Abstract Introgressions of chromosomal segments from related species into wheat are important sources of resistance against fungal diseases. The durability and effectiveness of introgressed resistance genes upon agricultural deployment is highly variable - a phenomenon that remains poorly understood as the corresponding fungal avirulence genes are largely unknown. Until its breakdown, the Pm17 resistance gene introgressed from rye to wheat provided broad resistance against powdery mildew ( Blumeria graminis ). Here, we used QTL mapping to identify the corresponding wheat mildew avirulence effector AvrPm17 . It is encoded by two paralogous genes that exhibit signatures of re-occurring gene conversion events and are members of a mildew sub-lineage specific effector cluster. Extensive haplovariant mining in wheat mildew and related sub-lineages identified several ancient virulent AvrPm17 variants that were present as standing genetic variation in wheat powdery mildew prior to the Pm17 introgression, thereby paving the way for the rapid breakdown of the Pm17 resistance. QTL mapping in mildew identified a second genetic component likely corresponding to an additional resistance gene present on the 1AL.1RS translocation carrying Pm17 . This gene remained previously undetected due to suppressed recombination within the introgressed rye chromosomal segment. We conclude that the initial effectiveness of 1AL.1RS was based on simultaneous introgression of two genetically linked resistance genes. Our results demonstrate the relevance of pathogen-based genetic approaches to disentangle complex resistance loci in wheat. We propose that identification and monitoring of avirulence gene diversity in pathogen populations becomes an integral part of introgression breeding to ensure effective and durable resistance in wheat. Significance Statement Domesticated and wild wheat relatives provide an important source of new immune receptors for wheat resistance breeding against fungal pathogens. The durability of these resistance genes is variable and difficult to predict, yet it is crucial for effective resistance breeding. We identified a fungal effector protein recognised by an immune receptor introgressed from rye to wheat. We found that variants of the effector allowing the fungus to overcome the resistance are ancient. They were already present in the wheat powdery mildew gene pool before the introgression of the immune receptor and are therefore responsible for the rapid resistance breakdown. Our study demonstrates that the effort to identify new resistance genes should be accompanied by studies of avirulence genes on the pathogen side.

ABSTRACT Zymoseptoria tritici , the causal agent of septoria tritici blotch, is one of Europe’s most damaging wheat pathogens, causing significant economic losses. Genetic resistance is a common strategy to control the disease, Stb6 being a resistance gene used for over 100 years in Europe. This study investigates the molecular mechanisms underlying Stb6-mediated resistance. Utilizing confocal microscopy imaging, we identified that Z. tritici epiphytic hyphae mainly accumulates the corresponding avirulence factor AvrStb6 in close proximity to stomata. Consequently, the progression of AvrStb6-expressing avirulent strains is hampered during penetration. The fungal growth inhibition co-occurs with a transcriptional reprogramming in wheat characterized by an induction of immune responses, genes involved in stomata regulation, and cell wall-related genes. Overall, we shed light on the gene-for-gene resistance mechanisms in the wheat - Z. tritici pathosystem at the cytological and transcriptomic level, and our results highlight that stomata penetration is a critical process for pathogenicity and resistance.

Abstract Plant genomes typically contain ∼35,000 genes, almost all belonging to highly-conserved gene families. Only a small fraction are lineage-specific, which are found in only one or few closely related species. Little is known about how genes arise de novo in plant genomes and how often this occurs, however they are believed to be important for plants diversification and adaptation. We developed a pipeline to identify lineage-specific genes in Triticeae , using newly available genome assemblies of wheat, barley and rye. Applying a set of stringent criteria, we identified 5,942 candidate Triticeae -specific genes (TSGs), of which 2,337 were validated as protein-coding genes in wheat. Differential gene expression analyses revealed that stress-induced wheat TSGs are strongly enriched in secreted proteins. Some were previously described to be involved in Triticeae non-host resistance and cold adaptation. Additionally, we show that 1,079 TSGs have sequence homology to transposable elements (TEs), ∼68% of them deriving from regulatory non-coding regions of Gypsy retrotransposons. Most importantly, we demonstrate that these TSGs are enriched in transmembrane domains and are among the most highly expressed wheat genes overall. To summarize, we conclude that de novo gene formation is relatively rare and that Triticeae probably possess ∼779 lineage-specific genes per haploid genome. TSGs which respond to pathogen and environmental stresses, may be interesting candidates for future targeted resistance breeding in Triticeae . Finally, we propose that non-coding regions of TEs might provide important genetic raw material for the functional innovation of TM domains and the evolution of novel secreted proteins.

We present a chromosome-scale annotated assembly of the rye (Secale cereale L. inbred line 'Lo7') genome, which we use to explore Triticeae genomic evolution, and rye's superior disease and stress tolerance. The rye genome shares chromosome-level organization with other Triticeae cereals, but exhibits unique retrotransposon dynamics and structural features. Crop improvement in rye, as well as in wheat and triticale, will profit from investigations of rye gene families implicated in pathogen resistance, low temperature tolerance, and fertility control systems for hybrid breeding. We show that rye introgressions in wheat breeding panels can be characterised in high-throughput to predict the yield effects and trade-offs of rye chromatin.