A phylogenomics approach to resolving fungal evolution, and phylogenetic method development

Abstract

Bien que les champignons soient régulièrement utilisés comme modèle d'étude des systèmes eucaryotes, leurs relations phylogénétiques soulèvent encore des questions controversées. Parmi celles-ci, la classification des zygomycètes reste inconsistante. Ils sont potentiellement paraphylétiques, i.e. regroupent de lignées fongiques non directement affiliées. La position phylogénétique du genre Schizosaccharomyces est aussi controversée: appartient-il aux Taphrinomycotina (précédemment connus comme archiascomycetes) comme prédit par l'analyse de gènes nucléaires, ou est-il plutôt relié aux Saccharomycotina (levures bourgeonnantes) tel que le suggère la phylogénie mitochondriale? Une autre question concerne la position phylogénétique des nucléariides, un groupe d'eucaryotes amiboïdes que l'on suppose étroitement relié aux champignons. Des analyses multi-gènes réalisées antérieurement n'ont pu conclure, étant donné le choix d'un nombre réduit de taxons et l'utilisation de six gènes nucléaires seulement. Nous avons abordé ces questions par le biais d'inférences phylogénétiques et tests statistiques appliqués à des assemblages de données phylogénomiques nucléaires et mitochondriales. D'après nos résultats, les zygomycètes sont paraphylétiques (Chapitre 2) bien que le signal phylogénétique issu du jeu de données mitochondriales disponibles est insuffisant pour résoudre l'ordre de cet embranchement avec une confiance statistique significative. Dans le Chapitre 3, nous montrons à l'aide d'un jeu de données nucléaires important (plus de cent protéines) et avec supports statistiques concluants, que le genre Schizosaccharomyces appartient aux Taphrinomycotina. De plus, nous démontrons que le regroupement conflictuel des Schizosaccharomyces avec les Saccharomycotina, venant des données mitochondriales, est le résultat d'un type d'erreur phylogénétique connu: l'attraction des longues branches (ALB), un artéfact menant au regroupement d'espèces dont le taux d'évolution rapide n'est pas représentatif de leur véritable position dans l'arbre phylogénétique. Dans le Chapitre 4, en utilisant encore un important jeu de données nucléaires, nous démontrons avec support statistique significatif que les nucleariides constituent le groupe lié de plus près aux champignons. Nous confirmons aussi la paraphylie des zygomycètes traditionnels tel que suggéré précédemment, avec support statistique significatif, bien que ne pouvant placer tous les membres du groupe avec confiance. Nos résultats remettent en cause des aspects d'une récente reclassification taxonomique des zygomycètes et de leurs voisins, les chytridiomycètes. Contrer ou minimiser les artéfacts phylogénétiques telle l'attraction des longues branches (ALB) constitue une question récurrente majeure. Dans ce sens, nous avons développé une nouvelle méthode (Chapitre 5) qui identifie et élimine dans une séquence les sites présentant une grande variation du taux d'évolution (sites fortement hétérotaches - sites HH); ces sites sont connus comme contribuant significativement au phénomène d'ALB. Notre méthode est basée sur un test de rapport de vraisemblance (likelihood ratio test, LRT). Deux jeux de données publiés précédemment sont utilisés pour démontrer que le retrait graduel des sites HH chez les espèces à évolution accélérée (sensibles à l'ALB) augmente significativement le support pour la topologie « vraie » attendue, et ce, de façon plus efficace comparée à d'autres méthodes publiées de retrait de sites de séquences. Néanmoins, et de façon générale, la manipulation de données préalable à l'analyse est loin d’être idéale. Les développements futurs devront viser l'intégration de l'identification et la pondération des sites HH au processus d'inférence phylogénétique lui-même.

Despite the popularity of fungi as eukaryotic model systems, several questions on their phylogenetic relationships continue to be controversial. These include the classification of zygomycetes that are potentially paraphyletic, i.e. a combination of several not directly related fungal lineages. The phylogenetic position of Schizosaccharomyces species has also been controversial: do they belong to Taphrinomycotina (previously known as archiascomycetes) as predicted by analyses with nuclear genes, or are they instead related to Saccharomycotina (budding yeast) as in mitochondrial phylogenies? Another question concerns the precise phylogenetic position of nucleariids, a group of amoeboid eukaryotes that are believed to be close relatives of Fungi. Previously conducted multi-gene analyses have been inconclusive, because of limited taxon sampling and the use of only six nuclear genes. We have addressed these issues by assembling phylogenomic nuclear and mitochondrial datasets for phylogenetic inference and statistical testing. According to our results zygomycetes appear to be paraphyletic (Chapter 2), but the phylogenetic signal in the available mitochondrial dataset is insufficient for resolving their branching order with statistical confidence. In Chapter 3 we show with a large nuclear dataset (more than 100 proteins) and conclusive supports that Schizosaccharomyces species are part of Taphrinomycotina. We further demonstrate that the conflicting grouping of Schizosaccharomyces with budding yeasts, obtained with mitochondrial sequences, results from a phylogenetic error known as long-branch attraction (LBA, a common artifact that leads to the regrouping of species with high evolutionary rates irrespective of their true phylogenetic positions). In Chapter 4, using again a large nuclear dataset we demonstrate with significant statistical support that nucleariids are the closest known relatives of Fungi. We also confirm paraphyly of traditional zygomycetes as previously suggested, with significant support, but without placing all members of this group with confidence. Our results question aspects of a recent taxonomical reclassification of zygomycetes and their chytridiomycete neighbors (a group of zoospore-producing Fungi). Overcoming or minimizing phylogenetic artifacts such as LBA has been among our most recurring questions. We have therefore developed a new method (Chapter 5) that identifies and eliminates sequence sites with highly uneven evolutionary rates (highly heterotachous sites, or HH sites) that are known to contribute significantly to LBA. Our method is based on a likelihood ratio test (LRT). Two previously published datasets are used to demonstrate that gradual removal of HH sites in fast-evolving species (suspected for LBA) significantly increases the support for the expected ‘true’ topology, in a more effective way than comparable, published methods of sequence site removal. Yet in general, data manipulation prior to analysis is far from ideal. Future development should aim at integration of HH site identification and weighting into the phylogenetic inference process itself.