Insights from the annotated wheat genome Wheat is one of the major sources of food for much of the world. However, because bread wheat's genome is a large hybrid mix of three separate subgenomes, it has been difficult to produce a high-quality reference sequence. Using recent advances in sequencing, the International Wheat Genome Sequencing Consortium presents an annotated reference genome with a detailed analysis of gene content among subgenomes and the structural organization for all the chromosomes. Examples of quantitative trait mapping and CRISPR-based genome modification show the potential for using this genome in agricultural research and breeding. Ramírez-González et al. exploited the fruits of this endeavor to identify tissue-specific biased gene expression and coexpression networks during development and exposure to stress. These resources will accelerate our understanding of the genetic basis of bread wheat. Science , this issue p. eaar7191 ; see also p. eaar6089

The grey mould fungus Botrytis cinerea causes losses of commercially important fruits, vegetables and ornamentals worldwide. Fungicide treatments are effective for disease control, but bear the risk of resistance development. The major resistance mechanism in fungi is target protein modification resulting in reduced drug binding. Multiple drug resistance (MDR) caused by increased efflux activity is common in human pathogenic microbes, but rarely described for plant pathogens. Annual monitoring for fungicide resistance in field isolates from fungicide-treated vineyards in France and Germany revealed a rapidly increasing appearance of B. cinerea field populations with three distinct MDR phenotypes. All MDR strains showed increased fungicide efflux activity and overexpression of efflux transporter genes. Similar to clinical MDR isolates of Candida yeasts that are due to transcription factor mutations, all MDR1 strains were shown to harbor activating mutations in a transcription factor (Mrr1) that controls the gene encoding ABC transporter AtrB. MDR2 strains had undergone a unique rearrangement in the promoter region of the major facilitator superfamily transporter gene mfsM2, induced by insertion of a retrotransposon-derived sequence. MDR2 strains carrying the same rearranged mfsM2 allele have probably migrated from French to German wine-growing regions. The roles of atrB, mrr1 and mfsM2 were proven by the phenotypes of knock-out and overexpression mutants. As confirmed by sexual crosses, combinations of mrr1 and mfsM2 mutations lead to MDR3 strains with higher broad-spectrum resistance. An MDR3 strain was shown in field experiments to be selected against sensitive strains by fungicide treatments. Our data document for the first time the rising prevalence, spread and molecular basis of MDR populations in a major plant pathogen in agricultural environments. These populations will increase the risk of grey mould rot and hamper the effectiveness of current strategies for fungicide resistance management.

ABSTRACT Wheat is one of the most widely grown food crops in the world. However, it succumbs to numerous pests and pathogens that cause substantial yield losses. A better understanding of biotic stress responses in wheat is thus of major importance. Here we identify previously unknown pathogen-induced biosynthetic pathways that produce a diverse set of molecules, including flavonoids, diterpenes and triterpenes. These pathways are encoded by six biosynthetic gene clusters and share a common regulatory network. We further identify associations with known or novel phytoalexin clusters in other cereals and grasses. Our results significantly advance the understanding of chemical defenses in wheat and open up new avenues for enhancing disease resistance in this agriculturally important crop.

Summary Crops are affected by several pathogens, but these are rarely studied in parallel to identify common and unique genetic factors controlling diseases. Broad-spectrum quantitative disease resistance (QDR) is desirable for crop breeding as it confers resistance to several pathogen species. Here, we use associative transcriptomics (AT) to identify candidate gene loci associated with Brassica napus QDR to four contrasting fungal pathogens: Alternaria brassicicola , Botrytis cinerea , Pyrenopeziza brassicae and Verticillium longisporum . We did not identify any loci associated with broad-spectrum QDR to fungal pathogens with contrasting lifestyles. Instead, we observed QDR dependent on the lifestyle of the pathogen—hemibiotrophic and necrotrophic pathogens had distinct QDR responses and associated loci, including some loci associated with early immunity. Furthermore, we identify a genomic deletion associated with resistance to V. longisporum and potentially broad-spectrum QDR. This is the first time AT has been used for several pathosystems simultaneously to identify host genetic loci involved in broad-spectrum QDR. We highlight candidate loci for broad-spectrum QDR with no antagonistic effects on susceptibility to the other pathogens studies as candidates for crop breeding.

The oomycete pathogen Phytophthora infestans causes potato late blight, and as a potato and tomato specialist pathogen, is seemingly poorly adapted to infect plants outside the Solanaceae. Here, we report the unexpected finding that P. infestans can infect Arabidopsis thaliana when another oomycete pathogen, Albugo laibachii, has colonized the host plant. The behaviour and speed of P. infestans infection in Arabidopsis pre-infected with A. laibachii resemble P. infestans infection of susceptible potato plants. Transcriptional profiling of P. infestans genes during infection revealed a significant overlap in the sets of secreted-protein genes that are induced in P. infestans upon colonisation of potato and susceptible Arabidopsis, suggesting major similarities in P. infestans gene expression dynamics on the two plant species. Furthermore, we found haustoria of A. laibachii and P. infestans within in the same Arabidopsis cells. This Arabidopsis - A. laibachii - P. infestans tripartite interaction opens up various possibilities to dissect the molecular mechanisms of P. infestans infection and the processes occurring in co-infected Arabidopsis cells.

Abstract Brassicas are important crops susceptible to significant losses caused by disease: thus, breeding resistant lines can mitigate the effects of pathogens. MAMPs (microbe-associated molecular patterns) are conserved molecules of pathogens that elicit host defence responses known as pattern-triggered immunity (PTI). Necrosis & Ethylene-inducing peptide 1-like proteins (NLPs) are MAMPs found in a wide range of phytopathogens, including major disease-causing fungal species. We studied the response to the BcNEP2 from Botrytis cinerea as a representative NLP in Brassica napus to improve our understanding of recognition mechanisms that could enable the development of disease-resistant crops. To genetically map regions responsible for NLP recognition, we used an associative transcriptomics (AT) approach using diverse B. napus accessions and bulk segregant analysis (BSA) on DNA pools created from a bi-parental cross of NLP-responsive (Ningyou1) and non-responsive (Ningyou7) lines . In silico mapping with AT identified two peaks associated with NLP recognition on chromosomes A04 and C05 whereas the BSA narrowed it down to a main peak on A04. BSA delimited the region associated with NLP-responsiveness to 3 Mbp, containing ∼245 genes on the Darmor -bzh reference genome. Variants detected in the region were used for KASP marker design and four KASP markers were identified co-segregating with the phenotype. The same pipeline was performed with the ZS11 genome, and the highest associated region was confirmed on chromosome A04. Comparative BLAST analysis revealed there were unannotated clusters of RLP homologs on ZS11 chromosome A04. To reduce the number of candidate genes responsible for NLP recognition, RNA-Seq data was used to detect the unannotated expressed putative genes. Screening the BSA Ning1×7 population demonstrated a highly significant association between NLP-recognition and resistance to Botrytis cinerea . Also, the lines non-responsive to NLP had significantly greater response to the bacterial MAMP flg22. Additionally, BnaA01g02190D , a homologue of Arabidopsis AtBSK1 ( At4g35230 ) BR-SIGNALLING KINASE1, was associated with a high BcNEP2-induced ROS response phenotype. We show that in Arabidopsis, Atbsk1 mutants had significantly lower response to BcNEP2 and increased susceptibility to B. cinerea ( p-value =1.12e-14***). Overall, the results define the genomic location for NLP-recognition on the B. napus genome and demonstrate that NLP recognition has a positive contribution to disease resistance which can have practical application in crop improvement.

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.