Abstract Intracellular nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat-containing (NLR) receptors play crucial roles in immunity across multiple domains of life. In plants, a subset of NLRs contain noncanonical integrated domains that are thought to have evolved from host targets of pathogen effectors to serve as pathogen baits. However, the functions of host proteins with similarity to NLR integrated domains and the extent to which they are targeted by pathogen effectors remain largely unknown. Here, we show that the blast fungus effector AVR-Pik binds a subset of related rice proteins containing a heavy metal-associated (HMA) domain, one of the domains that has repeatedly integrated into plant NLR immune receptors. We find that AVR-Pik binding stabilizes the rice small HMA (sHMA) proteins OsHIPP19 and OsHIPP20. Knockout of OsHIPP20 causes enhanced disease resistance towards the blast pathogen, indicating that OsHIPP20 is a susceptibility gene ( S -gene). We propose that AVR-Pik has evolved to bind HMA domain proteins and co-opt their function to suppress immunity. Yet this binding carries a trade-off, it triggers immunity in plants carrying NLR receptors with integrated HMA domains. Significance Statement Rice blast disease, caused by the fungus Magnaporthe oryzae , is one of the most devastating diseases of rice. Therefore, understanding the mechanisms of blast fungus infection and resistance of rice against the disease is important for global food security. In this study, we show that the M. oryzae effector protein AVR-PikD binds rice sHMA proteins and stabilizes them, presumably to enhance pathogen infection. We show that loss-of-function mutants in one rice sHMA, OsHIPP20, reduced the level of susceptibility against a compatible isolate of M. oryzae , suggesting that M. oryzae requires host sHMA to facilitate invasion. Remarkably, OsHIPP20 knockout rice line showed no growth defect, suggesting editing sHMA genes may present a novel source of resistance against blast disease.

Abstract A subset of plant intracellular NLR immune receptors detect effector proteins, secreted by phytopathogens to promote infection, through unconventional integrated domains which resemble the effector’s host targets. Direct binding of effectors to these integrated domains activates plant defences. The rice NLR receptor Pik-1 binds the Magnaporthe oryzae effector AVR-Pik through an integrated heavy metal-associated (HMA) domain. However, the stealthy alleles AVR-PikC and AVR-PikF avoid interaction with Pik-HMA and evade host defences. Here, we exploited knowledge of the biochemical interactions between AVR-Pik and its host target, OsHIPP19, to engineer novel Pik-1 variants that respond to AVR-PikC/F. First, we exchanged the HMA domain of Pikp-1 for OsHIPP19-HMA, demonstrating that effector targets can be incorporated into NLR receptors to provide novel recognition profiles. Second, we used the structure of OsHIPP19-HMA to guide mutagenesis of Pikp-HMA to expand its recognition profile. We demonstrate that the extended recognition profiles of engineered Pikp-1 variants correlate with effector binding in planta and in vitro, and with the gain of new contacts across the effector/HMA interface. Crucially, transgenic rice producing the engineered Pikp-1 variants were resistant to blast fungus isolates carrying AVR-PikC or AVR-PikF. These results demonstrate that effector target-guided engineering of NLR receptors can provide new-to- nature disease resistance in crops. Graphical abstract

Abstract Plant nucleotide-binding leucine-rich repeat immune receptors (NLRs) directly or indirectly recognize pathogen-secreted effector molecules to initiate plant defense. Recognition of multiple pathogens by a single NLR is rare and usually occurs via monitoring for changes to host proteins; few characterized NLRs have been shown to recognize multiple effectors. The barley NLR Mla has undergone functional diversification and Mla alleles recognize host-adapted isolates of barley powdery mildew ( Blumeria graminis f. sp. hordei; Bgh ). Here, we show that Mla3 also confers resistance to rice blast ( Magnaporthe oryzae ) in a dosage dependent manner. Using a forward genetic screen, we discovered that the recognized effector from M. oryzae is PWL2 , a host range determinant factor that prevents M. oryzae from infecting weeping lovegrass ( Eragrostis curvula ). Mla3 has therefore convergently evolved the capacity to recognize effectors from diverse pathogens.

Abstract In plants, many invading microbial pathogens are recognized by cell-surface pattern recognition receptors (PRRs), inducing defense responses; yet how PRRs perceive pathogen sphingolipids remains unclear. Here, we show that the ceramide Pi-Cer D from a plant pathogenic oomycete Phytophthora infestans triggers defense responses in Arabidopsis. Pi-Cer D is cleaved by an Arabidopsis apoplastic ceramidase, NCER2, and the resulting 9-methyl-branched sphingoid base is recognized by a plasma membrane lectin receptor-like kinase, RDA2. Importantly, 9-methyl-branched sphingoid base, which is unique to microbes, induces plant immune responses by interacting with RDA2. Loss of RDA2 or NCER2 function compromised Arabidopsis resistance against an oomycete pathogen, indicating that these are crucial for defense. We provide new insights that help elucidate the recognition mechanisms of pathogen-derived lipid molecules in plants. One Sentence Summary Oomycete-derived ceramide is cleaved into sphingoid base by ceramidase and recognized by an Arabidopsis receptor kinase.

Abstract Throughout their evolution, plant nucleotide-binding leucine-rich-repeat receptors (NLRs) have acquired widely divergent unconventional integrated domains that enhance their ability to detect pathogen effectors. However, the functional dynamics that drive the evolution of NLRs with integrated domains (NLR-IDs) remain poorly understood. Here, we reconstructed the evolutionary history of an NLR locus prone to unconventional domain integration and experimentally tested hypotheses about the evolution of NLR-IDs. We show that the rice ( Oryza sativa ) NLR Pias recognizes the effector AVR-Pias of the blast fungal pathogen Magnaporthe oryzae . Pias consists of a functionally specialized NLR pair, the helper Pias-1 and the sensor Pias-2, that is allelic to the previously characterized Pia pair of NLRs: the helper RGA4 and the sensor RGA5. Remarkably, Pias-2 carries a C-terminal DUF761 domain at a similar position to the heavy metal–associated (HMA) domain of RGA5. Phylogenomic analysis showed that Pias-2/RGA5 sensor NLRs have undergone recurrent genomic recombination within the genus Oryza , resulting in up to six sequence-divergent domain integrations. Allelic NLRs with divergent functions have been maintained trans-species in different Oryza lineages to detect sequence-divergent pathogen effectors. By contrast, Pias-1 has retained its NLR helper activity throughout evolution and is capable of functioning together with the divergent sensor-NLR RGA5 to responds to AVR-Pia. These results suggest that opposite selective forces have driven the evolution of paired NLRs: highly dynamic domain integration events maintained by balancing selection for sensor NLRs, in sharp contrast to purifying selection and functional conservation of immune signaling for helper NLRs. Significance statement Plants have evolved sophisticated defense mechanisms to fend off pathogens. Plant nucleotide-binding leucine-rich repeat receptor (NLR) proteins play crucial roles in detecting pathogen molecules inside plant cells and mounting defense responses. Here, we identified the Pias gene from rice, which encodes the NLR pair Pias-1 “helper” and Pias-2 “sensor.” These proteins function together to detect the pathogen molecule AVR-Pias of Magnaporthe oryzae and defend against rice blast disease. Pias is allelic to the previously reported Pia gene. A comparison of Pias/Pia alleles among Oryza species showed that Pias/Pia helper is evolutionarily and functionally conserved, whereas the Pias/Pia sensor shows highly dynamic evolution, with various host domains integrated into similar positions, allowing it to detect a wide variety of pathogen molecules.

Abstract Exocytosis plays an important role in plant-microbe interactions, both in pathogenesis and symbiosis. Exo70 proteins are integral components of the exocyst, an octameric complex that mediates tethering of vesicles to membranes in eukaryotes. Although plant Exo70s are known to be targeted by pathogen effectors, the underpinning molecular mechanisms and the impact of this interaction on infection is poorly understood. Here, we show the molecular basis of the association between the effector AVR- Pii of the blast fungus Maganaporthe oryzae and rice Exo70 alleles OsExo70F2 and OsExo70F3, which is sensed by the immune receptor pair Pii via an integrated RIN4/NOI domain. The crystal structure of AVR-Pii in complex with OsExo70F2 reveals that the effector binds to a conserved hydrophobic pocket in Exo70, defining a new effector/target binding interface. Structure-guided and random mutagenesis validates the importance of AVR-Pii residues at the Exo70 binding interface to sustain protein association and disease resistance in rice when challenged with fungal strains expressing effector mutants. Further, the structure of AVR-Pii defines a novel Zinc- finger effector fold (ZiF) distinct from the MAX fold previously described for the majority of characterized M. oryzae effectors. Our data suggests that blast fungus ZiF effectors bind a conserved Exo70 interface to manipulate plant exocytosis and that these effectors are also baited by plant immune receptors, pointing to new opportunities for engineering disease resistance. Significance statement Plant diseases destroy ∼20-30% of annual crop production, contributing to global food insecurity. Discovering how pathogen effectors target host proteins to promote virulence is essential for understanding pathogenesis and can be used for developing disease resistant crops. Here, we reveal the structural basis of how an effector from the blast pathogen (AVR-Pii) binds a specific host target (rice Exo70), and how this underpins immune recognition. This has implications for understanding the molecular mechanisms of blast disease and for the engineering of new recognition specificities in plant immune receptors to confer resistance to a major crop pathogen.

Bioengineering of plant immune receptors has emerged as a key strategy for generating novel disease resistance traits to counteract the expanding threat of plant pathogens to global food security. However, current approaches are limited by rapid evolution of plant pathogens in the field and may lack durability when deployed. Here, we show that the rice nucleotide-binding, leucine-rich repeat (NLR) immune receptor Pik-1 can be engineered to respond to a conserved family of effectors from the multihost blast fungus pathogen Magnaporthe oryzae . We switched the effector binding and response profile of the Pik NLR from its cognate rice blast effector AVR-Pik to the host-determining factor pathogenicity toward weeping lovegrass 2 (Pwl2) by installing a putative host target, OsHIPP43, in place of the native integrated heavy metal–associated domain (generating Pikm-1 OsHIPP43 ). This chimeric receptor also responded to other PWL alleles from diverse blast isolates. The crystal structure of the Pwl2/OsHIPP43 complex revealed a multifaceted, robust interface that cannot be easily disrupted by mutagenesis, and may therefore provide durable, broad resistance to blast isolates carrying PWL effectors in the field. Our findings highlight how the host targets of pathogen effectors can be used to bioengineer recognition specificities that have more robust properties compared to naturally evolved disease resistance genes.

Summary Plant nucleotide-binding leucine-rich repeat receptors (NLRs) initiate immune responses and the hypersensitive response by recognizing pathogen effectors. Xa1 encodes an NLR with an N-terminal BED domain, and recognizes transcription activator-like (TAL) effectors of Xanthomonas oryzae pv. oryzae ( Xoo ). The molecular mechanisms controlling the recognition of TAL effectors by Xa1 and the subsequent induction of immunity remain poorly understood. Xa1 interacts in the nucleus with two TAL effectors via the BED domain. We identified the AP2/ERF-type transcription factor OsERF101/OsRAP2.6 as an interactor with Xa1, and found that it also interacts with the TAL effectors. Overexpression of OsERF101 exhibited an enhanced resistance to an incompatible Xoo strain only in the presence of Xa1, indicating that OsERF101 functions as a positive regulator of Xa1-mediated immunity. Unexpectedly, oserf101 mutants also showed enhanced Xa1-dependent resistance, but in a different manner from the overexpressing plants. This result revealed an additional Xa1-mediated immune pathway that is negatively regulated by OsERF101. Furthermore, OsERF101 directly interacted with the TAL effectors. Our results show that OsERF101 regulates the recognition of TAL effectors and the Xa1-mediated activation of the immune response. These data provide new insights into the molecular mechanism of NLR-mediated immunity in plants.

Abstract When infecting plants, fungal pathogens secrete cell wall degrading enzymes (CWDEs) that break down cellulose and hemicellulose, the primary components of plant cell walls. Some fungal CWDEs contain a unique domain, named the carbohydrate binding module (CBM), that facilitates their access to polysaccharides. However, little is known about how plants counteract pathogen degradation of their cell walls. Here, we show that the rice cysteine-rich repeat secretion protein OsCBMIP binds to and inhibits xylanase MoCel10A of the blast fungus pathogen Magnaporthe oryzae , interfering with its access to the rice cell wall and degradation of rice xylan. We found binding of OsCBMIP to various CBM1-containing enzymes, suggesting it has a general role in inhibiting the catalytic activities of fungal enzymes. OsCBMIP is localized to the apoplast, and its expression is strongly induced in leaves infected with M. oryzae . Remarkably, knockdown of OsCBMIP reduced rice defense against M. oryzae , demonstrating that inhibition of CBM1-containing fungal enzymes by OsCBMIP is crucial for rice defense. We also identified additional CBMIP-related proteins from Arabidopsis thaliana and Setaria italica , indicating that a wide range of plants counteract pathogens through this mechanism. Summary Plants have evolved various activity-inhibiting proteins as a defense against fungal cell wall degrading enzymes (CWDEs), but how plants counteract the function of fungal enzymes containing carbohydrate binding modules (CBMs) remains unknown. Here, we demonstrate that OsCBMIP, a member of the cysteine-rich repeat secretion protein family, interacts with fungal CBM1. OsCBMIP binding to CBM1 of a blast fungal xylanase blocks access to cellulose, resulting in the inhibition of xylanase enzymatic activity. Our study provides significant insights into plant countermeasure against CWDEs in the apoplastic space during plant–fungal pathogen interactions. It also reveals a molecular function of the DUF26 domain widely distributed in plant proteins.