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Enregistrement W4414189633 · doi:10.1101/2025.09.09.675119

Structure-based phylogenetic analysis reveals multiple events of convergent evolution of cysteine-rich antimicrobial peptides in legume-rhizobium symbiosis

2025· preprint· en· W4414189633 sur OpenAlexafffund
Amira Boukherissa, Tatiana Timchenko, Mickaël Bourge, Peter Mergaert, George C. diCenzo, Jacqui A. Shykoff, Benoît Alunni, Ricardo C. Rodŕıguez de la Vega

Notice bibliographique

RevuebioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2025
Typepreprint
Langueen
DomaineAgricultural and Biological Sciences
ThématiqueLegume Nitrogen Fixing Symbiosis
Établissements canadiensQueen's University
Organismes subventionnairesCentre National de la Recherche ScientifiqueMitacs
Mots-clésSymbiosisPhylogenetic treePhylogeneticsCladeRhizobiaBacteriaConvergent evolutionSymbiotic bacteriaAntimicrobial peptides

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

ABSTRACT Nitrogen is essential for plant growth, yet its availability often limits agricultural productivity. Some legumes have evolved a unique ability to form symbiotic relationships with nitrogen-fixing soil bacteria called rhizobia, enabling them to thrive in nitrogen-deficient soils. In five legume clades, an exploitive strategy has evolved in which rhizobia undergo Terminal Bacteroid Differentiation (TBD), where the bacteria become larger, polyploid, and have a permeabilized membrane. Terminally differentiated bacteria are associated with higher N 2 -fixation and, thus, a higher return on investment to the plant. In several members of the IRLC (Inverted Repeat-Lacking Clade) and the Dalbergioid clades of legumes, this differentiation process is triggered by a set of apparently unrelated plant antimicrobial peptides with membrane-damaging activity, known as Nodule-specific Cysteine-Rich (NCR) peptides. However, whether NCR peptides are also implicated in symbiotic TBD in other legume clades and whether they are evolutionarily related remains unknown. Here, to address the molecular identity of NCR peptides and their evolution in different legume clades, we performed inter- and intra-clade comparisons of NCR peptides in representative species of four TBD-inducing legume clades. First, we collected genomic and proteomic data of species for which NCR peptides are known (1523 NCR peptides). We then used sequence similarity-based clustering to regroup the NCR peptides, resulting in over 400 different NCR clusters, each clade-specific. We obtained Hidden Markov Models for each cluster and used them to predict NCR peptides in 21 legume genomes (6 clades), including newly generated deep-sequenced root and nodule RNA-seq data of Indigofera argentea (Indigoferoid clade) and newly assembled high-quality transcriptomes of Lupinus luteus and Lupinus mariae-josephae (Genistoid clade), using tailored gene prediction pipeline and transcriptome matching. This resulted in 3710 NCR peptides in species that induce TBD. To date, the rapid diversification of NCR peptides that reduces the sequence similarities has masked the origin of NCR peptide evolution. We obtained high-confidence structural models for one sequence of each cluster. We performed structure-based clustering and phylogenetics, which resulted in 23 superclusters (14 inter-clade and nine clade-specific) that we represent in a structural distance-based tree. Our study revealed that the evolution of NCR peptides is a mix of divergent and convergent processes within each clade. We further chose nine independently evolved NCR peptides to test in vitro whether they are functional analogs in symbiosis. Graphical abstract Overview of the experimental and computational workflow for NCR peptide detection, characterization, and structural analysis. Nodule and root samples from Indigofera argentea (8 weeks post-inoculation) were collected and subjected to RNA extraction, library preparation, and Illumina PE150 sequencing. Raw RNA-seq reads from two Lupinus species were also included ( Lupinus luteus and Lupinus mariae-josephae) . Bacteroid differentiation of I. argentea was assessed by flow cytometry and confocal microscopy. Transcriptomes were assembled de novo and analyzed for differential gene expression between root and nodule tissues. NCR peptides were identified from them and other legume genomes and transcriptomes using the SPADA pipeline and HMM profiles from NCR clusters of the known NCR peptides. The putative NCR peptides were filtered based on conserved cysteine motifs, length, and nodule expression to build an exhaustive NCR peptide database. 3D structural predictions of NCR clusters were performed using AlphaFold2 (pLDDT >70), followed by structural clustering (Foldseek) and phylogenetic analysis (Foldtree). Functional validation involved flow cytometry and antimicrobial assays (against Eschericha coli , Sinorhizobium meliloti , and Bacillus subtilis ), enabling structural and evolutionary characterization of NCR peptides. The green box at the top represents the experimental analysis, the blue box represents the sequence-based computational pipeline, the red box represents the structure-based computational pipeline, and the grey box at the bottom left represents the functional validation and interpretation of the results.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Expérimental (laboratoire) · Signal consensuel: Expérimental (laboratoire)
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,002
Score d'incertitude au seuil0,003

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0020,002
Études des sciences et des technologies0,0010,000
Communication savante0,0010,000
Science ouverte0,0000,001
Intégrité de la recherche0,0000,000
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,009
Tête enseignante GPT0,198
Écart entre enseignants0,190 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeExpérimental (laboratoire)
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations1
Publié2025
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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