subset of genes from the other species, this process is de facto horizontal gene transfer. It allows the generation of lineages with novel phenotypes and thus the modification of industrial strains without the application of GMO technology. The project will also contribute to the education and training of young researchers by involving students and a PhD student in the implementation of certain worktasks.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Organisms belonging to a species interbreed with each other but are sexually isolated from individuals of other species. Interspecies hybridisation occurs rarely in nature. It is more common in plants than in animals. In fungi, true hybrids with balanced biparental genomes are very rare. The fungal hybrids usually undergo postzygotic genome reduction and chimerisation. Genome chimerisation is an unexplored field of fungal biology, as previous research focused only on the characterization of genome structures of chimerical strains of stabilized genomes. Our laboratory was the first to investigate the process leading from the usually unstable hybrid genome to stable chimerical genomes. We revealed that the Saccharomyces species are biologically isolated by a double sterility barrier, and described a mechanism by which the barrier can occasionally be broken down and then the alloploid genome gradually and preferentially (but not exclusively) loses chromosomes of one of the species. We proposed a model for the mechanism governing the reduction and chimerisation of the hybrid genome in series of meiotic divisions. It explains the limits and possibilities with differences in gene contents between the homeologous chromosomes. Here we will test the model by four complementary experimental approaches: segregation of marker genes and microsatellite loci of the chromosomes, electrophoretic karyotyping, whole-genome sequencing, and analysis of mitochondrial genomes. As certain chimeric strains isolated from natural substrates have genes from more than two species, we will also attempt to construct three-species hybrids.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Karanyicz E, Antunovics Z, Kallai Z, Sipiczki M.: Non-introgressive genome chimerisation by malsegregation in autodiploidised allotetraploids during meiosis of Saccharomyces kudriavzevii x Saccharomyces uvarum hybrids., Appl Microbiol Biotechnol. 101(11):4617-4633., 2017 | | Antunovics, Z., Czentye, K., Hostyioczky, A., Sipiczki, M: Molecular genetic analysis of syntehtic Saccharomyces cerevisiae x S. kudriavzevii x S. uvarum three-species hybrids with emphasis on the inheritance of mitochondria, 45th Annual Conference on Yeast, p. 39, 2018 | | Szabo, A., Antunovics, Z., Karanyicz, E., Sipiczki, M.: Inheritance of mitochondrial DNA in fertile synthetic Saccharomyces cerevisiae x Saccharomyces uvarum interspecific hybrids and in their offspring, 45th Annual Conference on Yeast, p. 60, 2018 | | Sipiczki, M.: Interspecies hybridisation and genome chimerisation in Saccharomyces: Combining of gene pools of species and its biotechnological perspectives., Front. Microbiol., 2018 | | Sipiczki, M.: Yeast two- and three-species hybrids and high-sugar fermentation., Microb Biotechnol., 2019 | | Antunovics, Z., Karanyicz, E., Szabo, A., Pfliegler, W.P., Sipiczki, M.: Synthetic two- and three-species hybridisation in Saccharomyces: non-introgressive genome chimerisation and mitochondrial inheritance., 34th International Specialised Symposium on Yeasts. Bariloche, Argentina. Book of Abstracts p. 128., 2018 | | Antunovics, Z., Simon, D., Czentye, K., Sipiczki, M.: Mass-mating hybridisation of three Saccharomyces species and the molecular genetic analysis of the „cekudvarum” strains., 46th Annual Conference on Yeasts, Smolenice May 7-10, Program and Abstracts p.42, 2019 | | Csoma, H., Antunovics, Z., Sipiczki, M.: Comparative physiological studies of a Saccharomyces kudvarum and some cekudvarum hybrids., 46th Annual Conference on Yeasts, Smolenice May 7-10, Program and Abstracts p.70, 2019 | | Szabo, A., Antunovics, Z., Sipiczki, M.: Mysterious mtDNA: does it change during meiosis of interspecific Saccharomyces hybrids and does it affect the stress response?, 46th Annual Conference on Yeasts, Smolenice May 7-10, Program and Abstracts p.75, 2019 | | Sipiczki, M.: Yeast two- and three-species hybrids and high-sugar fermentation., Microb Biotechnol., 2019 | | Szabó, A., Antunovics, Z., Karanyicz, E., Sipiczki, M.:: Diversity and postzygotic evolution of the mitochondrial genome in hybrids of Saccharomyces species isolated by double sterility barrier., Front. Microbiol. 11:838., 2020 | | Sipiczki, M:: Metschnikowia pulcherrima and related pulcherrimin-producing yeasts: Fuzzy species boundaries and complex antimicrobial antagonism., Microorganisms. 8:1029, 2020 | | Sipiczki, M., Antunovics, Z., Szabo, A.:: MAT heterozygosity and the second sterility barrier in the reproductive isolation of Saccharomyces species., Curr. Genet. 66:957-969, 2020 | | Sipiczki, M., Antunovics, Z., Szabo, A.:: Break-down of the reproductive isolation of Saccharomyces species: A novel way to breed industrial yeasts., FEMS Online Conference on Microbiology. Beograd, October, 28-31, Electronic Abstract Book p. 166, 2020 | | Antunovics, Z., Czentye, K., Szabo, A., Sipiczki, M.:: Examination of the Inheritance of mtDNA and Nuclear DNA in Three-Species Interspecific Saccharomyces Hybrids Produced by Mass-mating., The 35th International Specialized Symposium on Yeasts. Antalya October 21-25, Proceedings Book p. 147, 2019 | | Sipiczki, M., Antunovics, Z., Szabo, A.:: Postzygotic Genome Evolution in Saccharomyces Interspecies Hybrids., The 35th International Specialized Symposium on Yeasts. Antalya October 21-25, Proceedings Book p. 44,, 2019 | | Szabó, A., Antunovics, Z., Karanyicz, E., Sipiczki, M.:: Diversity and postzygotic evolution of the mitochondrial genome in hybrids of Saccharomyces species isolated by double sterility barrier., Front. Microbiol. 11:838., 2020 | | Sipiczki, M., Antunovics, Z., Szabo, A.:: MAT heterozygosity and the second sterility barrier in the reproductive isolation of Saccharomyces species., Curr. Genet. 66:957-969, 2020 | | Sipiczki, M:: When barcoding fails: genome chimerisation (admixing) and reticulation obscure phylogenetic and taxonomic relationships., Molecular Ecology Resources (accepted for publication), 2021 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
