Septoria nodorum blotch (SNB), caused by Parastagonospora nodorum, is a disease of durum and common wheat initiated by the recognition of pathogen-produced necrotrophic effectors (NEs) by specific wheat genes. The wheat gene Snn1 encodes a wall-associated kinase that directly interacts with the NE SnTox1 leading to the development of SNB. Here, sequence analysis of Snn1 from 114 accessions including diploid, tetraploid and hexaploid wheat species revealed that some wheat lines possess two copies of Snn1 (designated Snn1-B1 and Snn1-B2) approximately 120 kb apart. Snn1-B2 evolved relatively recently as a paralog of Snn1-B1, and both genes have undergone diversifying selection. Three point mutations associated with the formation of the first SnTox1-sensitive Snn1-B1 allele from a primitive wild wheat were identified. Four subsequent and independent SNPs, three in Snn1-B1 and one in Snn1-B2, converted the sensitive alleles to insensitive forms. Protein modeling indicated these four mutations could abolish Snn1-SnTox1 compatibility either through destabilization of the Snn1 protein or direct disruption of the protein-protein interaction. High-throughput markers were developed for the causal mutations and evaluated on panels of durum and common wheat. The markers were able to correctly identify 96.9 % of SnTox1-sensitive durum wheat accessions, and a marker for the null allele was 100% accurate at predicting SnTox1-insensitive lines in both durum and spring wheat. Results of this study increase our understanding of the evolution, diversity, and function of Snn1-B1 and Snn1-B2 genes and will be useful for marker-assisted elimination of these genes for better host resistance.

Abstract Parastagonospora nodorum is a fungal pathogen of wheat. As a necrotrophic specialist, it deploys a suite of effector proteins that target dominant host susceptibility genes to elicit programmed cell death (PCD). Nine effector – host susceptibility gene interactions have been reported in this pathosystem, presumed to be governed by unique pathogen effectors. This study presents the characterization of the SnTox267 necrotrophic effector that hijacks two separate host pathways to cause necrosis. An association mapping approach identified SnTox267 and the generation of gene-disrupted mutants and gain-of-function transformants confirmed its role in Snn2 -, Snn6 -, and Snn7 -mediated necrosis. The Snn2 and Snn6 host susceptibility genes were complementary, and together they functioned cooperatively to elicit SnTox267-induced necrosis in the same light-dependent PCD pathway. Additionally, we showed that SnTox267 targeted Snn7 , resulting in light-independent necrosis. Therefore, SnTox267 co-opts two distinct host pathways to elicit PCD. SnTox267 sequence comparison among a natural population of 197 North American P. nodorum isolates revealed 20 protein isoforms conferring variable levels of virulence, indicating continuing selection pressure on this gene. Protein isoform prevalence among discrete populations indicated that SnTox267 has likely evolved in response to local selection pressures and has diversified more rapidly in the Upper Midwest. Deletion of SnTox267 resulted in the upregulation of the unrelated effector genes SnToxA , SnTox1 , and SnTox3 , providing evidence for a complex genetic compensation mechanism. These results illustrate a novel evolutionary path by which a necrotrophic fungal pathogen uses a single proteinaceous effector to hijack two host pathways to induce cell death.

SUMMARY Septoria nodorum blotch (SNB), caused by Parastagonospora nodorum, is a disease of durum and common wheat initiated by the recognition of pathogen‐produced necrotrophic effectors (NEs) by specific wheat genes. The wheat gene Snn1 was previously cloned, and it encodes a wall‐associated kinase that directly interacts with the NE SnTox1 leading to programmed cell death and ultimately the development of SNB. Here, sequence analysis of Snn1 from 114 accessions including diploid, tetraploid, and hexaploid wheat species revealed that some wheat lines possess two copies of Snn1 (designated Snn1‐B1 and Snn1‐B2 ) approximately 120 kb apart. Snn1‐B2 evolved relatively recently as a paralog of Snn1‐B1 , and both genes have undergone diversifying selection. Three point mutations associated with the formation of the first SnTox1‐sensitive Snn1‐B1 allele from a primitive wild wheat were identified. Four subsequent and independent SNPs, three in Snn1‐B1 and one in Snn1‐B2 , converted the sensitive alleles to insensitive forms. Protein modeling indicated these four mutations could abolish Snn1 –SnTox1 compatibility either through destabilization of the Snn1 protein or direct disruption of the protein–protein interaction. A high‐throughput marker was developed for the absent allele of Snn1 , and it was 100% accurate at predicting SnTox1‐insensitive lines in both durum and spring wheat. Results of this study increase our understanding of the evolution, diversity, and function of Snn1‐B1 and Snn1‐B2 genes and will be useful for marker‐assisted elimination of these genes for better host resistance.