Biogeography of Xanthophyllomyces dendrorhous, a yeast with biotechnological potential: population mapping and host associations

• Author(s): Palma, Márcia Cristina David, 1982
• Date: 2011
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/6345
• Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
• Subject(s): Biotecnologia; Leveduras; Biogeografia; Teses de mestrado - 2011
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Sampaio, José Paulo; Barata, Margarida
• Contributor(s): Repositório da Universidade de Lisboa

Description

Tese de mestrado. Biologia (Microbiologia Aplicada). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011

Xanthophyllomyces dendrorhous é uma levedura basidiomiceta cuja grande relevância biotecnológica advém do facto de ser a única espécie cujo principal pigmento produzido é astaxantina. Este carotenoide possui várias atividades biológicas relevantes e inúmeras aplicações industriais, sendo o segundo carotenoide mais rentável do mercado. Apesar do interesse nesta levedura devido às suas aplicações biotecnológicas, ainda são limitados os conhecimentos sobre a sua biologia e biogeografia. X. dendrorhous foi isolada pela primeira vez durante a década de 60 do século passado a partir de exsudados de árvores de folha caduca em diversas localizações no Hemisfério Norte, tendo-se considerado durante muito tempo restrita a estes habitats e latitudes. Inicialmente descrita como uma levedura assexuada designada Phaffia rhodozyma, em 1995 o seu estado sexuado, Xanthophyllomyces dendrorhous, foi observado e descrito pela primeira vez. O seu ciclo sexuado é caracterizado pela conjugação entre a célula-mãe e a gémula, após a qual ocorre a formação de um holobasídio aéreo que subsequentemente dá origem a basidiósporos na sua extremidade apical. Este estado sexuado é despoletado pela presença de polióis no meio de cultura. Taxonomicamente esta levedura encontra-se classificada na ordem Cystofilobasidiales, classe Tremellomycetes e subfilo Agaricomycotina. A descoberta de um novo habitat de X. dendrorhous em 2007 na Argentina (Patagónia), veio mostrar que esta levedura possui uma distribuição geográfica mais diversificada do que aquela considerada inicialmente. Nas florestas da Patagónia, X. dendrorhous encontra-se associada aos corpos frutíferos de um fungo ascomiceta, parasita obrigatório de árvores Nothofagus, denominado Cyttaria. À semelhança dos exsudados de árvores, os corpos frutíferos de Cyttaria são ricos em açúcares simples, estando presentes nos troncos de Nothofagus uma vez por ano. Após a descoberta de novas populações de X. dendrorhous no Hemisfério Sul foi realizado um estudo filogenético da região ITS (internal transcribed spacer) do rDNA das estirpes de X. dendrorhous e das diferentes árvores hospedeiras tendo-se verificado concordância entre ambas as filogenias. Este facto levou à formulação da hipótese de que a variabilidade intraespecífica observada em X. dendrorhous, poderia dever-se ao facto de cada linhagem se encontrar associada a um hospedeiro diferente. Após a descoberta de X. dendrorhous no Hemisfério Sul, a exploração de outras regiões geográficas onde, tanto Nothofagus como Cyttaria estão presentes, foi levada a cabo em 2009 por elementos do laboratório de acolhimento. As amostras biológicas recolhidas na Austrália e Nova Zelândia resultaram na obtenção de novos isolados de Xanthophyllomyces. Face ao número crescente de isolados de Xanthophyllomyces existentes, o presente trabalho teve como principal objetivo o estudo das relações filogenéticas entre as diferentes linhagens existentes assim como, a exploração de possíveis relações entre a variabilidade genética encontrada em Xanthophyllomyces e os hospedeiros aos quais esta levedura se encontra associada. De forma a atingir este objetivo, duas abordagens distintas foram exploradas: (i) amplificação, sequenciação e estudo filogenético de sete fragmentos de genes de Xanthophyllomyces e (ii) a cariotipagem de isolados representativos das diferentes linhagens encontradas. Os dados obtidos foram analisados sob o ponto de vista da associação aos hospedeiros e localização geográfica dos isolados. Os resultados mostraram a existência de quatro populações distintas em X. dendrorhous. A estrutura populacional encontrada sugere que as populações naturais se propagam preferencialmente de forma clonal. Cada uma das diferentes populações apresenta-se associada a diferentes plantas hospedeiras, sendo esse o fator que mais parece influenciar a estrutura populacional. No entanto verificou-se também alguma diferenciação geográfica apesar da sua influência parecer menos relevante. Na filogenia concatenada dos sete fragmentos de genes estudados foi observado que cada grupo filogenético principal agrupa estirpes isoladas a partir de um mesmo hospedeiro, sendo igualmente possível verificar a existência de subdivisões dentro destes mesmos grupos, que estão por sua vez associadas à origem geográfica dos isolados. Este facto foi corroborado pelas networks filogenéticas construídas no software Splistree4 e pela análise da estrutura populacional usando uma abordagem bayesiana implementada no software Structure. A determinação dos cariótipos de estirpes representativas de cada uma das populações encontradas em X. dendrorhous revelou padrões únicos de cromossomas para cada estirpe. O número de cromossomas das onze estirpes estudadas varia entre seis e 11, sendo o seu tamanho entre 0,8 Mb e 3,5 Mb. Não foi observada uma relação entre a estrutura populacional de X. dendrorhous e os cariótipos observados para as diferentes estirpes. Verificou-se que um dos isolados em estudo, possui três genes heterozigóticos. Os alelos de cada gene foram separados por clonagem e posteriormente sequenciados, tendo-se verificado a existência de dois alelos distintos para cada gene heterozigótico. A análise filogenética permitiu observar que, para os três genes heterozigóticos, os alelos encontrados pertencem a duas populações distintas originárias respectivamente da Australásia (em associação com Nothofagus) e Japão (em associação com Betula). Este facto sugere a existência de contacto entre as duas populações. Diversos estudos biogeográficos têm sido realizados sobre os géneros Nothofagus, Betula e Cornus. Enquanto que a biogeografia de Nothofagus parece ter sido moldada por fenómenos como a fragmentação do super continente Gondwana e eventos de dispersão a longas distâncias, as histórias biogeográficas de Betula e Cornus parecem ter sido influenciadas por migrações intercontinentais através das pontes terrestres de Bering e do Oceano Atlântico durante o período geológico Terciário. A análise da atual distribuição de X. dendrorhous levando em consideração as histórias biogeográfias dos seus hospedeiros parece sugerir uma correlação entre ambas. É possível que a distribuição de X. dendrorhous no Hemisfério Sul esteja relacionada com a biogeografia de Nothofagus, assim como a sua distribuição no hemisfério Norte parece ser coerente com as histórias biogeográficas de Betula e Cornus. A coexistência de Nothofagaceae, Fagaceae e Betulaceae na região do arquipélago indo-australiano poderá ter permitido um salto de hospedeiro por parte de X. dendrorhous que assim colonizou outras áreas no Hemisfério Norte. Entre os isolados recolhidos na Australásia foram encontradas duas putativas novas espécies de Xanthophyllomyces. É possível observar que a divergência destas novas espécies relativamente a X. dendrorhous se verifica ao nível molecular tanto na região ITS como nas sete regiões genómicas estudadas. As duas espécies, Xanthophyllomyces sp. I e Xanthophyllomyces sp. II apresentam o mesmo estado sexuado que X. dendrorhous, assim como produção de astaxantina. O presente estudo constitui o primeiro registo da existência de mais do que uma espécie no género Xanthophyllomyces. Com este estudo iniciou-se a exploração da recém descoberta biodiversidade existente na Australásia, identificando-a como um possível hotspot de diversidade e possivelmente como ponto de origem do género Xanthophyllomyces.