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Doctoral Thesis
Full name
Flávia Rogério
Knowledge Area
Date of Defense
Piracicaba, 2019
Júnior, Nelson Sidnei Massola (President)
Pereira, Alessandro Alves
Verdi, Maria Carolina Quecine
Vitorello, Claudia Barros Monteiro
Title in English
Population genetics of Colletotrichum truncatum associated with soybean anthracnose
Keywords in English
Genetic diversity
Genetic lineages
Multilocus microsatellite typing
Soybean disease
Whole genome sequencing
Abstract in English
The soybean crop is one of the main agricultural crops, with high global economic relevance. The large area under soybean cultivation in Brazil, including the incorporation of new areas in the northern and midwestern regions, mostly under monoculture and non-tillage system, has been affected the prevalence and the intensity of diseases. Among these, one of most prominent is anthracnose, mainly associated with the fungal species Colletotrichum truncatum. Knowledge of the genetic structure of plant pathogen populations can be used to infer their life histories and the evolutionary processes that shape populations in the agroecosystems, which can help to implement effective disease management strategies. However, the genetic structure of C. truncatum populations associated with soybean remains unknown. We collected C. truncatum isolates from 10 sites representing two of main areas of soybean producing in Brazil and used microsatellite markers and whole-genome sequencing to investigate the population biology and evolutionary history of this important pathogen. The multilocus microsatellite typing of 237 isolates revealed high gene and haplotypic diversity within populations, as well low genetic differentiation and sharing of multilocus haplotypes among populations and regions. In addition, three distinct genetic clusters were detected, coexisting in syntopy in the soybean fields, without evidence of admixture between them. Such finding suggesting that Brazilian C. truncatum populations resulted from at least three founder events, which led to three genetic lineages that spread throughout the country. However, the genetic makeup of these lineages remains unknow, and their extreme geographic proximity raises the question of the maintenance of their genetic integrity in the face of admixture. In order to gain insights into the evolutionary history of C. truncatum lineages and to investigate in more details the possibility of a lack of genetic exchanges between them, we employed a population genomic approach. For that, we produced a draft genome sequence of a typical strain of the species associated with soybean anthracnose, which was used as the reference genome. Eighteen representative C. truncatum isolates from the three lineages were submitted to whole genome sequencing, aligned against the reference genome, and variants were identified. Our population genomic analyzes revealed that the genetic structure of C. truncatum pathogen causing soybean anthracnose is formed by three deeply divergent lineages with levels of genetic diversity consistent with repeated introduction events for each lineage. We also found evidence for sexual recombination within and between lineages, with multiples isolates displaying signatures of admixture. Our findings support a scenario in which the three lineages initially diverged in allopatry before experiencing hybridization following secondary contact. Monitoring of the pathogen's diversity over time is needed to reveal whether these lineages maintain or fuse, which can impact the disease control methods currently employed.
Title in Portuguese
Genética populacional de Colletotrichum truncatum associado à antracnose da soja
Keywords in Portuguese
Diversidade genética
Doença da soja
Linhagem genéticas
Sequenciamento genômico completo
Tipagem de microssatélites multilocus
Abstract in Portuguese
A soja é uma das principais culturas agrícolas, com alta relevância econômica global. A grande área sob cultivo de soja no Brasil, incluindo a incorporação de novas áreas nas regiões norte e centro-oeste, principalmente sob monocultura e plantio direto, tem afetado a prevalência e a intensidade das doenças. Entre elas, uma das mais proeminentes é a antracnose, principalmente associada à espécie fúngica Colletotrichum truncatum. O conhecimento da estrutura genética das populações de patógenos de plantas pode ser usado para inferir suas histórias de vida e os processos evolutivos que moldam as populações nos agroecossistemas, o que pode ajudar a implementar estratégias eficazes de manejo da doença. No entanto, a estrutura genética das populações de C. truncatum associadas à soja permanece desconhecida. Coletamos isolados de C. truncatum em 10 áreas, representando duas principais regiões produtoras de soja no Brasil. Utilizamos marcadores microssatélites e sequenciamento do genoma completo para investigar a biologia populacional e a história evolutiva desse importante patógeno. A tipagem de microssatélites multilocus de 237 isolados revelou alta diversidade genética e haplotípica nas populações, bem como baixa diferenciação genética e compartilhamento de haplótipos entre populações e regiões. Além disso, foram detectados três grupos genéticos distintos, coexistindo nas mesmas áreas, sem evidência de mistura entre eles. Isto sugere que as populações C. truncatum no Brasil resultaram de pelo menos três eventos fundadores, o que levou á formação das três linhagens genéticas que se espalharam pelo país. No entanto, a composição genética dessas linhagens permanece desconhecida, e sua extrema proximidade geográfica levanta a questão sobre a manutenção de sua integridade genética em face a mistura entre elas. A fim de analisar a história evolutiva das linhagens de C. truncatum e investigar a possibilidade de ausência de trocas genéticas entre elas, empregamos uma abordagem genômica populacional. Para isso, produzimos uma versão preliminar do genoma completo de um isolado típico da espécie, o qual foi utilizado como genoma de referência. Dezoito isolados representativos das três linhagens foram submetidos ao sequenciamento completo, alinhados ao genoma de referência, e variantes foram identificados. Nossas análises genômicas populacionais revelaram que a estrutura genética do patógeno é formada por três linhagens profundamente divergentes, com níveis de diversidade consistentes com repetidos eventos de introdução para cada linhagem. Também encontramos evidências de recombinação sexual dentro e entre linhagens, com múltiplos isolados apresentando assinaturas de mistura. Nossas descobertas sugerem um cenário no qual as três linhagens divergiram inicialmente em alopatria antes de experimentar hibridação, após contato secundário. O monitoramento da diversidade do patógeno ao longo do tempo é necessário para revelar se essas linhagens se mantêm geneticamente separadas ou se fundem, o que pode afetar os métodos de controle da doença atualmente empregados.
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