White root rot, caused by the ascomycete Rosellinia necatrix, is a devastating disease worldwide, particularly in fruit trees in Japan. Here we report on the biological and molecular properties of a novel bipartite double-stranded RNA (dsRNA) virus encompassing dsRNA-1 (8,931 bp) and dsRNA-2 (7,180 bp), which was isolated from a field strain of R. necatrix, W779. Besides the strictly conserved 5' (24 nt) and 3' (8 nt) terminal sequences, both segments show high levels of sequence similarity in the long 5' untranslated region of approximately 1.6 kbp. dsRNA-1 and -2 each possess two open reading frames (ORFs) named ORF1 to -4. Although the protein encoded by 3'-proximal ORF2 on dsRNA-1 shows sequence identities of 22 to 32% with RNA-dependent RNA polymerases from members of the families Totiviridae and Chrysoviridae, the remaining three virus-encoded proteins lack sequence similarities with any reported mycovirus proteins. Phylogenetic analysis showed that the W779 virus belongs to a separate clade distinct from those of other known mycoviruses. Purified virions approximately 50 nm in diameter consisted of dsRNA-1 and -2 and a single major capsid protein of 135 kDa, which was shown by peptide mass fingerprinting to be encoded by dsRNA-1 ORF1. We developed a transfection protocol using purified virions to show that the virus was responsible for reduction of virulence and mycelial growth in several host strains. These combined results indicate that the W779 virus is a novel bipartite dsRNA virus with potential for biological control (virocontrol), named Rosellinia necatrix megabirnavirus 1 (RnMBV1), that possibly belongs to a new virus family.

The Partitiviridae is a family of small, isometric, non-enveloped viruses with bisegmented double-stranded (ds) RNA genomes of 3-4.8 kbp. The two genome segments are individually encapsidated. The family has five genera, with characteristic hosts for members of each genus: either plants or fungi for genera Alphapartitivirus and Betapartitivirus, fungi for genus Gammapartitivirus, plants for genus Deltapartitivirus and protozoa for genus Cryspovirus. Partitiviruses are transmitted intracellularly via seeds (plants), oocysts (protozoa) or hyphal anastomosis, cell division and sporogenesis (fungi); there are no known natural vectors. This is a summary of the International Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV) Report on the taxonomy of the Partitiviridae, which is available at www.ictv.global/report/partitiviridae.

Abstract Plants recognize a variety of external signals and induce appropriate mechanisms to increase their tolerance to biotic and abiotic stresses. Precise recognition of attacking pathogens and induction of effective resistance mechanisms are critical functions for plant survival. Some molecular patterns unique to a certain group of microbes, microbe-associated molecular patterns (MAMPs), are sensed by plant cells as non-self molecules via pattern recognition receptors. While MAMPs of bacterial and fungal origin have been identified, reports on oomycete MAMPs are relatively limited. This study aimed to identify MAMPs from an oomycete pathogen Phytophthora infestans , the causal agent of potato late blight. Using reactive oxygen species (ROS) production and phytoalexin production in potato as markers, two structurally different groups of elicitors, namely ceramides and diacylglycerols were identified. P. infestans ceramides (Pi-Cer A, B and D) induced ROS production, while diacylglycerol (Pi-DAG A and B), containing eicosapentaenoic acid (EPA) as a substructure, induced phytoalexins production in potato. The molecular patterns in Pi-Cers and Pi-DAGs essential for defense induction were identified as 9-methyl-4,8-sphingadienine (9Me-Spd) and 5,8,11,14-tetraene-type fatty acid (5,8,11,14-TEFA), respectively. These structures are not found in plants, but in oomycetes and fungi, indicating that they are microbe molecular patterns recognized by plants. When Arabidopsis was treated with Pi-Cer D and EPA, partially overlapping but different sets of genes were induced. Furthermore, expression of some genes is upregulated only after the simultaneous treatment with Pi-Cer D and EPA, indicating that plants combine the signals from simultaneously recognized MAMPs to adapt the defense response to pathogens.

ABSTRACT Botrytis cinerea is a necrotrophic pathogen that infects across a broad range of plant hosts, including high-impact crop species. Its generalist necrotrophic behavior stems from its ability to detoxify structurally diverse phytoalexins. The current study aims to provide evidence of the ability of B. cinerea to tolerate the sesquiterpenoid phytoalexin rishitin, which is produced by potato and tomato. While the growth of potato pathogens Phytophthora infestans (late blight) and Alternaria solani (early blight) was severely inhibited by rishitin, B. cinerea was tolerant to rishitin. After incubation of rishitin with the mycelia of B. cinerea , it was metabolized to at least six oxidized forms. Structural analysis of these purified rishitin metabolites revealed a variety of oxidative metabolism including hydroxylation at C7 or C12, ketone formation at C5, and dihydroxylation at the 10,11-olefin. Six rishitin metabolites showed reduced toxicity to P. infestans and A. solani , indicating that B. cinerea has at least 5 distinct enzymatic reactions to detoxify rishitin. Four host-specialized phytopathogenic Botrytis species, namely B. elliptica, B. allii, B. squamosa, and B. tulipae also had at least a partial ability to metabolize rishitin as B. cinerea , but their metabolic capacity was significantly weaker than that of B. cinerea . These results suggest that the ability of B. cinerea to rapidly metabolize rishitin through multiple detoxification mechanisms could be critical for its pathogenicity in potato and tomato.

ABSTRACT Plants recognize molecular patterns unique to a certain group of microbes to induce effective resistance mechanisms. Elicitins are secretory proteins produced by plant pathogenic oomycete genera including Phytophthora and Pythium . Treatment of INF1 (an elicitin produced by P. infestans ) induces a series of defense responses in Nicotiana species, including reactive oxygen species (ROS) production, transient induction of ethylene production, hypersensitive cell death and accumulation of the sesquiterpenoid phytoalexin capsidiol. In this study, we analyzed the expression profiles of N. benthamiana genes after INF1 treatment by RNAseq analysis. Based on their expression patterns, N. benthamiana genes were categorized into 20 clusters and 4,761 (8.3%) out of 57,140 genes were assigned to the clusters for INF1-induced genes. All genes encoding enzymes dedicated to capsidiol production, 5- epi -aristolochene (EA) synthase ( NbEAS , 10 copies) and EA dehydrogenase ( NbEAH , 6 copies), and some genes for ethylene production, such as 1-aminocyclopropane 1-carboxylate (ACC) synthase ( NbACS ) and ACC oxidase ( NbACO ), were significantly upregulated by INF1 treatment. Analysis of NbEAS1 and NbEAS4 promoters revealed that AGACGCC (GCC box-like motif) is the essential cis-element required for INF1-induced expression of NbEAS genes. Given that the GCC box is known to be targeted by ERF (ethylene-responsive factor) transcription factors, we created a complete list of N. benthamiana genes encoding AP2/ERF family transcription factors, and identified 45 out of 337 AP2/ERF genes in the clusters for INF1-induced genes. Among INF1-induced NbERF genes, silencing of NbERF-IX-33 compromised resistance against P. infestans and INF1-induced production of capsidiol. Recombinant NbERF-IX-33 protein can bind to the promoter sequence of NbEAS4 , suggesting that NbERF-IX-33 is a transcription factor directly regulating the expression of genes for phytoalexin production.

ABSTRACT Basal plant immune responses are activated by the recognition of the conserved pathogen-associated molecular patterns (PAMPs), or breakdown molecules released from plants after damage by pathogen infection, so-called danger-associated molecular patterns (DAMPs). While chitin-oligosaccharide (CHOS), a primary component of the fungal cell wall, is most known as PAMP, plant cell wall-derived oligosaccharides, cello-oligosaccharides (COS) from cellulose and xylo-oligosaccharide (XOS) from hemicellulose, are representative DAMPs, which activate signaling steps similar to PAMP-induced immunity to elicit defenses and provide protection against pathogens. In this study, elicitor activities of COS prepared from cotton linters, XOS prepared from corn cobs as well as chitin-oligosaccharide (CHOS) from crustacean shells were comparatively investigated. In Arabidopsis, treatment of COS, XOS or CHOS triggered typical defense responses such as reactive oxygen species (ROS) production, activation of MAP kinases phosphorylation, callose depositions, and activation of the promoter for defense-related transcription factor WRKY33 . When COS, XOS and CHOS were used at concentrations with similar activity in inducing ROS production and callose depositions, CHOS was particularly highly potent in activating the MAPK kinases and WRKY33 promoters. Among the COS and XOS with different degrees of polymerization (DP), cellotriose (DP3) and xylotetraose (DP4) showed the highest activity for the activation of WRKY33 promoter. Simultaneous treatment of COS, XOS and CHOS leads to a strong transcriptional change for defense-related genes, and gene ontology (GO) enrichment analysis of RNAseq data revealed that a mixture of three oligosaccharide (oligo-mix) effectively activate the plants disease resistance. In practice, treatment of the oligo-mix enhanced the resistance of tomato to powdery mildew, but plant growth was not inhibited but rather tended to be promoted, providing evidence that mixed oligosaccharides have beneficial effects on improving disease resistance in plants, making them a promising class of compounds for practical application.

Abstract The gray mold pathogen Botrytis cinerea has a broad host range, causing disease in over 400 plant species, but it is not known how this pathogen evolved this polyxenous nature. B. cinerea can metabolize a wide range of phytoalexins, including the stilbenoid, resveratrol, and the sesquiterpenoids capsidiol in tobacco, and rishitin in potato and tomato. In this study, we analyzed the metabolism of sesquiterpenoid phytoalexins by B. cinerea . Capsidiol was dehydrogenated to capsenone which was then further oxidized, while rishitin was directly oxidized to epoxy-or hydroxy-rishitins indicating that B. cinerea has separate mechanisms to detoxify structurally similar sesquiterpenoid phytoalexins. RNAseq analysis revealed that a distinct set of genes were induced in B. cinerea when treated with capsidiol or rishitin, suggesting that B. cinerea can distinguish structurally similar phytoalexins to activate appropriate detoxification mechanisms. The gene most highly upregulated by capsidiol treatment encoded a dehydrogenase, designated Bccpdh . Heterologous expression of Bccpdh in a capsidiol-sensitive plant symbiotic fungus, Epichloë festucae , resulted in an acquired tolerance of capsidiol and the ability to metabolize capsidiol to capsenone, while B. cinerea Δbccpdh mutants became relatively sensitive to capsidiol. The Δbccpdh mutant showed reduced virulence on the capsidiol producing Nicotiana and Capsicum species but remained fully pathogenic on potato and tomato. Homologs of Bccpdh are not found in taxonomically distant Ascomycota fungi but not in related Leotiomycete species, suggesting that B. cinerea acquired the ancestral Bccpdh by horizontal gene transfer, thereby extending the pathogenic host range of this polyxenous pathogen to capsidiol-producing plant species. Significance Statement B. cinerea can metabolize a wide range of phytoalexins, however, the extent to which phytoalexin detoxification contributes to pathogenicity is largely unknown. In this study, we have shown that B. cinerea recognizes structurally resembling sesquiterpenoid phytoalexins, rishitin and capsidiol, to activate appropriate detoxification mechanisms. We identify Bccpdh , encoding a dehydrogenase for capsidiol detoxification, which is upregulated in B. cinerea exclusively during the infection of capsidiol producing plant species, and is required to exert full virulence. Analysis of the Bccpdh locus implicates that the gene was acquired via horizontal gene transfer. This work highlights that the polyxenous plant pathogen B. cinerea can distinguish its host plants by its anti-microbial compounds, to activate appropriate mechanisms for enhanced virulence.

ABSTRACT Botrytis cinerea , a generalist fungal pathogen of economically important crop species, has been shown to exhibit reduced sensitivity to fungicides and plant toxins. Specifically, previous reports indicate B. cinerea ’s efficacy in tolerating a wide array of phytoalexins, toxic plant metabolites that play key role in plant immune defense strategies. Previously, we have shown that a distinct set of genes was induced in B. cinerea when treated with phytoalexins derived from different plant species such as rishitin (tomato and potato), capsidiol (tobacco and bell pepper) or resveratrol (grape and blueberry). In this study, we focused on the functional analyses of B. cinerea genes induced by rishitin treatment. B. cinerea can metabolize rishitin to at least 4 oxidized forms. Heterologous expression of rishitin-induced B. cinerea genes in the plant symbiotic fungus, Epichloë festucae , revealed that oxidoreductase (Bcin08g04910) and cytochrome P450 (Bcin16g01490) genes are involved in the oxidation of rishitin. BcatrB is an exporter of structurally unrelated anti-microbial compounds such as resveratrol, camalexin and fungicide fenpicionil. Expression of BcatrB is upregulated by rishitin, but not by structurally resembling capsidiol. BcatrB knock out transformants ( ΔbcatrB ) showed enhanced sensitivity to rishitin, but not to capsidiol. Likewise, ΔbcatrB showed reduced virulence on tomato fruits (which produce rishitin), but showed full virulence on Nicotiana benthamiana (which mainly produces capsidiol), suggesting that B. cinerea distinguishes phytoalexins and activates expression of appropriate transporter genes during the infection. Activation of BcatrB promoter was detected using P_ BcatrB : GFP transformant during the B. cinerea infection in plant tissues. Surveying of 26 plant species across 13 families revealed that the BcatrB promoter is mainly activated during the infection of plants belonging to the Solanaceae, Fabaceae and Brassicaceae families. The BcatrB promoter is activated by the treatment with Fabaceae phytoalexins medicarpin and glyceollin, and ΔbcatrB showed reduced virulence on red clover, which produces medicarpin. These results suggest that BcatrB plays a critical role in the strategy employed by B. cinerea to bypass the plant innate immune responses in a wide variety of important crops belonging to the Solanaceae, Brassicaceae and Fabaceae families.

Abstract Small self-cleaving ribozymes are catalytic RNAs originally discovered in viroid-like agents, which are infectious circular RNAs (circRNAs) postulated as relics of a prebiotic RNA world. In the last decade, however, small ribozymes have also been detected across the tree of life, from bacterial to human genomes, and more recently, in viral agents with circRNA genomes. Here we report the conserved occurrence of small ribozymes within the linear genomes of typical ds and ssRNA viruses from fungi and plants. In most 5’-UTR regions of chrysovirids and fusarivirids, we find conserved type I hammerhead ribozymes (hhrbzs) showing efficient self-cleaving activity in vitro and in vivo . Similar hhrbzs, as well as hepatitis delta and twister ribozymes, were also detected in megabirna-, hypo-, fusagra- and toti-like viruses. These ribozymes occur as isolated motifs but also as close tandem pairs, suggesting that they are involved in the formation of ∼300 nt circRNAs. In vivo characterization of a chrysovirid hhrbz revealed its unexpected role in protein translation as an internal ribosome entry site (IRES). RNA structural comparison between the hammerhead three-way junction and the core domain of picornavirus IRES elements allow us to suggest that these simple ribozymes may follow a similar strategy to achieve cap-independent translation. We conclude that self-cleaving ribozymes, historically involved in the rolling circle replication of viroid-like agents, have been exapted towards translational functions in linear RNA viruses.

Abstract In the genome of the heterocystous cyanobacterium Calothrix sp. NIES-4101 (NIES-4101), the four genes essential for nitrogen fixation ( nifB , nifH , nifD , and nifK ) are highly fragmented into 13 parts in a 350-kb chromosomal region, and four of these parts are encoded in the reverse strand. Such a complex fragmentation feature makes it difficult to restore the intact nifBHDK genes by the excision mechanism found in the nifD gene of the Anabaena sp. PCC 7120 heterocyst. To examine the nitrogen-fixing ability of NIES-4101, we confirmed that NIES-4101 grew well on combined nitrogen-free medium and showed high nitrogenase activity, which strongly suggested that the complete nifBHDK genes are restored by a complex recombination process in heterocysts. Next, we resequenced the genome prepared from cells grown under nitrogen-fixing conditions. Two contigs covering the complete nifHDK and nifB genes were found by de novo assembly of the sequencing reads. In addition, DNA fragments covering the nifBHDK operon were successfully amplified by PCR. We propose that the process of nifBHDK restoration occurs as follows. First, the nifD-nifK genes are restored by four excision events. Then the complete nifH and nifB genes are restored by two excision events followed by two successive inversion events between the inverted repeat sequences and one excision event, forming the functional nif gene cluster, nifB-fdxN-nifS-nifU-nifH-nifD-nifK . All genes coding recombinases responsible for these nine recombination events are located close to the terminal repeat sequences. The restoration of the nifBHDK genes in NIES-4101 is the most complex genome reorganization reported in heterocystous cyanobacteria.