Abstract Hybridization is an important evolutionary mechanism that can enable organisms to adapt to environmental challenges. It has previously been shown that the fungal allodiploid species Verticillium longisporum , causal agent of Verticillium stem striping in rape seed, has originated from at least three independent hybridization events between two haploid Verticillium species. To reveal the impact of genome duplication as a consequence of the hybridization, we studied the genome and transcriptome dynamics upon two independent V. longisporum hybridization events, represented by the hybrid lineages “A1/D1” and “A1/D3”. We show that the V. longisporum genomes are characterized by extensive chromosomal rearrangements, including between parental chromosomal sets. V. longisporum hybrids display signs of evolutionary dynamics that are typically associated with the aftermath of allodiploidization, such as haploidization and a more relaxed gene evolution. Expression patterns of the two sub-genomes within the two hybrid lineages are more similar than those of the shared A1 parent between the two lineages, showing that expression patterns of the parental genomes homogenized within a lineage. However, as genes that display differential parental expression in planta do not typically display the same pattern in vitro , we conclude that sub-genome-specific responses occur in both lineages. Overall, our study uncovers the genomic and transcriptomic plasticity during evolution of the filamentous fungal hybrid V. longisporum and illustrate its adaptive potential. Importance Verticillium is a genus of plant-associated fungi that include a handful of plant pathogens that collectively affect a wide range of hosts. On several occasions, haploid Verticillium species hybridized into the stable allodiploid species Verticillium longisporum , which is, in contrast to haploid Verticillium species, a Brassicaceae specialist. Here, we studied the evolutionary genome and transcriptome dynamics of V. longisporum and the impact of the hybridization. V. longisporum genomes display a mosaic structure due do genomic rearrangements between the parental chromosome sets. Similar to other allopolyploid hybrids, V. longisporum displays an ongoing loss of heterozygosity and a more relaxed gene evolution. Also, differential parental gene expression is observed, with an enrichment for genes that encode secreted proteins. Intriguingly, the majority of these genes displays sub-genome-specific responses under differential growth conditions. In conclusion, hybridization has incited the genomic and transcriptomic plasticity that enables adaptation to environmental changes in a parental allele-specific fashion.

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 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 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.

SUMMARY Verticillium dahliae is a xylem-invading fungal pathogen that causes devastating vascular wilt diseases on hundreds of plant hosts, including tomato ( Solanum lycopersicum ). Although individual V. dahliae strains are typically characterized by their broad host range, differential pathogenicity occurs on nearly all hosts. Currently, the molecular basis underlying such pathogenicity differences remains unknown. We used comparative genomics to identify a single effector gene that specifically occurs in tomato-pathogenic V. dahliae strains and is expressed during tomato colonization. Functional analyses showed that this Tom1 effector governs pathogenicity on tomato, as Tom1 deletion prohibited tomato colonization, while introduction of Tom1 into non-pathogenic V. dahliae or into saprophytic sister species V. tricorpus and V. nubilum resulted in disease. Through proteomics-based approaches, auxin response factors (ARFs) were identified as in planta targets of Tom1. Intriguingly, repression of SlARF2a expression by virus-induced gene silencing fully impaired V. dahliae colonization of tomato, solidifying its role as susceptibility target.Collectively, our findings indicate that a single effector, Tom1, mediates pathogenicity of V. dahliae on tomato by targeting auxin response factors.

SUMMARY Chitin is a homopolymer of β-(1,4)-linked N -acetyl-D-glucosamine (GlcNAc) and a major structural component of fungal cell walls. In plants, chitin acts as a microbe-associated molecular pattern (MAMP) that is recognized by lysin motif (LysM)-containing plant cell surface-localized pattern recognition receptors (PRRs) that activate a plethora of downstream immune responses. In order to deregulate chitin-induced plant immunity and successfully establish infection, many fungal pathogens secrete LysM domain-containing effector proteins during host colonization. It was previously shown that the LysM effector Ecp6 from the tomato leaf mould fungus Cladosporium fulvum can outcompete plant PRRs for chitin binding because two of its three LysM domains cooperate to form a composite groove with ultra-high (pM) chitin-binding affinity. However, most functionally characterized LysM effectors contain only two LysMs, including Magnaporthe oryzae MoSlp1, Verticillium dahliae Vd2LysM, and Colletotrichum higginsianum ChElp1 and ChElp2. Here, we performed modelling, structural and functional analyses to investigate whether such dual-domain LysM effectors can also form ultra-high chitin-binding affinity grooves through intramolecular LysM dimerization. However, our study suggests that intramolecular LysM dimerization does not occur. Rather, our data support the occurrence of intermolecular LysM dimerization for these effectors, associated with a significantly lower chitin binding affinity than monitored for Ecp6. Interestingly, the intermolecular LysM dimerization allows for the formation of polymeric complexes in the presence of chitin. Possibly, such polymers may precipitate at infection sites in order to eliminate chitin oligomers, and thus suppress the activation of chitin-induced plant immunity.

Abstract Moniliophthora perniciosa and Moniliophthora roreri are hemibiotrophic fungi that harbor a large number of Pathogenesis-Related 1 genes, many of which are induced in the biotrophic interaction with Theobroma cacao. Here, we provide evidence that the evolution of PR-1 in Moniliophthora was adaptive and potentially related to the emergence of the parasitic lifestyle in this genus. Phylogenetic analysis revealed conserved PR-1 genes, shared by many Agaricales saprotrophic species, that have diversified in new PR-1 genes putatively related to pathogenicity in Moniliophthora , as well as in recent specialization cases within both species. PR-1 families in Moniliophthora with higher evolutionary rates exhibit induced expression in the biotrophic interaction and positive selection clues, supporting the hypothesis that these proteins accumulated adaptive changes in response to host-pathogen arm race. Furthermore, we show that the highly diversified MpPR-1 genes are not induced by two phytoalexins, suggesting detoxification might not be their main function as proposed before.

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 insulated 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.