Abstract Plant pathogens secrete proteins, known as effectors, that function in the apoplast or inside plant cells to promote virulence. Effector recognition by cell-surface or cytosolic receptors results in the activation of defence pathways and plant immunity. Despite their importance, our general understanding of fungal effector function and recognition by immunity receptors remains poor. One complication often associated with effectors is their high sequence diversity and lack of identifiable sequence motifs precluding prediction of structure or function. In recent years, several studies have demonstrated that fungal effectors can be grouped into structural classes, despite significant sequence variation and existence across taxonomic groups. Using protein x-ray crystallography, we identify a new structural class of effectors hidden within the secreted in xylem (SIX) effectors from Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici ( Fol ). The recognised effectors Avr1 (SIX4) and Avr3 (SIX1) represent the founding members of the Fol d ual-domain (FOLD) effector class, with members containing two distinct domains. Using AlphaFold2, we predicted the full SIX effector repertoire of Fol and show that SIX6 and SIX13 are also FOLD effectors, which we validated experimentally for SIX6. Based on structural prediction and comparisons, we show that FOLD effectors are present within three divisions of fungi and are expanded in pathogens and symbionts. Further structural comparisons demonstrate that Fol secretes effectors that adopt a limited number of structural folds during infection of tomato. This analysis also revealed a structural relationship between transcriptionally co-regulated effector pairs. We make use of the Avr1 structure to understand its recognition by the I receptor, which leads to disease resistance in tomato. This study represents an important advance in our understanding of Fol- tomato, and by extension plant-fungal interactions, which will assist the development of novel control and engineering strategies to combat plant pathogens.

Summary Plant pathogens cause disease through secreted effector proteins, which act to modulate host physiology and promote infection. Typically, the sequences of effectors provide little functional information and further targeted experimentation is required. Here, we utilised a structure/function approach to study SnTox3, an effector from the necrotrophic fungal pathogen Parastagonospora nodorum , which causes cell death in wheat-lines carrying the sensitivity gene Snn3 . We developed a workflow for the production of SnTox3 in a heterologous host that enabled crystal structure determination. We show this approach can be successfully applied to effectors from other pathogenic fungi. Complementing this, an in-silico study uncovered the prevalence of an expanded subclass of effectors from fungi. The β-barrel fold of SnTox3 is a novel fold among fungal effectors. We demonstrate that SnTox3 is a pre-pro-protein and that the protease Kex2 removes the pro-domain. Our in-silico studies suggest that Kex2-processed pro-domain (designated here as K2PP) effectors are common in fungi, and we demonstrate this experimentally for effectors from Fusarium oxysporum f sp. lycopersici . We propose that K2PP effectors are highly prevalent among fungal effectors. The identification and classification of K2PP effectors has broad implications for the approaches used to study their function in fungal virulence.

Abstract Effectors are a key part of the arsenal of plant pathogenic fungi and promote pathogen virulence and disease. Effectors typically lack sequence similarity to proteins with known functional domains and motifs, limiting our ability to predict their functions and understand how they are recognised by plant hosts. As a result, cross-disciplinary approaches involving structural biology and protein biochemistry are often required to decipher and better characterise effector function. These approaches are reliant on high yields of relatively pure protein, which often requires protein production using a heterologous expression system. For some effectors, establishing an efficient production system can be difficult, particularly those that require multiple disulfide bonds to achieve their naturally folded structure. Here, we describe the use of a co-expression system within the heterologous host E. coli termed CyDisCo (cytoplasmic disulfide bond formation in E. coli ) to produce disulfide bonded fungal effectors. We demonstrate that CyDisCo and a naturalised co-expression approach termed FunCyDisCo (Fungi-CyDisCo) can significantly improve the production yields of numerous disulfide bonded effectors from diverse fungal pathogens. The ability to produce large quantities of functional recombinant protein has facilitated functional studies and crystallisation of several of these reported fungal effectors. We suggest this approach could be useful when investigating the function and recognition of a broad range of disulfide-bond containing effectors.