Summary We consider the generic problem of performing sequential Bayesian inference in a state space model with observation process y, state process x and fixed parameter θ. An idealized approach would be to apply the iterated batch importance sampling algorithm of Chopin. This is a sequential Monte Carlo algorithm in the θ-dimension, that samples values of θ, reweights iteratively these values by using the likelihood increments pyt∣y1:t−1,θ and rejuvenates the θ-particles through a resampling step and a Markov chain Monte Carlo update step. In state space models these likelihood increments are intractable in most cases, but they may be unbiasedly estimated by a particle filter in the x-dimension, for any fixed θ. This motivates the SMC2 algorithm that is proposed in the paper: a sequential Monte Carlo algorithm, defined in the θ-dimension, which propagates and resamples many particle filters in the x-dimension. The filters in the x-dimension are an example of the random weight particle filter. In contrast, the particle Markov chain Monte Carlo framework that has been developed by Andrieu and colleagues allows us to design appropriate Markov chain Monte Carlo rejuvenation steps. Thus, the θ-particles target the correct posterior distribution at each iteration t, despite the intractability of the likelihood increments. We explore the applicability of our algorithm in both sequential and non-sequential applications and consider various degrees of freedom, as for example increasing dynamically the number of x-particles. We contrast our approach with various competing methods, both conceptually and empirically through a detailed simulation study, and based on particularly challenging examples.

Abstract Plant nucleotide-binding leucine-rich repeat receptors (NLRs) regulate immunity and cell death. RPW8 domain-containing “helper” NLRs (RNLs) are required by many “sensor” NLRs. Our crystal structure of the RNL N REQUIREMENT GENE 1.1 (NRG1.1) N-terminal signaling domain resembled that of the resting state plant resistosome-forming HOPZ-ACTIVATED RESISTANCE 1 (ZAR1) and the animal MIXED-LINEAGE KINASE-LIKE (MLKL) cation channel. Active NRG1.1 oligomerized, was enriched in plasma membrane puncta and conferred cytoplasmic Ca 2+ influx in plant and human HeLa cells. NRG1.1-dependent Ca 2+ influx and cell death were sensitive to Ca 2+ channel blockers. Ca 2+ influx and cell death mediated by NRG1.1 and ACTIVATED DISEASE RESISTANCE 1 (ADR1), another RNL, required conserved negatively charged N-terminal residues. Thus, RNLs apparently form influx channels to directly regulate cytoplasmic [Ca 2+ ] and consequent cell death. One Sentence Summary A specific class of plant immune receptors function as calcium-permeable channels upon activation to induce cell death.

Abstract Some plant NLR immune receptors are encoded in head-to-head pairs that function together. Alleles of the NLR pair CHS3/CSA1 form three clades. The clade 1 sensor CHS3 contains an integrated domain (ID) with homology to regulatory domains, which is lacking in clades 2 and 3. We defined two regulatory modes for CHS3/CSA1 pairs. One is likely mediated by effector binding to the clade 1 ID of CHS3 and the other relies on CHS3/CSA1 pairs from all clades detecting effector modification of an associated pattern recognition receptor. We suggest that an ancestral Arabidopsis CHS3/CSA1 pair gained a second recognition specificity and regulatory mechanism through ID acquisition, while retaining its original specificity as a ‘Guard’ against perturbation of pattern recognition receptor targeting by a pathogen effector. This likely comes with a cost, since both ID and non-ID alleles of the pair persist in diverse Arabidopsis populations through balancing selection. Summary We dissect a novel case where two regulatory modes emerged across three clades of the co-evolved CHS3/CSA1 plant immune receptor pairs, which features recruitment of an integrated domain (ID) into the clade 1 CHS3 alleles. Pre- and post-ID integration alleles maintain functionality; balancing selection maintains both in the Arabidopsis pan-genome.

Abstract TIR domains are NAD-degrading enzymes that function during immune signaling in prokaryotes, plants, and animals. In plants, most TIR domains are incorporated into intracellular immune receptors. In Arabidopsis, TIR-derived small molecules bind and activate EDS1 heterodimers, which in turn activate RNLs, a class of cation channel-forming immune receptors. RNL activation drives cytoplasmic Ca 2+ influx, transcriptional reprogramming, pathogen resistance and host cell death. We screened for mutants that suppress an RNL activation mimic allele and identified a TIR-containing immune receptor, SADR1. Despite functioning downstream of an auto-activated RNL, SADR1 is not required for defense signaling triggered by other tested TIR-containing immune receptors. SADR1 is required for defense signaling initiated by some trans-membrane pattern recognition receptors and contributes to the unbridled spread of cell death in lesion simulating disease 1 . Together with RNLs, SADR1 regulates defense gene expression at infection site borders, likely in a non-autonomous manner. RNL mutants that cannot sustain this pattern of gene expression are unable to prevent disease spread beyond localized infection sites, suggesting that this pattern corresponds to a pathogen containment mechanism. SADR1 potentiates RNL-driven immune signaling partially through the activation of EDS1, but also partially independently of EDS1. We studied EDS1-independent TIR function using nicotinamide, an NADase inhibitor. We observed decreased defense induction from trans-membrane pattern recognition receptors and decreased calcium influx, pathogen growth restriction and host cell death following intracellular immune receptor activation. We demonstrate that TIR domains can potentiate calcium influx and defense and are thus broadly required for Arabidopsis immunity.

Understanding the relatedness of individuals within or between populations is a common goal in biology. Increasingly, relatedness features in genetic epidemiology studies of pathogens. These studies are relatively new compared to those in humans and other organisms, but are important for designing interventions and understanding pathogen transmission. Only recently have researchers begun to routinely apply relatedness to apicomplexan eukaryotic malaria parasites, and to date have used a range of different approaches on an ad hoc basis. It remains unclear how to compare different studies, therefore, and which measures to use. Here, we systematically compare measures based on identity-by-state and identity-by-descent using a globally diverse data set of malaria parasites, Plasmodium falciparum and Plasmodium vivax, and provide marker requirements for estimates based on identity-by-descent. We formally show that the informativeness of polyallelic markers for relatedness inference is maximised when alleles are equifrequent. Estimates based on identity-by-state are sensitive to allele frequencies, which vary across populations and by experimental design. For portability across studies, we thus recommend estimates based on identity-by-descent. To generate reliable estimates, we recommend approximately 200 biallelic or 100 polyallelic markers. Confidence intervals illuminate inference across studies based on different sets of markers. These marker requirements, unlike many thus far reported, are immediately applicable to haploid malaria parasites and other haploid eukaryotes. This is the first attempt to provide rigorous analysis of the reliability of, and requirements for, relatedness inference in malaria genetic epidemiology, and will provide a basis for statistically informed prospective study design and surveillance strategies.