Abstract All pathogens must tailor their gene expression to their environment. Therefore, targeting host:parasite biology that regulates these changes in gene expression could open up routes to pathogen control. Here, we show that in the plant-parasitic nematode Heterodera schachtii, host signals (termed effectostimulins) within plant roots activate the master regulator sugr1 . SUGR1, then, directly binds effector promoters, and orchestrates their production. Effector production, in turn, facilitates host entry, releasing more effectostimulins. These data show that gene expression during the very earliest stages of parasitism is defined by a feed forward loop for host entry. Importantly, we demonstrate that blocking SUGR1 blocks parasitism, underlining the SUGR1 signalling cascade as a valuable target for crop protection. Given that nematodes also parasitise humans and other animals, the potential impact is broad: disrupting effector production could, in principle, be applied to any pathogen that secrets effectors. Graphical abstract

Abstract Plant-parasitic nematodes constrain global food security. During parasitism, they secrete effectors into the host plant from two types of pharyngeal gland cells. These effectors elicit profound changes in host biology to suppress immunity and establish a unique feeding organ from which the nematode draws nutrition. Despite the importance of effectors in nematode parasitism, there has been no comprehensive identification and characterisation of the effector repertoire of any plant-parasitic nematode. To address this, we advance techniques for gland cell isolation and transcriptional analysis to define a stringent annotation of putative effectors for the cyst nematode Heterodera schachtii at three key life-stages. We define 659 effector gene loci: 293 “known” high-confidence homologs of plant-parasitic nematode effectors, and 366 “novel” effectors with high gland cell expression. In doing so we define a comprehensive “effectorome” of a plant-parasitic nematode. Using this effector definition, we provide the first systems-level understanding of the origin, deployment and evolution of a plant-parasitic nematode effectorome. The robust identification of the comprehensive effector repertoire of a plant-parasitic nematode will underpin our understanding of nematode pathology, and hence, inform strategies for crop protection.

Plant-parasitic nematodes constrain global food security. During parasitism, they secrete effectors into the host plant from two types of pharyngeal gland cells. These effectors elicit profound changes in host biology to suppress immunity and establish a unique feeding organ from which the nematode draws nutrition. Despite the importance of effectors in nematode parasitism, there has been no comprehensive identification and characterisation of the effector repertoire of any plant-parasitic nematode. To address this, we advance techniques for gland cell isolation and transcriptional analysis to define a stringent annotation of putative effectors for the cyst nematode Heterodera schachtii at three key life-stages. We define 717 effector gene loci: 269 "known" high-confidence homologs of plant-parasitic nematode effectors, and 448 "novel" effectors with high gland cell expression. In doing so we define the most comprehensive "effectorome" of a plant-parasitic nematode to date. Using this effector definition, we provide the first systems-level understanding of the origin, deployment and evolution of a plant-parasitic nematode effectorome. The robust identification of the effector repertoire of a plant-parasitic nematode will underpin our understanding of nematode pathology, and hence, inform strategies for crop protection.

Plant-parasitic nematodes compromise the agriculture of a wide variety of the most common crops worldwide. Obtaining information on the fundamental biology of these organisms and how they infect the plant has been restricted by the ability to visualize intact nematodes using small molecule stains, antibodies, or in situ hybridization. Consequently, there is limited information available about the internal composition of the nematodes or the biology of the effector molecules they use to reprogram their host plant. We present the Sperling prep - a whole mount method for nematode preparation that enables staining with small molecules, antibodies, or in situ hybridization chain reaction. This method does not require specialized apparatus and utilizes typical laboratory equipment and materials. By dissociating the strong cuticle and interior muscle layers, we enabled entry of the small molecule stains into the tissue. After permeabilization, small molecule stains can be used to visualize the nuclei with the DNA stain DAPI and the internal structures of the digestive tract and longitudinal musculature with the filamentous actin stain phalloidin. The permeabilization even allows entry of larger antibodies, albeit with lower efficiency. Finally, this method works exceptionally well with in situ HCR. Using this method, we have visualized effector transcripts specific to the dorsal gland and the subventral grand of the sugar beet cyst nematode, Heterodera schachtii, multiplexed in the same nematode. We were able to visualize the internal structures of the nematode as well as key effector transcripts that are used during plant infection and parasitism. Therefore, this method provides an important toolkit for studying the biology of plant-parasitic nematodes.

Abstract Sexual reproduction evolved 1-2 billion years ago and underlies the biodiversity of our planet. Nevertheless, devolution of sexual into asexual reproduction can occur across all phyla of the animal kingdom. The genetic basis for how parthenogenesis can arise is completely unknown. To understand the mechanism and benefits of parthenogenesis, we have sequenced the genome of the facultative parthenogen, Drosophila mercatorum , and compared its organisation and expression pattern during parthenogenetic or sexual reproduction. We identified three genes, desat2 , Myc , and polo in parthenogenetic D. mercatorum that when mis-regulated in a non-parthenogenetic species, D. melanogaster , enable facultative parthenogenetic reproduction. This simple genetic switch leads us to propose that sporadic facultative parthenogenesis could evolve as an ‘escape route’ preserving the genetic lineage in the face of sexual isolation.

A universal feature of metazoan reproduction is the elimination of the maternal centrosomes prior to the end of oogenesis. In animals that have a syncytial cyst stage of oocyte development, including Drosophila and mouse, the germline centrosomes undergo a migration to all reside within the oocyte. However, the functional significance of centrosome transport within the female germline and the mechanism orchestrating this event are still a mystery. The Anaphase Promoting Complex/Cyclosome (APC/C) is a multi-subunit ubiquitin ligase (E3) that temporally regulates progression of the cell cycle as well as the centrosome cycle. By altering the negative regulation of the cooperating ubiquitin conjugating enzyme (E2), Vihar/Ube2c, we show that temporal control of APC/C activity ensures centrosome stability and migration during early Drosophila oogenesis. When there is perduring APC/C activity, Polo kinase is precociously targeted for destruction, which results in centriole instability and decreased centrosome transport to the oocyte. We show that decreased centrosome transport correlates with a decreased accumulation of pericentriolar material (PCM) proteins on the oocyte nucleus, which results in a weakening of the structural integrity of the egg chamber and loss of oocyte fate - the overall consequence being a reduction in female fertility. Considering the conserved roles of the APC/C and Polo kinase throughout the animal kingdom and the fact that many animals have a syncytial stage of egg development, our results provide insight into the general necessity of gametic centrosome transport for female fertility.