Richard O'Connell and colleagues report the genomes and transcriptomes of two Colletotrichum plant fungal pathogens. C. higginsianum infects Arabidopsis thaliana, and C. graminicola infects maize (Zea mays); comparative genomics in both species lead to molecular insights into the transition from biotrophic to necrotrophic life stages. Colletotrichum species are fungal pathogens that devastate crop plants worldwide. Host infection involves the differentiation of specialized cell types that are associated with penetration, growth inside living host cells (biotrophy) and tissue destruction (necrotrophy). We report here genome and transcriptome analyses of Colletotrichum higginsianum infecting Arabidopsis thaliana and Colletotrichum graminicola infecting maize. Comparative genomics showed that both fungi have large sets of pathogenicity-related genes, but families of genes encoding secreted effectors, pectin-degrading enzymes, secondary metabolism enzymes, transporters and peptidases are expanded in C. higginsianum. Genome-wide expression profiling revealed that these genes are transcribed in successive waves that are linked to pathogenic transitions: effectors and secondary metabolism enzymes are induced before penetration and during biotrophy, whereas most hydrolases and transporters are upregulated later, at the switch to necrotrophy. Our findings show that preinvasion perception of plant-derived signals substantially reprograms fungal gene expression and indicate previously unknown functions for particular fungal cell types.

Roots of healthy plants are inhabited by soil-derived bacteria, fungi, and oomycetes that have evolved independently in distinct kingdoms of life. How these microorganisms interact and to what extent those interactions affect plant health are poorly understood. We examined root-associated microbial communities from three Arabidopsis thaliana populations and detected mostly negative correlations between bacteria and filamentous microbial eukaryotes. We established microbial culture collections for reconstitution experiments using germ-free A. thaliana. In plants inoculated with mono- or multi-kingdom synthetic microbial consortia, we observed a profound impact of the bacterial root microbiota on fungal and oomycetal community structure and diversity. We demonstrate that the bacterial microbiota is essential for plant survival and protection against root-derived filamentous eukaryotes. Deconvolution of 2,862 binary bacterial-fungal interactions ex situ, combined with community perturbation experiments in planta, indicate that biocontrol activity of bacterial root commensals is a redundant trait that maintains microbial interkingdom balance for plant health.

Rust fungi are some of the most devastating pathogens of crop plants. They are obligate biotrophs, which extract nutrients only from living plant tissues and cannot grow apart from their hosts. Their lifestyle has slowed the dissection of molecular mechanisms underlying host invasion and avoidance or suppression of plant innate immunity. We sequenced the 101-Mb genome of Melampsora larici - populina , the causal agent of poplar leaf rust, and the 89-Mb genome of Puccinia graminis f. sp. tritici , the causal agent of wheat and barley stem rust. We then compared the 16,399 predicted proteins of M. larici-populina with the 17,773 predicted proteins of P. graminis f. sp tritici . Genomic features related to their obligate biotrophic lifestyle include expanded lineage-specific gene families, a large repertoire of effector-like small secreted proteins, impaired nitrogen and sulfur assimilation pathways, and expanded families of amino acid and oligopeptide membrane transporters. The dramatic up-regulation of transcripts coding for small secreted proteins, secreted hydrolytic enzymes, and transporters in planta suggests that they play a role in host infection and nutrient acquisition. Some of these genomic hallmarks are mirrored in the genomes of other microbial eukaryotes that have independently evolved to infect plants, indicating convergent adaptation to a biotrophic existence inside plant cells.

A staggering diversity of endophytic fungi associate with healthy plants in nature, but it is usually unclear whether these represent stochastic encounters or provide host fitness benefits. Although most characterized species of the fungal genus Colletotrichum are destructive pathogens, we show here that C. tofieldiae (Ct) is an endemic endophyte in natural Arabidopsis thaliana populations in central Spain. Colonization by Ct initiates in roots but can also spread systemically into shoots. Ct transfers the macronutrient phosphorus to shoots, promotes plant growth, and increases fertility only under phosphorus-deficient conditions, a nutrient status that might have facilitated the transition from pathogenic to beneficial lifestyles. The host's phosphate starvation response (PSR) system controls Ct root colonization and is needed for plant growth promotion (PGP). PGP also requires PEN2-dependent indole glucosinolate metabolism, a component of innate immune responses, indicating a functional link between innate immunity and the PSR system during beneficial interactions with Ct.

Phytopathogens secrete effector proteins to manipulate their hosts for effective colonization. Hemibiotrophic fungi must maintain host viability during initial biotrophic growth and elicit host death for subsequent necrotrophic growth. To identify effectors mediating these opposing processes, we deeply sequenced the transcriptome of Colletotrichum higginsianum infecting Arabidopsis. Most effector genes are host-induced and expressed in consecutive waves associated with pathogenic transitions, indicating distinct effector suites are deployed at each stage. Using fluorescent protein tagging and transmission electron microscopy-immunogold labelling, we found effectors localised to stage-specific compartments at the host-pathogen interface. In particular, we show effectors are focally secreted from appressorial penetration pores before host invasion, revealing new levels of functional complexity for this fungal organ. Furthermore, we demonstrate that antagonistic effectors either induce or suppress plant cell death. Based on these results we conclude that hemibiotrophy in Colletotrichum is orchestrated through the coordinated expression of antagonistic effectors supporting either cell viability or cell death.

Abstract The sessile nature of plants forced them to evolve mechanisms to prioritize their responses to simultaneous stresses, including colonization by microbes or nutrient starvation. Here, we compare the genomes of a beneficial root endophyte, Colletotrichum tofieldiae and its pathogenic relative C. incanum , and examine the transcriptomes of both fungi and their plant host Arabidopsis during phosphate starvation. Although the two species diverged only 8.8 million years ago and have similar gene arsenals, we identify genomic signatures indicative of an evolutionary transition from pathogenic to beneficial lifestyles, including a narrowed repertoire of secreted effector proteins, expanded families of chitin-binding and secondary metabolism-related proteins, and limited activation of pathogenicity-related genes in planta . We show that beneficial responses are prioritized in C. tofieldiae -colonized roots under phosphate-deficient conditions, whereas defense responses are activated under phosphate-sufficient conditions. These immune responses are retained in phosphate-starved roots colonized by pathogenic C. incanum , illustrating the ability of plants to maximize survival in response to conflicting stresses.

Abstract Evaluating metagenomic software is key for optimizing metagenome interpretation and focus of the community-driven initiative for the Critical Assessment of Metagenome Interpretation (CAMI). In its second challenge, CAMI engaged the community to assess their methods on realistic and complex metagenomic datasets with long and short reads, created from ∼1,700 novel and known microbial genomes, as well as ∼600 novel plasmids and viruses. Altogether 5,002 results by 76 program versions were analyzed, representing a 22x increase in results. Substantial improvements were seen in metagenome assembly, some due to using long-read data. The presence of related strains still was challenging for assembly and genome binning, as was assembly quality for the latter. Taxon profilers demonstrated a marked maturation, with taxon profilers and binners excelling at higher bacterial taxonomic ranks, but underperforming for viruses and archaea. Assessment of clinical pathogen detection techniques revealed a need to improve reproducibility. Analysis of program runtimes and memory usage identified highly efficient programs, including some top performers with other metrics. The CAMI II results identify current challenges, but also guide researchers in selecting methods for specific analyses.

Abstract Indole glucosinolates (IGs) are tryptophan (Trp)-derived sulfur-containing specialized metabolites that play a crucial role in plant-microbe interactions in plants of the order Brassicales, including Arabidopsis thaliana . Despite the growing body of evidence implicating IG biosynthetic pathways in root-microbiota interactions, how myrosinases, the enzymes that convert inert IGs into bioactive intermediate/terminal products, contribute to this process remains unknown. Here, we describe the roles of the PYK10 and BGLU21 myrosinases in root-microbiota assembly partly via metabolites secreted from roots into the rhizosphere. PYK10 and BGLU21 localize to the endoplasmic reticulum (ER) body, an ER-derived organelle observed in plants of the family Brassicaceae. We investigated the root microbiota structure of mutants defective in the Trp metabolic ( cyp79b2b3 and myb34/51/122 ) and ER body ( nai1 and pyk10bglu21 ) pathways and found that these factors together contribute to the assembly of root microbiota. Microbial community composition in soils as well as in bacterial synthetic communities (SynComs) treated with root exudates axenically collected from pyk10bglu21 and cyp79b2b3 differed significantly from those treated with exudates derived from wild-type plants, pointing to a direct role of root-exuded compounds. We also show that growth of the pyk10bglu21 and cyp79b2b3 mutants was severely inhibited by fungal endophytes isolated from healthy A. thaliana plants. Overall, our findings demonstrate that root ER body-resident myrosinases influencing the secretion of Trp-derived specialized metabolites represent a lineage-specific innovation that evolved in Brassicaceae to regulate root microbiota structure. Significance ER bodies were first identified in roots of Brassicaceae plants more than 50 years ago, but their physiological functions have remained uncharacterized. A series of previous studies have suggested their possible role in root-microbe interactions. Here, we provide clear experimental evidence showing a role for ER bodies in root-microbiota interactions, which overlaps with that of root-exuded Trp-derived metabolites. Our findings delineate a plant lineage-specific innovation involving intracellular compartments and metabolic enzymes that evolved to regulate plant-microbe interactions at the root-soil interface.

Abstract Summary Synthetic microbial communities (SynComs) constitute an emerging and powerful tool in biological, biomedical, and biotechnological research. Despite recent advances in algorithms for the analysis of culture-independent amplicon sequencing data from microbial communities, there is a lack of tools specifically designed for analysing SynCom data, where reference sequences for each strain are available. Here we present Rbec, a tool designed for the analysis of SynCom data that accurately corrects PCR and sequencing errors in amplicon sequences and identifies intra-strain polymorphic variation. Extensive evaluation using mock bacterial and fungal communities show that our tool outperforms current methods for samples of varying complexity, diversity, and sequencing depth. Furthermore, Rbec also allows accurate detection of contaminants in SynCom experiments. Availability and implementation Rbec is freely available as an open-source multi-platform R package. Release versions can be obtained via Bioconductor. The developer version is maintained and can be downloaded at: https://github.com/PengfanZhang/Rbec . Contact garridoo@mpipz.mpg.de

ABSTRACT Bidirectional root-shoot signalling is likely key in orchestrating stress responses and ensuring plant survival. Here we show that Arabidopsis thaliana responses to microbial root commensals and light are interconnected along a microbiota-root-shoot axis. Microbiota and light manipulation experiments in a gnotobiotic system reveal that low photosynthetically active radiation (LP) perceived by leaves induce long-distance modulation of root bacterial, but not fungal or oomycetal communities. Reciprocally, bacterial root commensals and particularly Pseudomomas isolates are necessary for rescuing plant growth under LP. RNA-Seq, combined with leaf inoculation experiments with biotrophic and necrotrophic microbial pathogens indicate that microbiota-induced growth under LP coincides with transcriptional repression of immune responses, thereby increasing susceptibility to both pathogens. Inspection of a set of A. thaliana mutants demonstrates that orchestration of this light-dependent growth-defence trade-off requires the transcriptional regulator MYC2. Our work indicates that aboveground stress responses in plants can be governed by signals from microbial root commensals.