Phylogeny of the Zygomycota based on nuclear ribosomal sequence data

---

Phylogeny of the Zygomycota based on nuclear ribosomal sequence data

Merlin M. White

1,2

Department of Ecology & Evolutionary Biology,

University of Kansas, Lawrence, Kansas 66045-7534

Timothy Y. James

Department of Biology, Duke University, Durham,

North Carolina 27708

Kerry O’Donnell

NCAUR, ARS, USDA, Peoria, Illinois 61604

Matı´as J. Cafaro

Department of Biology, University of Puerto Rico at

Mayagu

¨ ez, Mayagu

¨ ez, Puerto Rico 00681

Yuuhiko Tanabe

Laboratory of Intellectual Fundamentals for

Environmental Studies, National Institute for

Environmental Studies, Ibaraki 305-8506, Japan

Junta Sugiyama

Tokyo Office, TechnoSuruga Co. Ltd., 1-8-3, Kanda

Ogawamachi, Chiyoda-ku, Tokyo 101-0052, Japan

Abstract:

The Zygomycota is an ecologically heter-

ogenous assemblage of nonzoosporic fungi compris-

ing two classes, Zygomycetes and Trichomycetes.

Phylogenetic analyses have suggested that the phylum

is polyphyletic; two of four orders of Trichomycetes

are related to the Mesomycetozoa (protists) that

diverged near the fungal/animal split. Current

circumscription of the Zygomycota includes only

orders with representatives that produce zygospores.

We present a molecular-based phylogeny including

recognized representatives of the Zygomycetes and

Trichomycetes with a combined dataset for nuclear

rRNA 18S (SSU), 5.8S and 28S (LSU) genes. Tree

reconstruction by Bayesian analyses suggests the

Zygomycota is paraphyletic. Although 12 clades were

identified only some of these correspond to the nine

orders of Zygomycota currently recognized. A large

superordinal clade, comprising the Dimargaritales,

Harpellales, Kickxellales and Zoopagales, grouping

together many symbiotic fungi, also is identified in

part by a unique septal structure. Although Harpel-

lales and Kickxellales are not monophyletic, these

lineages are distinct from the Mucorales, Endogo-

nales and Mortierellales, which appear more closely

related to the Ascomycota + Basidiomycota +

Glomeromycota. The final major group, the insect-

associated Entomophthorales, appears to be poly-

phyletic. In the present analyses Basidiobolus and

Neozygites group within Zygomycota but not with the

Entomophthorales. Clades are discussed with special

reference to traditional classifications, mapping mor-

phological characters and ecology, where possible, as

a snapshot of our current phylogenetic perspective of

the Zygomycota.

Key words:

Asellariales, basal lineages, Chytridio-

mycota, Fungi, molecular systematics, opisthokont

INTRODUCTION

Most studies suggest that the phylum Zygomycota is

not monophyletic and the classification of the entire

phylum is in flux. The Zygomycota currently is

divided into two classes, the Zygomycetes and

Trichomycetes. However molecular phylogenies sug-

gest that neither group is natural (i.e. monophyletic).

Two orders previously classified as Trichomycetes, the

Amoebidiales and Eccrinales, are not fungi (Benny

and O’Donnell 2000, Cafaro 2005). Furthermore

Microsporidia, animal pathogens previously consid-

ered to be protists, might have evolved within the

Zygomycota (but see Tanabe et al 2005) (Keeling et al

2000, Forget et al 2002, Keeling 2003). One signifi-

cant recent change has been the removal of the

glomeralean arbuscular mycorrhizal (AM) fungi from

Zygomycota and their reclassification as a separate

phylum, the Glomeromycota (Schu

¨ ßler et al 2001).

Members of the Zygomycota have been considered

a primitive and early diverging lineage of the Fungi

because they lack complex fruiting structures and

most representatives have coenocytic aseptate hyphae

during all or part of their life cycle. Zygomycota often

might be overlooked even by mycologists, but they

can be encountered as near as the kitchen, disguised

as moldy bread or fruit (James and O’Donnell 2004).

Some are beneficial, such as Rhizopus, used in several

traditional fermented foods, including tempeh and

cassava. Most species of the Zygomycota are saprobic,

but some species are facultative pathogens of plants,

animals (including humans) or even other fungi. The

Trichomycetes are obligate endosymbionts of arthro-

pods. Indeed members of the Zygomycota are

ubiquitous in nature, in a seemingly endless variety

of interactions.

2

Current Address: Department of Biology, Boise State University,

Boise, Idaho 83725-1515 (as of Jan 2007)

1

Corresponding Author. E-mail: [e-mail]

This paper is dedicated to the great many students of the ‘‘lower

Fungi’’—past and present—who helped introduce us to this

wonderfully eclectic and diverse group that we can only hope to

highlight herein.

Accepted for publication 10 October 2006.

Mycologia, 98(6), 2006, pp. 872–884.

#

2006 by The Mycological Society of America, Lawrence, KS 66044-8897

872

---

For this paper the Zygomycota is divided into nine

orders: Asellariales, Dimargaritales, Endogonales,

Entomophthorales, Harpellales, Kickxellales, Mortier-

ellales, Mucorales and Zoopagales. The clades de-

fined by this ordinal classification correspond in large

part with niche and habitat, as well as mode of asexual

and sexual reproduction. Many species are saprophyt-

ic in soil and dung (Mucorales, Mortierellales and

Kickxellales). Some (Mucorales) are extremely fast

growing in agar culture while others (Zoopagales and

Entomophthorales) may be slower growing reflecting

their parasitic strategy on various small animals,

including insects, rotifers or even amoebae. Members

of Zoopagales, Dimargaritales and Mucorales may be

parasitic on other fungi (including mushrooms, as

well as other zygomycetes). Trichomycetes (Harpel-

lales and Asellariales) have specialized for arthropod

gut wall attachment. Some Harpellales are remark-

able in their ability to shift from a commensalistic to

parasitic mode for dispersal (White et al 2006). Other

parasitic groups have invasive haustoria (Dimargar-

itales and Zoopagales) or grow as naked protoplasm

inside the host cell wall where they are in direct

contact with the invaginated host cytoplasm (Ento-

mophthorales). The Endogonales are either sapro-

phytic or ectomycorrhizal with plants.

Not only do these fungi display a variety of life

histories but also the morphology of the Zygomycota

is diverse with regard to reproduction and dispersal.

Asexual spores are single-celled and include mito-

sporic sporangiospores and true conidia (for review

see Benny et al 2001). Most zygomycetes reproduce by

sporangiospores, which are derived from the internal

cleavage of sporangial cytoplasm. These spores are

wind or animal dispersed after rupture of the

sporangium wall (Ingold 1978). Asexual spores of

the Entomophthorales appear to have a different

ontogeny and are referred to as conidia. They are

produced at the end of differentiated hyphae and

lack a sporangial wall. Most are forcibly discharged

and some can germinate and produce a secondary

spore. Meiospores called zygospores, where known,

are produced with or without the conjugation of

compatible hyphae and are usually thick-walled and

globose; however they are biconical in the Harpellales

(Benny et al 2001, Lichtwardt et al 2001).

Whereas morphology formed the traditional foun-

dation for taxonomy and classification, phylogenetic

analyses of DNA sequence data were necessary to

reveal major evolutionary trends among the basal

fungi ( Jensen et al 1998, O’Donnell et al 1998,

Sugiyama 1998, James et al 2000, Tanabe et al 2000,

Gottlieb and Lichtwardt 2001, O’Donnell et al 2001,

White et al 2001, White 2002, 2006, Tanabe et al 2004,

Cafaro 2005, Seif et al 2005, Tanabe et al 2005). Most

molecular phylogenetic studies have highlighted the

nonmonophyly of the previously defined Zygomycota

and recognized the need for additional contributions,

especially with understudied and unculturable taxa.

For example analyses to date have shown that the

Entomophthorales is monophyletic with the excep-

tion of the inconsistent placement of Basidiobolus.

Aside from the protistan Trichomycetes (Amoebi-

diales and Eccrinales) a third order (Harpellales)

appears nested within the Zygomycetes (O’Donnell et

al 1998, Lutzoni et al 2004, Taylor et al 2004, Cafaro

2005) whereas the remaining order (Asellariales) has

not been included in phylogenetic studies to date.

This is the first phylogeny to incorporate nearly full

length rDNA sequences (18S, 5.8S and 28S rRNA

genes) for the Zygomycota. Taxa were selected to

include representatives of as many recognized orders

of this phylum as possible. Based on the results of this

three-locus phylogeny, the monophyly of the Zygo-

mycota, its two classes, the Zygomycetes and Tricho-

mycetes, and eight orders are assessed. The results

presented herein serve to highlight our current

understanding of their evolutionary history and to

punctuate areas where our knowledge is woefully

inadequate.

MATERIALS AND METHODS

Sequences of 104 taxa representing all fungal phyla and

including metazoan and Mesomycetozoa outgroups were

obtained from the Assembling the Fungal Tree of Life

(http://ocid.nacse.org/research/aftol/) and GenBank

(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) databases and combined

with sequences generated during this study. Many taxa (n 5

46) contain nearly full length sequences for the rRNA

operon (nearly complete 18S [SSU], 28S [LSU] and in most

cases 5.8S). Both 18S and partial 28S sequences were

available for 38 taxa; 20 are represented only by 18S

sequences (see S

UPPLEMENTARY

T

ABLE

I).

Data for the 18S, 28S and 5.8S ribosomal coding regions

were manually aligned with GeneDoc v2.6 (Nicholas and

Nicholas 1997) and combined into a single supermatrix

(10 053 characters) in which ambiguous regions (exsets)

were excluded from further analyses with MacClade v4.05

(Maddison and Maddison 2002). The final dataset con-

tained 3832 aligned characters used for analyses (1395

parsimony informative and 1996 invariant). We used

Modeltest v3.7 (Posada and Crandall 1998) to determine

the most appropriate model of evolution for use in

a maximum likelihood framework. This model (GTR+I+G)

was used to estimate phylogenetic relationships and clade

support with MrBayes v3.1 (Huelsenbeck and Ronquist

2001). Two independent runs were conducted, each with

four chains for 1 3 10

7

generations, in which trees were

sampled every 500 generations. Stationarity of MCMC

W

HITE ET AL

: P

HYLOGENY OF THE

Z

YGOMYCOTA

873

---