ABSTRACT Plant pathogens secrete effector proteins to support host colonization through a wide range of molecular mechanisms, while plant immune systems evolved receptors to recognize effectors or their activities to mount immune responses to halt pathogens. Importantly, plants do not act as single organisms, but rather as holobionts that actively shape their microbiota as a determinant of health, and may thus be targeted by pathogen effectors as such. The soil-borne fungal pathogen Verticillium dahliae was recently demonstrated to exploit the VdAve1 effector to manipulate the host microbiota to promote vascular wilt disease in absence of the corresponding immune receptor Ve1. We now identified a multiallelic V. dahliae gene displaying ~65% sequence similarity to VdAve1 , named VdAve1-like ( VdAve1L ). Interestingly, VdAve1L shows extreme sequence variation, including alleles that encode dysfunctional proteins, indicative of selection pressure to overcome host recognition. We show that the orphan cell surface receptor Ve2, encoded at the Ve1 locus, does not recognize VdAve1L. Furthermore, we show that the full-length variant VdAve1L2 possesses antimicrobial activity, like VdAve1, yet with a divergent activity spectrum. Altogether, VdAve1L2 is exploited by V. dahliae to mediate tomato colonization through the direct suppression of antagonistic Actinobacteria in the host microbiota. Our findings open up strategies for more targeted biocontrol against microbial plant pathogens.

ABSTRACT Microbes typically secrete a plethora of molecules to promote niche colonization. Soil-dwelling microbes are well-known producers of antimicrobials that are exploited to outcompete microbial co-inhabitants. Also plant pathogenic microbes secrete a diversity of molecules into their environment for niche establishment. Upon plant colonization, microbial pathogens secrete so-called effector proteins that promote disease development. While such effectors are typically considered to exclusively act through direct host manipulation, we recently reported that the soil-borne fungal xylem-colonizing vascular wilt pathogen Verticillium dahliae exploits effector proteins with antibacterial properties to promote host colonization through the manipulation of beneficial host microbiota. Since fungal evolution preceded land plant evolution, we now speculate that a subset of the pathogen effectors involved in host microbiota manipulation evolved from ancient antimicrobial proteins of terrestrial fungal ancestors that served in microbial competition prior to the evolution of plant pathogenicity. Here, we show that V. dahliae has co-opted an ancient antimicrobial protein as effector, named VdAMP3, for mycobiome manipulation in planta . We show that VdAMP3 is specifically expressed to ward off fungal niche competitors during resting structure formation in senescing mesophyll tissues. Our findings indicate that effector-mediated microbiome manipulation by plant pathogenic microbes extends beyond bacteria and also concerns eukaryotic members of the plant microbiome. Finally, we demonstrate that fungal pathogens can exploit plant microbiome-manipulating effectors in a life-stage specific manner, and that a subset of these effectors has evolved from ancient antimicrobial proteins of fungal ancestors that likely originally functioned in manipulation of terrestrial biota. SIGNIFICANCE STATEMENT Microbes secrete a diversity of molecules into their environment to mediate niche colonization. During host ingress, plant pathogenic microbes secrete effector proteins that facilitate disease development, many of which deregulate host immune responses. We recently demonstrated that plant pathogens additionally exploit effectors with antibacterial activities to manipulate beneficial plant microbiota to promote host colonization. Here, we show that the fungal pathogen Verticillium dahliae has co-opted an ancient antimicrobial protein, that likely served in microbial competition in terrestrial environments before land plants existed, as effector for the manipulation of fungal competitors during host colonization. Thus, we demonstrate that pathogen effector repertoires comprise antifungal proteins, and speculate such effectors could be exploited for the development of novel antimycotics.

ABSTRACT Rosellinia necatrix is a prevalent soil-borne plant-pathogenic fungus that is the causal agent of white root rot disease in a broad range of host plants. The limited availability of genomic resources for R. necatrix has complicated a thorough understanding of its infection biology. Here, we sequenced nine R. necatrix strains with Oxford Nanopore sequencing technology, and with DNA proximity ligation we generated a gapless assembly of one of the genomes into ten chromosomes. Whereas many filamentous pathogens display a so-called two-speed genome with more dynamic and more conserved compartments, the R. necatrix genome does not display such genome compartmentalization. It has recently been proposed that fungal plant pathogens may employ effectors with antimicrobial activity to manipulate the host microbiota to promote infection. In the predicted secretome of R. necatrix , 26 putative antimicrobial effector proteins were identified, nine of which are expressed during plant colonization. Two of the candidates were tested, both of which were found to possess selective antimicrobial activity. Intriguingly, some of the inhibited bacteria are antagonists of R. necatrix growth in vitro and can alleviate R. necatrix infection on cotton plants. Collectively, our data show that R. necatrix encodes antimicrobials that are expressed during host colonization and that may contribute to modulation of host-associated microbiota to stimulate disease development.

During colonization of their hosts, pathogens secrete effector proteins to promote disease development through various mechanisms. Increasing evidence shows that the host microbiome plays a crucial role in health, and that hosts actively shape their microbiomes to suppress disease. We hypothesized that pathogens evolved to manipulate host microbiomes to their advantage in turn. Here, we show that the fungal plant pathogen Verticillium dahliae utilizes effector proteins for niche colonization through selective manipulation of host microbiomes by suppressing microbes with antagonistic activities. Moreover, we show that effector proteins are similarly exploited for microbiome manipulation in the soil environment, where the fungus resides in absence of a host. In conclusion, we demonstrate that pathogens utilize effector proteins to modulate microbiome compositions and propose that their effector catalogs represent an untapped resource for novel antibiotics.