From Blight to Powdery Mildew Pathogenic effects of microbes on plants have widespread consequences. Witness, for example, the cultural upheavals driven by potato blight in the 1800s. A variety of microbial pathogens continue to afflict crop plants today, driving both loss of yield and incurring the increased costs of control mechanisms. Now, four reports analyze microbial genomes in order to understand better how plant pathogens function (see the Perspective by Dodds ). Raffaele et al. (p. 1540 ) describe how the genome of the potato blight pathogen accommodates transfer to different hosts. Spanu et al. (p. 1543 ) analyze what it takes to be an obligate biotroph in barley powdery mildew, and Baxter et al. (p. 1549 ) ask a similar question for a natural pathogen of Arabidopsis . Schirawski et al. (p. 1546 ) compared genomes of maize pathogens to identify virulence determinants. Better knowledge of what in a genome makes a pathogen efficient and deadly is likely to be useful for improving agricultural crop management and breeding.

Abstract DNA methylation is found throughout all domains of life, yet the extent and function of DNA methylation differ between eukaryotes. Strains of the plant pathogenic fungus Zymoseptoria tritici appeared to lack cytosine DNA methylation (5mC) because gene amplification followed by Repeat-Induced Point mutation (RIP) resulted in the inactivation of the dim2 DNA methyltransferase gene. 5mC is, however, present in closely related sister species. We demonstrate that inactivation of dim2 occurred recently as some Z. tritici isolates carry a functional dim2 gene. Moreover, we show that dim2 inactivation occurred by a different path than previously hypothesized. We mapped the genome-wide distribution of 5mC in strains with and without functional dim2 . Presence of functional dim2 correlates with high levels of 5mC in transposable elements (TEs), suggesting a role in genome defense. We identified low levels of 5mC in strains carrying inactive dim2 alleles, suggesting that 5mC is maintained over time, presumably by an active Dnmt5 DNA methyltransferase. Integration of a functional dim2 allele in strains with mutated dim2 restored normal 5mC levels, demonstrating de novo cytosine methylation activity of dim2 . To assess the importance of 5mC for genome evolution, we performed an evolution experiment, comparing genomes of strains with high levels of 5mC to genomes of strains lacking dim2 . We found that the presence of dim2 alters nucleotide composition by promoting C to T transitions (C→T) specifically at CpA (CA) sites during mitosis, likely contributing to TE inactivation. Our results show that 5mC density at TEs is a polymorphic trait in Z. tritici populations that can impact genome evolution. Author Summary Cytosine DNA methylation (5mC) is known to silence transposable elements in fungi and thereby appears to contribute to genome stability. The genomes of plant pathogenic fungi are highly diverse, differing substantially in transposon content and distribution. Here, we show extensive differences of 5mC levels within a single species of an important wheat pathogen. These differences were caused by inactivation of the DNA methyltransferase Dim2 in the majority of studied isolates. Presence of widespread 5mC increased point mutation rates in regions with active or mutated transposable elements during mitosis. The mutation pattern is dependent on the presence of Dim2 and resembles a mitotic version of Repeat-Induced Point mutation (RIP). Thus, loss of 5mC may represent an evolutionary trade-off offering adaptive potential at the cost of transposon control.

Abstract Transposable elements (TEs) impact genome plasticity, architecture and evolution in fungal plant pathogens. The wide range of TE content observed in fungal genomes reflects diverse efficacy of host-genome defence mechanisms that can counter-balance TE expansion and spread. Closely related species can harbour drastically different TE repertoires, suggesting variation in the efficacy of genome defences. The evolution of fungal effectors, which are crucial determinants of pathogenicity, has been linked to the activity of TEs in pathogen genomes. Here we describe how TEs have shaped genome evolution of the fungal wheat pathogen Zymoseptoria tritici and four closely related species. We compared de novo TE annotations and Repeat-Induced Point mutation signatures in thirteen genomes from the Zymoseptoria species-complex. Then, we assessed the relative insertion ages of TEs using a comparative genomics approach. Finally, we explored the impact of TE insertions on genome architecture and plasticity. The thirteen genomes of Zymoseptoria species reflect different TE dynamics with a majority of recent insertions. TEs associate with distinct genome compartments in all Zymoseptoria species, including chromosomal rearrangements, genes showing presence/absence variation and effectors. European Z. tritici isolates have reduced signatures of Repeat-Induced Point mutations compared to Iranian isolates and closely related species. Our study supports the hypothesis that ongoing but moderate TE mobility in Zymoseptoria species shapes pathogen genome evolution.

Human activity impacts the evolutionary trajectories of many species worldwide. Global trade of agricultural goods contributes to the dispersal of pathogens reshaping their genetic makeup and providing opportunities for virulence gains. Understanding how pathogens surmount control strategies and cope with new climates is crucial to predicting the future impact of crop pathogens. Here, we address this by assembling a global thousand-genome panel of Zymoseptoria tritici , a major fungal pathogen of wheat reported in all production areas worldwide. We identify the global invasion routes and ongoing genetic exchange of the pathogen among wheat-growing regions. We find that the global expansion was accompanied by increased activity of transposable elements and weakened genomic defenses. Finally, we find significant standing variation for adaptation to new climates encountered during the global spread. Our work shows how large population genomic panels enable deep insights into the evolutionary trajectory of a major crop pathogen.

Abstract Yield losses caused by fungal pathogens represent a major threat to global food production. One of the most devastating fungal wheat pathogens is Zymoseptoria tritici . Despite the importance of this fungus and wheat as main staple food crop the underlying mechanisms of plant-pathogen interactions are poorly understood. Here we present a conceptual framework based on coinfection assays, comparative metabolomics, and microbiome profiling to study the interaction of Z. tritici in susceptible and resistant wheat. We demonstrate that Z. tritici suppresses the production of immune-related metabolites in a susceptible cultivar. Remarkably, this fungus-induced immune suppression spreads within the leaf and even to other leaves, a previously undescribed phenomenon that we term “systemic induced susceptibility”. Using a comparative metabolomics approach, we identified defense-related biosynthetic pathways that are suppressed and induced in susceptible and resistant cultivars, respectively. We show that these fungus-induced changes also dramatically affect the wheat leaf microbiome. Our findings emphasize that immune suppression by this hemibiotrophic pathogen impacts specialized plant metabolism, alters its associated microbial communities, and renders wheat vulnerable to further infections.

Abstract In plant-associated fungi, the role of the epigenome is increasingly recognized as an important regulator of genome structure and of the expression of genes involved in interaction(s) with the host plant. Two closely-related phytopathogenic species, Leptosphaeria maculans ‘brassicae’ (Lmb) and L. maculans ‘lepidii’ (Lml) exhibit a large conservation of genome synteny but contrasting genome structure. Lmb has undergone massive invasion of its genome by transposable elements amounting to one third of its genome and clustered in large TE-rich regions on chromosomal arms, while Lml genome has only a small amount of repeats (3% of the genome). Previous studies showed that the TE-rich regions of Lmb harbour a few species-specific effector genes, expressed during plant infection. The distinct genome structures shown by Lmb and Lml thus provides an excellent model for comparing the organization of pathogenicity/effector genes in relation to the chromatin landscape in two closely related phytopathogenic fungi. Here, we performed chromatin immunoprecipitation during axenic culture, targeting either histone modifications typical for heterochromatin or euchromatin, combined with transcriptomic analysis to analyse the influence of chromatin organisation on gene expression. In both species, we found that facultative heterochromatin landscapes associated with H3K27me3-domains are enriched with genes lacking functional annotation, including numerous candidate effector and species-specific genes. Notably, orthologous genes located in H3K27me3-domains in both species are enriched with genes encoding putative proteinaceous and metabolic effectors. These genes are mostly silenced in axenic growth conditions and are likely to be involved in interaction with the host. Compared to other fungal species, including Lml, Lmb is distinct in having large H3K9me3-domains associated with TE-rich regions that contain numerous species-specific effector-encoding genes. Discovery of these two distinctive heterochromatin landscapes now raises questions about their involvement in the regulation of pathogenicity, the dynamics of these domains during plant infection, and the selective advantage to the fungus to host effector genes in H3K9me3- or H3K27me3-domains.

Abstract Meiosis is associated with genetic changes in the genome - via recombination, gene conversion, and mutations. The occurrence of gene conversion and mutations during meiosis may further be influenced by the chromatin conformation, in analogy to what is known for mutations during mitosis. To date, however, the exact distribution and type of meiosis-associated changes and the role of the chromatin conformation in this context is largely unexplored. Here, we determine recombination, gene conversion, and de novo mutations using whole-genome sequencing of all meiotic products of 23 individual meioses in Zymoseptoria tritici , an important pathogen of wheat. We could confirm a high genome-wide recombination rate of 65 cM/Mb and see higher recombination rates on the accessory compared to core chromosomes. A substantial fraction of 0.16% of all polymorphic markers was affected by gene conversions, showing a weak GC-bias, and occurring at higher frequency in regions of constitutive heterochromatin, indicated by the histone modification H3K9me3. The de novo mutation rate associated with meiosis was approx. three orders of magnitude higher than the corresponding mitotic mutation rate. Importantly, repeat-induced point mutation (RIP), a fungal defense mechanism against duplicated sequences, is active in Z. tritici and responsible for the majority of these de novo meiotic mutations. Our results indicate that the genetic changes associated with meiosis are a major source of variability in the genome of an important plant pathogen and shape its evolutionary trajectory. Importance The impact of meiosis on the genome composition via gene conversion and mutations is mostly poorly understood, in particular for non-model species. Here, we sequenced all four meiotic products for 23 individual meioses and determined the genetic changes caused by meiosis for the important fungal wheat pathogen Zymoseptoria tritici . We found a high rate of gene conversions and an effect of the chromatin conformation on gene conversion rates. Higher conversion rates were found in regions enriched with the H3K9me3 – a mark for constitutive heterochromatin. Most importantly, meiosis was associated with a much higher frequency of de novo mutations than mitosis. 78% of the meiotic mutations were caused by repeat-induced point mutations – a fungal defense mechanism against duplicated sequences. In conclusion, the genetic changes associated with meiosis are therefore a major factor shaping the genome of this fungal pathogen.

Abstract Zymoseptoria tritici is the most economically significant fungal pathogen of wheat in Europe. However, despite the importance of this pathogen, the molecular interactions between pathogen and host during infection are not well understood. Herein, we describe the use of two libraries of cloned Z. tritici effectors that were screened to identify effector candidates with putative pathogen associated molecular pattern (PAMP) triggered immunity (PTI)-suppressing activity. The effectors from each library were transiently expressed in Nicotiana benthamiana , and expressing leaves were treated with bacterial or fungal PAMPs to assess the effectors’ ability to suppress reactive oxygen species (ROS) production. From these screens, numerous effectors were identified with PTI-suppressing activity. In addition, some effectors were able to suppress cell death responses induced by other Z. tritici secreted proteins. We used structural prediction tools to predict the putative structures of all of the Z. tritici effectors, and used these predictions to examine whether there was enrichment of specific structural signatures among the PTI-suppressing effectors. From among the libraries, multiple members of the killer protein-like 4 (KP4) and killer protein-like 6 (KP6) effector families were identified as PTI-suppressors. This observation is intriguing, as these protein families were previously associated with antimicrobial activity rather than virulence or host manipulation. This data provides mechanistic insight into immune suppression by Z. tritici during infection, and suggests that similar to biotrophic pathogens, this fungus relies on a battery of secreted effectors to suppress host immunity during early phases of colonisation.

Summary The genome of the wheat pathogenic fungus, Zymoseptoria tritici, represents extensive presence-absence variation in gene content. Here, we addressed variation in biosynthetic gene clusters (BGCs) content and biochemical profiles among three isolates. We analysed secondary metabolite properties based on genome, transcriptome and metabolome data. The isolates represent highly distinct genome architecture, but harbor similar repertoire of BGCs. Expression profiles for most BGCs show comparable patterns of regulation among the isolates, suggesting a conserved “biochemical infection program”. For all three isolates, we observed a strong up-regulation of an abscisic acid (ABA) gene cluster during biotrophic host colonization, indicating that Z. tritici potentially interfere with host defenses by the biosynthesis of this phytohormone. Further, during in vitro growth the isolates show similar metabolomes congruent with the predicted BGC content. We assessed if secondary metabolite production is regulated by histone methylation using a mutant impaired in formation of facultative heterochromatin (H3K27me3). In contrast to other ascomycete fungi, chromatin modifications play a less prominent role in regulation of secondary metabolites. In summary, we show that Z. tritici has a conserved program of secondary metabolite production contrasting the immense variation in effector expression, some of these metabolites might play a key role during host colonization. Originality-Significance Statement Zymoseptoria tritici is one of the most devastating pathogens of wheat. So far the molecular determinants of virulence and their regulation are poorly understood. Previous studies have focused on proteinasous virulence factors and their extensive diversity. In this study, we focus on secondary metabolites produced by Z. tritici . Using a comparative framework, we here characterize core and non-core metabolites produced by Z. tritici by combining genome, transcriptome and metabolome datasets. Our findings indicate highly conserved biochemical profiles contrasting genetic and phenotypic diversity of the field isolates investigated here. This discovery has relevance for future crop protection strategies.