An a-maize-ing set of genomes Maize is an important crop cultivated worldwide. As maize spread across the world, selection for local environments resulted in variation, but the impact on differences between the genome has not been quantified. By producing high-quality genomic sequences of the 26 lines used in the maize nested association mapping panel, Hufford et al . map important traits and demonstrate the diversity of maize. Examining RNA and methylation of genes across accessions, the authors identified a core set of maize genes. Beyond this core set, comparative analysis across lines identified high levels of variation in the total set of genes, the maize pan-genome. The value of this resource was further exemplified by mapping quantitative traits of interest, including those related to pathogen resistance. —LMZ

Abstract We report de novo genome assemblies, transcriptomes, annotations, and methylomes for the 26 inbreds that serve as the founders for the maize nested association mapping population. The data indicate that the number of pan-genes exceeds 103,000 and that the ancient tetraploid character of maize continues to degrade by fractionation to the present day. Excellent contiguity over repeat arrays and complete annotation of centromeres further reveal the locations and internal structures of major cytological landmarks. We show that combining structural variation with SNPs can improve the power of quantitative mapping studies. Finally, we document variation at the level of DNA methylation, and demonstrate that unmethylated regions are enriched for cis-regulatory elements that overlap QTL and contribute to changes in gene expression. One sentence summary A multi-genome analysis of maize reveals previously unknown variation in gene content, genome structure, and methylation.

Abstract Toll/interleukin-1 Receptor (TIR) domains are integral to immune systems across all domains of life. TIRs exist as single-domain and as larger receptor or adaptor proteins. In plants, TIRs constitute N-terminal domains of nucleotide-binding leucine-rich repeat (NLR) immune receptors. Although TIR-NLR and TIR signaling requires the Enhanced disease susceptibility 1 (EDS1) protein family, TIR domains persist in species that have incomplete or no EDS1 members. To assess whether particular TIR groups appear with EDS1, we searched for TIR-EDS1 co-occurrence patterns. Using a large-scale phylogenetic analysis of TIR domains from 39 algae and land plant species, we identify four conserved TIR groups, two of which are TIR-NLRs present in eudicots and two are more widespread. Presence of one TIR-only protein group is highly correlated with EDS1 and members of this group elicit EDS1 -dependent cell death. By contrast, a more widely represented TIR group of TIR-NB-WD40/TPR (TNP) proteins (formerly called XTNX) has at least one member which can induce EDS1 -independent cell death. Our data provide a new phylogeny-based plant TIR classification and identify TIR groups that appear to have evolved with and are dependent on EDS1 , while others have EDS1 -independent activity. One sentence summary Land plants have evolved four conserved TIR groups

Abstract Background The plant immune system is innate, encoded in the germline. Using it efficiently, plants are capable of recognizing a diverse range of rapidly evolving pathogens. A recently described phenomenon shows that plant immune receptors are able to recognize pathogen effectors through the acquisition of exogenous protein domains from other plant genes. Results We showed that plant immune receptors with integrated domains are distributed unevenly across their phylogeny in grasses. Using phylogenetic analysis, we uncovered a major integration clade, whose members underwent repeated independent integration events producing diverse fusions. This clade is ancestral in grasses with members often found on syntenic chromosomes. Analyses of these fusion events revealed that homologous receptors can be fused to diverse domains. Furthermore, we discovered a 43 amino acids long motif that was associated with this dominant integration clade and was located immediately upstream of the fusion site. Sequence analysis revealed that DNA transposition and/or ectopic recombination are the most likely mechanisms of NLR-ID formation. Conclusions The identification of this subclass of plant immune receptors that is naturally adapted to new domain integration will inform biotechnological approaches for generating synthetic receptors with novel pathogen ‘baits’.

Abstract Since emerging in Brazil in 1985, wheat blast has spread throughout South America and recently appeared in Bangladesh and Zambia. We show that two wheat resistance genes, Rwt3 and Rwt4 , acting as host-specificity barriers against non-Triticum blast pathotypes encode a nucleotide-binding leucine-rich repeat immune receptor and a tandem kinase, respectively. Molecular isolation of these genes allowed us to develop assays that will ensure the inclusion of these two genes in the wheat cultivars to forestall the recurrence of blast host jumps.

Abstract Duckweeds are notoriously invasive plants. They are successful in inhabiting diverse environments, despite their lack of conventional immune pathways that are essential for disease resistance in other plant species. It is unclear how duckweeds thrive in the absence of these immune pathways. In this study, we investigated the effect of bacteria from duckweeds’ natural habitat on disease progression utilizing the duckweed- Pseudomonas pathosystem. Through nanopore sequencing of 16S and ITS rDNA amplicons we identified duckweed-associated bacterial and fungal genera present at three environmental sites. The pond filtrate from one of the three environmental locations primed duckweed’s pathogen defenses leading to a reduction in disease symptoms. Furthermore, we were able to identify bacterial isolates from the filtrate that protect duckweed from disease symptoms upon Pseudomonas pathogen inoculation. The isolated protective bacteria belong to the Pseudomonas genus, and we demonstrated antagonistic interactions between the pathogen and beneficial strains in vitro and in vivo . The ability of our environmental isolates to protect against Pseudomonas pathogens appears to be plant/species specific as environmental strains showed no protective effect against Pseudomonas pathogens in Arabidopsis assays. Genome sequencing of the beneficial Pseudomonas strains showed the presence of several genes involved in bacterial competition. We have thus demonstrated that Pseudomonas species from duckweeds natural habitat can successfully antagonize other plant pathogens.

Plant innate immunity relies on NLR receptors that recognize pathogen derived molecules and activate downstream signalling pathways. We analyzed the variation in copy number of NLR genes across flowering plants, and identified a number of species with a low number of NLRs relative to sister species. Two distinct lineages, one monocot (Lentibulariaceae) and one dicot (Alismatales) encapsulate four species with particularly few NLR genes. In these lineages, loss of NLRs coincided with loss of the well-known downstream immune signalling complex (EDS1-PAD4). When we expanded our analysis across the whole proteomes, we were able to identify other characterized immune genes absent only in Lentibulariaceae and Alismatales. Additionally, we identified a small subset of genes with unknown function convergently lost in all four species. We predicted that some of these genes may have a role in plant immunity. Gene expression analyses confirmed that a group of these genes was differentially expressed under pathogen infection. Another subset of these genes was differentially expressed upon drought providing further evidence of a link between the drought and plant immunity.

Disease resistance genes encoding intracellular immune receptors of the nucleotide-binding and leucine-rich repeat (NLR) class of proteins detect pathogens by the presence of pathogen effectors. Plant genomes typically contain hundreds of NLR encoding genes. The availability of the hexaploid wheat cultivar Chinese Spring reference genome now allows a detailed study of its NLR complement. However, low NLR expression as well as high intra-family sequence homology hinders their accurate gene annotation. Here we developed NLR-Annotator for in silico NLR identification independent of transcript support. Although developed for wheat, we demonstrate the universal applicability of NLR-Annotator across diverse plant taxa. Applying our tool to wheat and combining it with a transcript-validated subset of genes from the reference gene annotation, we characterized the structure, phylogeny and expression profile of the NLR gene family. We detected 3,400 full-length NLR loci of which 1,540 were confirmed as complete genes. NLRs with integrated domains mostly group in specific sub-clades. Members of another subclade predominantly locate in close physical proximity to NLRs carrying integrated domains suggesting a paired helper-function. Most NLRs (88%) display low basal expression (in the lower 10 percentile of transcripts), which may be tissue-specific and/or induced by biotic stress. As a case study for applying our tool to the positional cloning of resistance genes, we estimated the number of NLR genes within the intervals of mapped rust resistance genes. Our study will support the identification of functional resistance genes in wheat to accelerate the breeding and engineering of disease resistant varieties.

Wolffia is the fastest growing plant genus on Earth with a recorded doubling time of less than a day. Wolffia has a dramatically reduced body plan, primarily growing through a continuous, budding-type asexual reproduction with no obvious phase transition. Most plants are bound by the 24-hour light-dark cycle with the majority of processes such as gene expression partitioned or phased to a specific time-of-day (TOD). However, the role that TOD information and the circadian clock plays in facilitating the growth of a fast-growing plant is unknown. Here we generated draft reference genomes for Wolffia australiana (Benth.) Hartog & Plas to monitor gene expression over a two-day time course under light-dark cycles. Wolffia australiana has the smallest genome size in the genus at 357 Mb, and has a dramatically reduced gene set at 15,312 with a specific loss of root (WOX5), vascular (CASP), circadian (TOC1), and light-signaling (NPH3) genes. Remarkably, it has also lost all but one of the NLR genes that are known to be involved in innate immunity. In addition, only 13% of its genes cycle, which is far less than in other plants, with an overrepresentation of genes associated with carbon processing and chloroplast-related functions. Despite having a focused set of cycling genes, TOD cis-elements are conserved in W. australiana , consistent with the overall conservation of transcriptional networks. In contrast to the model plants Arabidopsis thaliana and Oryza sativa , the reduction in cycling genes correlates with fewer pathways under TOD control in Wolffia, which could reflect a release of functional gating. Since TOD networks and the circadian clock work to gate activities to specific times of day, this minimization of regulation may enable Wolffia to grow continuously with optimal economy. Wolffia is an ideal model to study the transcriptional control of growth and the findings presented here could serve as a template for plant improvement.

Abstract ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY 1 (EDS1) mediates the induction of defense responses against pathogens in most land plants. However, it has recently been shown that a few species have lost EDS1. It is unknown how defense against disease unfolds and evolves in the absence of EDS1. Here we utilize duckweeds; a collection of aquatic species that lack EDS1, to investigate this question. We successfully established duckweed- Pseudomonas pathosystems and were able to characterize pathogen-induced responses in an immune system that lacks the EDS1 signaling pathway. We show that the copy number of infection-associated genes and the infection-induced transcriptional responses of duckweeds differ from that of other model species. Moreover, we show that the conservation of canonical Microbe Triggered Immunity and Effector Triggered Immunity pathways varies between duckweed species. This work shows that pathogen defense has evolved along different trajectories and uncovers alternative genomic and transcriptional reprogramming. Specifically, the miAMP1 domain containing proteins, which are absent in Arabidopsis, show pathogen responsive upregulation in duckweeds. Despite such divergence between Arabidopsis and duckweed species, we find evidence for the conservation of upregulation of certain genes and the role of hormones in response to disease. Our work highlights the importance of expanding the pool of model species to study defense responses that have evolved in the plant kingdom, including those independent of EDS1.