The prevailing paradigm of host-parasite evolution is that arms races lead to increasing specialisation via genetic adaptation. Insect herbivores are no exception and the majority have evolved to colonise a small number of closely related host species. Remarkably, the green peach aphid, Myzus persicae, colonises plant species across 40 families and single M. persicae clonal lineages can colonise distantly related plants. This remarkable ability makes M. persicae a highly destructive pest of many important crop species. To investigate the exceptional phenotypic plasticity of M. persicae, we sequenced the M. persicae genome and assessed how one clonal lineage responds to host plant species of different families. We show that genetically identical individuals are able to colonise distantly related host species through the differential regulation of genes belonging to aphid-expanded gene families. Multigene clusters collectively upregulate in single aphids within two days upon host switch. Furthermore, we demonstrate the functional significance of this rapid transcriptional change using RNA interference (RNAi)-mediated knock-down of genes belonging to the cathepsin B gene family. Knock-down of cathepsin B genes reduced aphid fitness, but only on the host that induced upregulation of these genes. Previous research has focused on the role of genetic adaptation of parasites to their hosts. Here we show that the generalist aphid pest M. persicae is able to colonise diverse host plant species in the absence of genetic specialisation. This is achieved through rapid transcriptional plasticity of genes that have duplicated during aphid evolution.

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.

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.