Resistance to a damaging disease of soybean is conferred by a cluster of linked genes present in multiple copies.

ABSTRACT Global wheat production is seriously threatened by the filamentous fungal pathogen, Magnaporthe oryzae , causing wheat blast disease. The pathogen was first identified in South America and recently spread across continents to Bangladesh (South Asia) and Zambia (South-central Africa). M. oryzae strains closely related with a South American field isolate B71 was found to have caused the wheat blast outbreaks in South Asia and Africa. Here, we studied the genetic relationship among isolates found on the three continents. Using an improved reference genome for B71 and whole genome sequences of isolates from Bangladesh, Zambia, and South America, we found strong evidence to support that the outbreaks in Bangladesh and Zambia were caused by the introductions of genetically separated isolates. Structural variation analysis using whole genome short-read sequencing data indicate all isolates closely related to B71 maintained at least one supernumerary mini-chromosome and, interestingly, some Zambian isolates contain more than one mini-chromosome. Long-read sequencing and de novo genome assemblies of two Zambian isolates show that both contain a mini-chromosome similar to the B71 mini-chromosome, although pervasive structural variation exists among them. Genome assemblies also provide evidence that one Zambian isolate carries an additional mini-chromosome that is highly divergent from the B71 mini-chromosome. Our findings show that while the core genomes of the multiple introductions are highly similar, the mini-chromosomes have undergone marked diversification. The maintenance of the mini-chromosome during the multiple introductions, and the rapid sequence and structural variation suggests the mini-chromosomes may serve important virulence or niche adaptation roles under diverse environmental conditions.

ABSTRACT Understanding the complex information stored in a genome remains challenging since multiple connected regulatory mechanisms act at various scales to determine function. Increased comprehension of genome function at scales beyond contiguous nucleotides will help understand genetic diseases, the emergence of pathogenesis, and more broadly the genomics of adaptation. Here we report the analysis of DNA methylation, histone modification, and DNA accessibility in the plant pathogenic vascular wilt fungus Verticillium dahliae . Functional analysis details that DNA methylation is restricted to repetitive elements, such as transposable element DNA, but interestingly only some repetitive DNA is methylated. This incomplete DNA methylation is associated with repetitive DNA residing in specific compartments of the genome that were previously defined as Lineage-Specific (LS) regions. These regions are hypervariable between V. dahliae isolates and contain genes that support host colonization and adaptive traits. LS regions are associated with H3 Lys-27 methylated histones (H3K27me3), and repetitive DNA within LS regions are more transcriptionally active and have increased DNA accessibility, representing a hybrid chromatin state when compared to repetitive regions within the core genome. We used machine learning algorithms trained on epigenetic and DNA accessibility data to predict LS regions with high recall, identifying approximately twice as much LS DNA in the V. dahliae genome as previously recognized. Collectively, these results characterize LS regions in an intermediate chromatin state and provide evidence that links chromatin features and genome architecture to adaptive regions within the genome.

Abstract CRISPR-Cas mediated genome engineering has revolutionized functional genomics. However, basic questions remain regarding the mechanisms of DNA repair following Cas-mediated DNA cleavage. We developed CRISPR-Cas12a ribonucleoprotein genome editing in the fungal plant pathogen, Magnaporthe oryzae , and found frequent donor DNA integration despite the absence of long sequence homology. Interestingly, genotyping from hundreds of transformants showed that frequent non-canonical DNA repair outcomes predominated the recovered genome edited strains. Detailed analysis using sanger and nanopore long-read sequencing revealed five classes of DNA repair mutations, including single donor DNA insertions, concatemer donor DNA insertions, large DNA deletions, deletions plus donor DNA insertions, and infrequently we observed INDELs. Our results show that different error-prone DNA repair pathways resolved the Cas12a-mediated double-strand breaks (DSBs) based on the DNA sequence of edited strains. Furthermore, we found that the frequency of the different DNA repair outcomes varied across the genome, with some tested loci resulting in more frequent large-scale mutations. These results suggest that DNA repair pathways provide preferential repair across the genome that could create biased genome variation, which has significant implications for genome engineering and the genome evolution in natural populations.

ABSTRACT The spatial organization of eukaryotic genomes is linked to their biological functions, although it is not clear how this impacts the overall evolution of a genome. Here, we uncover the three-dimensional (3D) genome organization of the phytopathogen Verticillium dahliae , known to possess distinct genomic regions, designated adaptive genomic regions (AGRs), enriched in transposable elements and genes that mediate host infection. Short-range DNA interactions form clear topologically associating domains (TADs) with gene-rich boundaries that show reduced levels of gene expression and reduced genomic variation. Intriguingly, TADs are less clearly structured in AGRs than in the core genome. At a global scale, the genome contains bipartite long-range interactions, particularly enriched for AGRs and more generally containing segmental duplications. Notably, the patterns observed for V. dahliae are also present in other Verticillium species. Thus, our analysis links 3D genome organization to evolutionary features conserved throughout the Verticillium genus.

ABSTRACT Genome organization in eukaryotes exhibits non-random patterns tied to transcription, replication, and chromatin. However, the driving forces across these processes, and their impacts on genome evolution remain unclear. To address this, we analyzed sequence data from 86 Magnaporthe oryzae isolates, a globally important plant pathogenic fungus, alongside new reference genomes, to investigate DNA sequence variation and the epigenome. Histone modification profiles were obtained through genome-wide chromatin immunoprecipitation-sequencing of the four new reference strains, which revealed that repressive histone marks (H3K27me3, H3K9me3) were associated with SNP and INDEL frequency. Densely grouped SNPs were found to reside in heterochromatin, often outside transposable elements, highlighting the link between heterochromatin and DNA variation. Even when controlling for selection, silent SNP frequency/kb was higher in H3K27me3-associated genes. Effector genes, key to pathogenicity, also displayed this trend. Comparing the reference strains, euchromatic regions were often syntenic, while heterochromatic regions trended towards non-syntenic. Heterochromatin emerged as a major factor associated with diverse DNA variations in M. oryzae populations, even when accounting for selective pressure. This underscores heterochromatin’s pivotal role in shaping genetic diversity in these mainly asexually reproducing fungi.

ABSTRACT Centromeres are chromosomal regions that are crucial for chromosome segregation during mitosis and meiosis, and failed centromere formation can contribute to chromosomal anomalies. Despite this conserved function, centromeres differ significantly between and even within species. Thus far, systematic studies into the organization and evolution of fungal centromeres remain scarce. In this study, we identified the centromeres in each of the ten species of the fungal genus Verticillium and characterized their organization and evolution. Chromatin immunoprecipitation of the centromere-specific histone CenH3 (ChIP-seq) and chromatin conformation capture (Hi-C) followed by high-throughput sequencing identified eight conserved, large (∼150 kb), AT-, and repeat-rich regional centromeres that are embedded in heterochromatin in the plant pathogen V. dahliae . Using Hi-C, we similarly identified repeat-rich centromeres in the other Verticillium species. Strikingly, a single repetitive element is strongly associated with centromeric regions in some but not all Verticillium species. Extensive chromosomal rearrangements occurred during Verticillium evolution, yet only a minority could be linked to centromeres, suggesting that centromeres played a minor role in chromosomal evolution. Nevertheless, the size and organization of centromeres differ considerably between species, and centromere size was found to correlate with the genome-wide repeat content. Overall, our study highlights the contribution of repetitive elements to the diversity and rapid evolution of centromeres within the fungal genus Verticillium . IMPORTANCE The genus Verticillium contains ten species of plant-associated fungi, some of which are notorious pathogens. Verticillium species evolved by frequent chromosomal rearrangements that contribute to genome plasticity. Centromeres are instrumental for separation of chromosomes during mitosis and meiosis, and failed centromere functionality can lead to chromosomal anomalies. Here, we used a combination of experimental techniques to identify and characterize centromeres in each of the Verticillium species. Intriguingly, we could strongly associate a single repetitive element to the centromeres of some of the Verticillium species. The presence of this element in the centromeres coincides with increased centromere sizes and genome-wide repeat expansions. Collectively, our findings signify a role of repetitive elements in the function, organization and rapid evolution of centromeres in a set of closely related fungal species.

ABSTRACT DNA methylation is an important epigenetic control mechanism that in many fungi is restricted to genomic regions containing transposons. Two DNA methyltransferases, Dim2 and Dnmt5, are known to perform methylation at cytosines in fungi. While most ascomycete fungi encode both Dim2 and Dnmt5, only few functional studies have been performed in species containing both. In this study, we report functional analysis of both Dim2 and Dnmt5 in the plant pathogenic fungus Verticillium dahliae . Our results show that Dim2, but not Dnmt5 or the putative sexual-cycle related DNA methyltransferase Rid, is responsible for nearly all DNA methylation. Single or double DNA methyltransferase mutants did not show altered development, virulence, or transcription of genes or transposons. In contrast, Hp1 and Dim5 mutants that are impacted in chromatin-associated processes upstream of DNA methylation are severely affected in development and virulence and display extensive transcriptional reprogramming in specific hypervariable genomic regions (so-called lineage-specific (LS) regions) that contain genes associated with host colonization. As these LS regions are largely devoid of DNA methylation and of Hp1- and Dim5-associated heterochromatin, the differential transcription is likely caused by pleiotropic effects rather than by differential DNA methylation. Overall, our study suggests that Dim2 is the main DNA methyltransferase in V. dahliae and, in conjunction with work on other fungi, is likely the main active DNMT in ascomycetes, irrespective of Dnmt5 presence. We speculate that Dnmt5 acts under specific, presently enigmatic, conditions or, alternatively, acts in DNA-associated processes other than DNA methylation.

ABSTRACT Differential growth conditions typically trigger global transcriptional responses in filamentous fungi. Such fungal responses to environmental cues involve epigenetic regulation, including chemical histone modifications. It has been proposed that conditionally expressed genes, such as those that encode secondary metabolites but also effectors in pathogenic species, are often associated with a specific histone modification, lysine27 methylation of H3 (H3K27me3). However, thus far no analyses on the global H3K27me3 profiles have been reported under differential growth conditions in order to assess if H3K27me3 dynamics governs differential transcriptional. Using ChIP- and RNA-sequencing data from the plant pathogenic fungus Verticillium dahliae grown in three in vitro cultivation media, we now show that a substantial number of the identified H3K27me3 domains globally display stable profiles among these growth conditions. However, we do observe local quantitative differences in H3K27me3 ChIP-seq signal that associate with a subset of differentially transcribed genes between media. Comparing the in vitro results to expression during plant infection suggests that in planta -induced genes may require chromatin remodelling to achieve expression. Overall, our results demonstrate that some loci display H3K27me3 dynamics associated with concomitant transcriptional variation, but many differentially expressed genes are associated with stable H3K27me3 domains. Thus, we conclude that while H3K27me3 is required for transcriptional repression, it does not appear that transcriptional activation requires global erasure of H3K27me3. We propose that the H3K27me3 domains that do not undergo dynamic methylation may contribute to transcription through other mechanisms or may serve additional genomic regulatory functions.

Abstract RNA-targeting CRISPR-Cas can provide potential advantages over DNA editing, such as avoiding pleiotropic effects of genome editing, providing precise spatiotemporal regulation and expanded function including anti-viral immunity. Here, we report the use of CRISPR-Cas13 in plants to reduce both viral and endogenous RNA. Unexpectedly, we discovered that crRNA designed to guide Cas13 could, in the absence of the Cas13 protein, cause substantial reduction in RNA levels as well. We demonstrate Cas13-independent guide-induced gene silencing (GIGS) in three plant species, including stable transgenic Arabidopsis . We determined that GIGS utilizes endogenous RNAi machinery despite the fact that crRNA are unlike canonical triggers of RNAi such as miRNA, hairpins or long double-stranded RNA. These results suggest that GIGS offers a novel and flexible approach to RNA reduction with potential benefits over existing technologies for crop improvement. Our results demonstrate that GIGS is active across a range of plant species, evidence similar to recent findings in an insect system, which suggests that GIGS is potentially active across many eukaryotes.