Insights from the annotated wheat genome Wheat is one of the major sources of food for much of the world. However, because bread wheat's genome is a large hybrid mix of three separate subgenomes, it has been difficult to produce a high-quality reference sequence. Using recent advances in sequencing, the International Wheat Genome Sequencing Consortium presents an annotated reference genome with a detailed analysis of gene content among subgenomes and the structural organization for all the chromosomes. Examples of quantitative trait mapping and CRISPR-based genome modification show the potential for using this genome in agricultural research and breeding. Ramírez-González et al. exploited the fruits of this endeavor to identify tissue-specific biased gene expression and coexpression networks during development and exposure to stress. These resources will accelerate our understanding of the genetic basis of bread wheat. Science , this issue p. eaar7191 ; see also p. eaar6089

Rx-mediated extreme resistance against potato virus X in potato does not involve a necrotic hypersensitive response at the site of initial infection and thereby differs from the more usual type of disease resistance in plants. However, the Rx protein is structurally similar to products of disease resistance genes conferring the hypersensitive response. We show in both Nicotiana spp and potato that Rx has the potential to initiate a cell death response but that extreme resistance is separate and epistatic to necrosis. These data indicate that cell death and pathogen arrest are separate disease resistance responses in plants.

Abstract The hemibiotrophic fungus Zymoseptoria tritici causes Septoria tritici blotch disease of wheat (Triticum aestivum). Pathogen reproduction on wheat occurs without cell penetration, suggesting that dynamic and intimate intercellular communication occurs between fungus and plant throughout the disease cycle. We used deep RNA sequencing and metabolomics to investigate the physiology of plant and pathogen throughout an asexual reproductive cycle of Z. tritici on wheat leaves. Over 3,000 pathogen genes, more than 7,000 wheat genes, and more than 300 metabolites were differentially regulated. Intriguingly, individual fungal chromosomes contributed unequally to the overall gene expression changes. Early transcriptional down-regulation of putative host defense genes was detected in inoculated leaves. There was little evidence for fungal nutrient acquisition from the plant throughout symptomless colonization by Z. tritici, which may instead be utilizing lipid and fatty acid stores for growth. However, the fungus then subsequently manipulated specific plant carbohydrates, including fructan metabolites, during the switch to necrotrophic growth and reproduction. This switch coincided with increased expression of jasmonic acid biosynthesis genes and large-scale activation of other plant defense responses. Fungal genes encoding putative secondary metabolite clusters and secreted effector proteins were identified with distinct infection phase-specific expression patterns, although functional analysis suggested that many have overlapping/redundant functions in virulence. The pathogenic lifestyle of Z. tritici on wheat revealed through this study, involving initial defense suppression by a slow-growing extracellular and nutritionally limited pathogen followed by defense (hyper) activation during reproduction, reveals a subtle modification of the conceptual definition of hemibiotrophic plant infection.

Fungal effectors of wheat stem rust The fungal pathogen Ug99 (named for its identification in Uganda in 1999) threatens wheat crops worldwide. Ug99 can kill entire fields of wheat and is undeterred by many of the disease-resistance genes that otherwise protect wheat crops. Two papers describe two peptides secreted by the fungus as it attacks the wheat (see the Perspective by Moscou and van Esse). Chen et al. show that fungal AvrSr50 binds to the plant's immune receptor Sr50, and Salcedo et al. show that fungal AvrSr35 binds to Sr35. Successful binding activates the plant's immune defenses. Removing or inactivating these Avr effectors leaves the plant defenseless and susceptible to disease. Science , this issue p. 1607 , p. 1604 ; see also p. 1541

Abstract Zymoseptoria tritici is the most economically significant fungal pathogen of wheat in Europe. However, despite the importance of this pathogen, the molecular interactions between pathogen and host during infection are not well understood. Herein, we describe the use of two libraries of cloned Z. tritici effectors that were screened to identify effector candidates with putative pathogen associated molecular pattern (PAMP) triggered immunity (PTI)-suppressing activity. The effectors from each library were transiently expressed in Nicotiana benthamiana , and expressing leaves were treated with bacterial or fungal PAMPs to assess the effectors’ ability to suppress reactive oxygen species (ROS) production. From these screens, numerous effectors were identified with PTI-suppressing activity. In addition, some effectors were able to suppress cell death responses induced by other Z. tritici secreted proteins. We used structural prediction tools to predict the putative structures of all of the Z. tritici effectors, and used these predictions to examine whether there was enrichment of specific structural signatures among the PTI-suppressing effectors. From among the libraries, multiple members of the killer protein-like 4 (KP4) and killer protein-like 6 (KP6) effector families were identified as PTI-suppressors. This observation is intriguing, as these protein families were previously associated with antimicrobial activity rather than virulence or host manipulation. This data provides mechanistic insight into immune suppression by Z. tritici during infection, and suggests that similar to biotrophic pathogens, this fungus relies on a battery of secreted effectors to suppress host immunity during early phases of colonisation.

SUMMARY Septoria tritici blotch (STB), caused by the fungus Zymoseptoria tritici , is one of the most economically important diseases of wheat. Recently, both factors of a gene-for-gene interaction between Z. tritici and wheat, the wheat receptor-like kinase Stb6 and the Z. tritici secreted effector protein AvrStb6, have been identified. Previous analyses revealed a high diversity of AvrStb6 alleles present in historic Z. tritici isolate collections, with up to ~ 18% of analysed isolates possessing the avirulence isoform of AvrStb6 identical to that originally identified in the reference isolate IPO323. With Stb6 present in many commercial wheat cultivars globally, we aimed to assess potential changes in AvrStb6 genetic diversity and the incidence of alleles allowing evasion of Stb6 -mediated resistance in more recent Z. tritici populations. Here we show, using targeted re-sequencing of AvrStb6, that this gene is universally present in field isolates sampled from major wheat-growing regions of the world between 2013–2017. However, in contrast to the data from studies of historic isolates, our study revealed a complete absence of the originally described avirulence isoform of AvrStb6 amongst modern Z. tritici isolates. Moreover, a remarkably small number of alleles, each encoding AvrStb6 protein isoforms conditioning virulence on Stb6- containing wheat, were found to predominate among modern Z. tritici isolates. A single virulence isoform of AvrStb6 was found to be particularly abundant throughout the global population. These findings indicate that, despite the ability of Z. tritici to sexually reproduce on resistant hosts, AvrStb6 avirulence alleles tend to be eliminated in subsequent populations.

Plants have developed intricate defense mechanisms, referred to as innate immunity, to defend themselves against a wide range of pathogens. Plants often respond rapidly to pathogen attack by the synthesis and delivery of various antimicrobial compounds, proteins and small RNA in membrane vesicles to the primary infection sites. Much of the evidence regarding the importance of vesicular trafficking in plant-pathogen interactions comes from the studies involving model plants whereas this process is relatively understudied in crop plants. Here we assessed whether the vesicular trafficking system components previously implicated in immunity in Arabidopsis thaliana play a role in the interaction with Fusarium graminearum, a fungal pathogen notoriously famous for its ability to cause Fusarium head blight (FHB) disease in wheat. Among the analyzed vesicular trafficking mutants, two independent T-DNA insertion mutants in the AtMin7 gene displayed a markedly enhanced susceptibility to F. graminearum. Earlier studies identified this gene, encoding an ARF-GEF protein, as a target for the HopM1 effector of the bacterial pathogen Pseudomonas syringae pv. tomato, which destabilizes AtMIN7 leading to its degradation and weakening host defenses. To test whether this key vesicular trafficking component may also contribute to defense in crop plants, we identified the candidate TaMin7 genes in wheat and knocked-down their expression through Virus induced gene silencing. Wheat plants in which TaMIN7 were silenced displayed significantly more FHB disease. This suggests that disruption of MIN7 function in both model and crop plants compromises the trafficking of innate immunity signals or products resulting in hyper-susceptibility to various pathogens.

The fungus Zymoseptoria tritici is the causal agent of Septoria Tritici Blotch (STB) disease of wheat leaves. Z. tritici secretes many functionally uncharacterised effector proteins during infection. Here we characterised a secreted ribonuclease (Zt6) with an unusual biphasic expression pattern. Transient expression systems were used to characterise Zt6, and mutants thereof, in both host and non-host plants. Cell-free protein expression systems monitored impact of Zt6 protein on functional ribosomes, and in vitro assays of cells treated with recombinant Zt6 determined toxicity against bacteria, yeasts and filamentous fungi. We demonstrated that Zt6 is a functional ribonuclease and that phytotoxicity is dependent on both the presence of a 22-amino acid N-terminal loop region and its catalytic activity. Zt6 selectively cleaves both plant and animal rRNA species, and is toxic to wheat, tobacco, bacterial and yeast cells but not to Z. tritici itself. Zt6 is the first Z. tritici effector demonstrated to have a likely dual functionality. The expression pattern of Zt6 and potent toxicity towards microorganisms suggests that whilst it may contribute to the execution of wheat cell death, it is also likely to have an important secondary function in antimicrobial competition and niche protection.

Cross-kingdom small RNA (sRNA) silencing has recently emerged as a mechanism facilitating fungal colonization and disease development. Here we characterized RNAi pathways in Zymoseptoria tritici, a major fungal pathogen of wheat, and assessed their contribution to pathogenesis. Computational analysis of fungal sRNA and host mRNA sequencing datasets was used to define the global sRNA populations in Z. tritici and predict their mRNA targets in wheat. 389 in planta-induced sRNA loci were identified. sRNAs generated from some of these loci were predicted to target wheat mRNAs including those potentially involved in pathogen defense. However, molecular approaches failed to validate targeting of selected wheat mRNAs by fungal sRNAs. Mutant strains of Z. tritici carrying deletions of genes encoding key components of RNAi such as Dicer-like (DCL) and Argounate (AGO) proteins were generated, and virulence bioassays suggested that these are dispensable for full infection of wheat. Nonetheless, our results did suggest the existence of non-canonical DCL-independent pathway(s) for sRNA biogenesis in Z. tritici. dsRNA targeting essential fungal genes applied in vitro or generated from an RNA virus vector in planta in a procedure known as HIGS (Host-Induced Gene Silencing) was ineffective in preventing Z. tritici growth or disease. We also demonstrated that Z. tritici is incapable of dsRNA uptake. Collectively, our data suggest that RNAi approaches for gene function analyses in this fungal species and potentially also as a control measure may not be as effective as has been demonstrated for some other plant pathogenic fungi.

Abstract Even though considerable progress has been made in weed ecology, weed molecular biology has been hindered by an inability to genetically manipulate weeds. Genetic manipulation is essential to demonstrate a causative relationship between genotype and phenotype. Herein we demonstrate that virus-mediated transient expression techniques developed for other monocots can be used in black-grass ( Alopecurus myosuroides ) for loss- and gain-of-function studies. We not only use virus induced gene silencing (VIGS) to create the black-grass exhibiting reduced PHYTOENE DESATURASE expression and virus-mediated overexpression (VOX) to drive GREEN FLUORESCENT PROTEIN, we demonstrate these techniques are applicable to testing hypotheses related to herbicide resistance in black-grass. We use VIGS to demonstrate that AmGSTF1 is necessary for the resistant biotype Peldon to survive fenoxaprop application and show the heterologous expression of the bialaphos resistance gene with VOX is sufficient to confer resistance to an otherwise lethal dose of glufosinate. Black-grass is the most problematic weed for winter-cereal farmers in the UK and Western Europe as it has rapidly evolved adaptions that allow it to effectively avoid current integrated weed management practices. Black-grass also reduces yields and therefore directly threatens food security and productivity. Novel disruptive technologies which mitigate resistance evolution and enable better control over this pernicious weed are therefore required. These virus-mediated protocols offer a step change in our ability to alter genes of interest under controlled laboratory conditions and therefore to gain a molecular-level understanding of how black-grass can survive in the agri-environment. One Sentence Summary Virus-mediated transient expression techniques create loss- and gain-of-function mutations in black-grass and show causation between specific genotypes and measurable changes in herbicide resistance.