Abstract Advances in sequencing technologies as well as development of algorithms and workflows have made it possible to generate fully phased genome references for organisms with non-haploid genomes such as dikaryotic rust fungi. To enable discovery of pathogen effectors and further our understanding of virulence evolution, we generated a chromosome-scale assembly for each of the two nuclear genomes of the oat crown rust pathogen, Puccinia coronata f. sp. avenae ( Pca ). This resource complements two previous released partially phased genome references of Pca , which display virulence traits absent in the isolate of historic race 203 (isolate Pca 203) which was selected for this genome project. A fully phased, chromosome-level reference for Pca 203 was generated using PacBio reads and Hi-C data and a recently developed pipeline named NuclearPhaser for phase assignment of contigs and phase switch correction. With 18 chromosomes in each haplotype and a total size of 208.10 Mbp, Pca 203 has the same number of chromosomes as other cereal rust fungi such as Puccinia graminis f. sp. tritici and Puccinia triticina , the causal agents of wheat stem rust and wheat leaf rust, respectively. The Pca 203 reference marks the third fully-phased chromosome-level assembly of a cereal rust to date. Here, we demonstrate that the chromosomes of these three Puccinia species are syntenous and that chromosomal size variations are primarily due to differences in repeat element content.

Abstract Basidiomycetes like rust fungi have complex reproductive cycles and dikaryotic life stages which influence their population structure and evolution. Puccinia coronata f. sp. avenae ( Pca ), the causal agent of oat crown rust, is a pathogen of global economic importance. To investigate the genetic diversity of the species, as well as the role of mating type system and nuclear exchange (somatic hybridization) in host adaptation of Pca we acquired whole genome sequencing data of Taiwanese and Australian isolates, adding to existing data for USA and South African populations. An atlas of 30 chromosome-level, fully-phased nuclear haplotypes from six USA isolates and nine Australian isolates was generated to capture the genomic composition of key oat crown rust lineages. This study provides evidence of nuclear exchange and recombination of haplotypes in both the USA and Australian Pca populations as mechanisms for the introduction of genetic diversity. The limitations of assuming clonal evolutionary history from virulence phenotyping is demonstrated by the detection of either sexual or cryptic genetic recombination in the Pca Australian population. Overall, the characterization of intercontinental migration of Pca at the haplotype level provides further impetus for molecular monitoring of rust pathogen populations on a global scale.

Abstract Oat is a minor forage crop grown in Taiwan. Only a few historical records of oat rust disease have been reported in the country, therefore the pathogen population remains poorly characterized. A rust-like disease outbreak was detected at the Experimental Farm of National Taiwan University in 2019, which caused significant damage to the field experiments. To determine the identity of the pathogen responsible for this disease outbreak, we collected infected foliar material. Disease signs suggested infection by the oat crown rust fungus. Hence, common procedures in rust pathology were applied to confirm the identity of the pathogen with phenotypic and molecular diagnostic techniques. A total of 50 field samples from infected oat cultivars were collected in 2019 and five rust isolates were purified in 2020 and 2021. Phylogenetic analysis based on ITS sequences indicated that the pathogen was likely Puccinia coronata f. sp. avenae ( Pca ), which was further supported by the placement of Taiwanese isolate NTU-01 with other Pca representatives in a phylogenetic tree of Basidiomycete fungi. Phenotyping assays across 36 oat differential lines demonstrated that Taiwanese isolates are phenotypically similar with relatively limited virulence. This study presents the first molecular confirmation of Pca in Taiwan and reports the virulence profiles of Taiwanese Pca population.

Puccinia coronata f. sp. avenae (Pca) is an important fungal pathogen causing crown rust that impacts oat production worldwide. Genetic resistance for crop protection against Pca is often overcome by the rapid virulence evolution of the pathogen. This study investigated the factors shaping adaptive evolution of Pca using pathogen populations from distinct geographic regions within the USA and South Africa (SA). Phenotypic and genome-wide sequencing data of these diverse Pca collections, including 217 isolates, uncovered phylogenetic relationships and established distinct genetic composition between populations from northern and southern regions from the USA and SA. The population dynamics of Pca involve a bidirectional movement of inoculum between northern and southern regions of the USA and contributions from clonality and sexuality. The population from SA is solely clonal. A genome-wide association study (GWAS) employing a haplotype-resolved Pca reference genome was used to define eleven virulence-associated loci corresponding to twenty-five oat differential lines. These regions were screened to determine candidate Avr effector genes. Overall, the GWAS results allowed us to identify the underlying genetic traits controlling pathogen recognition in an oat differential set used in the USA to assign pathogen races (pathotypes). Key GWAS findings support complex genetic interactions in several oat lines suggesting allelism among resistance genes or redundancy of genes included in the differential set, multiple resistance genes recognising genetically linked Avr effector genes, or potentially epistatic relationships. A careful evaluation of the composition of the oat differential set accompanied by the development or implementation of molecular markers is recommended.