To subvert rice (Oryza sativa) host defenses, the devastating ascomycete fungus pathogen Magnaporthe oryzae produces a battery of effector molecules, including some with avirulence (AVR) activity, which are recognized by host resistance (R) proteins resulting in rapid and effective activation of innate immunity. To isolate novel avirulence genes from M. oryzae, we examined DNA polymorphisms of secreted protein genes predicted from the genome sequence of isolate 70-15 and looked for an association with AVR activity. This large-scale study found significantly more presence/absence polymorphisms than nucleotide polymorphisms among 1032 putative secreted protein genes. Nucleotide diversity of M. oryzae among 46 isolates of a worldwide collection was extremely low (theta=8.2x10(-5)), suggestive of recent pathogen dispersal. However, no association between DNA polymorphism and AVR was identified. Therefore, we used genome resequencing of Ina168, an M. oryzae isolate that contains nine AVR genes. Remarkably, a total of 1.68 Mb regions, comprising 316 candidate effector genes, were present in Ina168 but absent in the assembled sequence of isolate 70-15. Association analyses of these 316 genes revealed three novel AVR genes, AVR-Pia, AVR-Pii, and AVR-Pik/km/kp, corresponding to five previously known AVR genes, whose products are recognized inside rice cells possessing the cognate R genes. AVR-Pia and AVR-Pii have evolved by gene gain/loss processes, whereas AVR-Pik/km/kp has evolved by nucleotide substitutions and gene gain/loss.

Genetic analysis of disease emergence In the 1980s, wheat crops began to fall to the fungal pathogen that causes blast disease. First seen in Brazil, wheat blast last year caused devastating crop losses in Bangladesh. Inoue et al. tracked down the shifting genetics that have allowed the emergence of this potentially global threat to wheat crops (see the Perspective by Maekawa and Schulze-Lefert). Wheat varieties with a disabled resistance gene were susceptible to pathogen strains that affected oat and ryegrass crops. Subsequent genetic changes in the pathogen amped up the virulence in wheat. Science , this issue p. 80 ; see also p. 31

Magnaporthe oryzae is the causal agent of rice blast disease, a devastating problem worldwide. This fungus has caused breakdown of resistance conferred by newly developed commercial cultivars. To address how the rice blast fungus adapts itself to new resistance genes so quickly, we examined chromosomal locations of AVR-Pita, a subtelomeric gene family corresponding to the Pita resistance gene, in various isolates of M. oryzae (including wheat and millet pathogens) and its related species. We found that AVR-Pita (AVR-Pita1 and AVR-Pita2) is highly variable in its genome location, occurring in chromosomes 1, 3, 4, 5, 6, 7, and supernumerary chromosomes, particularly in rice-infecting isolates. When expressed in M. oryzae, most of the AVR-Pita homologs could elicit Pita-mediated resistance, even those from non-rice isolates. AVR-Pita was flanked by a retrotransposon, which presumably contributed to its multiple translocation across the genome. On the other hand, family member AVR-Pita3, which lacks avirulence activity, was stably located on chromosome 7 in a vast majority of isolates. These results suggest that the diversification in genome location of AVR-Pita in the rice isolates is a consequence of recognition by Pita in rice. We propose a model that the multiple translocation of AVR-Pita may be associated with its frequent loss and recovery mediated by its transfer among individuals in asexual populations. This model implies that the high mobility of AVR-Pita is a key mechanism accounting for the rapid adaptation toward Pita. Dynamic adaptation of some fungal plant pathogens may be achieved by deletion and recovery of avirulence genes using a population as a unit of adaptation.

ABSTRACT Wheat, the most important food crop, is threatened by a blast disease pandemic. Here, we show that a clonal lineage of the wheat blast fungus recently spread to Asia and Africa following two independent introductions from South America. Through a combination of genome analyses and laboratory experiments, we show that the decade-old blast pandemic lineage can be controlled by the Rmg8 disease resistance gene and is sensitive to strobilurin fungicides. However, we also highlight the potential of the pandemic clone to evolve fungicide-insensitive variants and sexually recombine with African lineages. This underscores the urgent need for genomic surveillance to track and mitigate the spread of wheat blast outside of South America, and to guide pre-emptive wheat breeding for blast resistance.

Abstract Since emerging in Brazil in 1985, wheat blast has spread throughout South America and recently appeared in Bangladesh and Zambia. We show that two wheat resistance genes, Rwt3 and Rwt4 , acting as host-specificity barriers against non-Triticum blast pathotypes encode a nucleotide-binding leucine-rich repeat immune receptor and a tandem kinase, respectively. Molecular isolation of these genes allowed us to develop assays that will ensure the inclusion of these two genes in the wheat cultivars to forestall the recurrence of blast host jumps.

Abstract Studies focused solely on single organisms can fail to identify the networks underlying host–pathogen gene-for-gene interactions. Here, we integrate genetic analyses of rice ( Oryza sativa , host) and rice blast fungus ( Magnaporthe oryzae , pathogen) and uncover a new pathogen recognition specificity of the rice nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat protein (NLR) immune receptor Pik, which mediates resistance to M. oryzae expressing the avirulence effector gene AVR-Pik . Rice Piks-1, encoded by an allele of Pik-1 , recognizes a previously unidentified effector encoded by the M. oryzae avirulence gene AVR-Mgk1 , which is found on a mini-chromosome. AVR-Mgk1 has no sequence similarity to known AVR-Pik effectors, and is prone to deletion from the mini-chromosome mediated by repeated Inago2 retrotransposon sequences. AVR-Mgk1 is detected by Piks-1 and by other Pik-1 alleles known to recognize AVR-Pik effectors; recognition is mediated by AVR-Mgk1 binding to the integrated heavy metal-associated (HMA) domain of Piks-1 and other Pik-1 alleles. Our findings highlight how complex gene-for-gene interaction networks can be disentangled by applying forward genetics approaches simultaneously to the host and pathogen. We demonstrate dynamic co-evolution between an NLR integrated domain and multiple families of effector proteins.

Abstract Wheat blast caused by Pyricularia oryzae Triticum pathotype (MoT) has been transmitted from South America to Bangladesh and Zambia and is now spreading in these countries. To prepare against its further spread to Asian countries, we introduced Rmg8 , a gene for resistance to wheat blast, into a Japanese elite cultivar, Chikugoizumi (ChI), through recurrent backcrosses, and established ChI near-isogenic lines, #2-1-10 with the Rmg8 / Rmg8 genotype and #4-2-10 with the rmg8 / rmg8 genotype. A molecular analysis suggested that at least 96.6% of the #2-1-10 genome was derived from the recurrent parent ChI. The #2-1-10 line was resistant to MoT not only in primary leaves at the seedling stage but also in spikes and flag leaves at the heading stage. The strength of the resistance in spikes of this Rmg8 carrier was comparable to that of a carrier of the 2NS segment which has been the only one genetic resource released to farmer’s field for wheat blast resistance. On the other hand, the 2NS resistance was not expressed on leaves at the seedling stage nor flag leaves at the heading stage. Considering that leaf blast has been increasingly reported and regarded as an important inoculum source for spike blast, Rmg8 expressed at both the seedling and heading stages, or more strictly in both leaves and spikes, is suggested to be useful to prevent the spread of MoT in Asia and Africa.

Wheat blast, caused by Pyricularia oryzae (syn. Magnaporthe oryzae) pathotype Triticum (MoT), is a devastating disease that can result in up to 100% yield loss in affected fields. To find new resistance genes against wheat blast, we screened 199 accessions of Aegilops tauschii, the D genome progenitor of common wheat ( Triticum aestivum), by seedling inoculation assays with Brazilian MoT isolate Br48 and found 14 resistant accessions. A synthetic hexaploid wheat line (Ldn/KU-2097) derived from a cross between the T. turgidum ‘Langdon’ (Ldn) and resistant A. tauschii accession KU-2097 exhibited resistance in seedlings and spikes against Br48. In an F 2 population derived from ‘Chinese Spring’ × Ldn/KU-2097, resistant and susceptible individuals segregated in a 3:1 ratio, suggesting that the resistance from KU-2097 is controlled by a single dominant gene. We designated this gene Rmg10. Genetic mapping using an F 2:3 population from the same cross mapped the RMG10 locus to the short arm of chromosome 2D. Rmg10 was ineffective against Bangladesh isolates but effective against Brazilian isolates. Field tests in Bolivia showed increased spike resistance in a synthetic octaploid wheat line produced from a cross between common wheat cultivar ‘Gladius’ and KU-2097. These results suggest that Rmg10 would be beneficial in farmers’ fields in South America.

Wheat blast, a devastating disease having spread recently from South America to Asia and Africa, is caused by Pyricularia oryzae pathotype Triticum which emerged in 1985. Rmg8 and Rmg7, genes for resistance to wheat blast found in common wheat and tetraploid wheat, respectively, recognize the same avirulence gene, AVR-Rmg8. Here, we show an evolutionary process in which resistance gene(s), which had obtained an ability to recognize AVR-Rmg8 before the differentiation of Triticum and Aegilops, has expanded its target pathogens. Molecular cloning revealed that Rmg7 was one of alleles of Pm4 (Pm4a), a gene for resistance to wheat powdery mildew on 2AL, whereas Rmg8 was its homoeolog on 2BL ineffective against wheat powdery mildew. Rmg8 variants with the ability to recognize AVR-Rmg8 were distributed not only in Triticum spp. but also in Aegilops speltoides Ae. umbellulata, and Ae. comosa. This result suggests that the origin of resistance gene(s) recognizing AVR-Rmg8 dates back to the time before differentiation of A, B, S, U, and M genomes, that is, ~5 million years before the emergence of its current target, the wheat blast fungus. Phylogenetic analyses suggested that, in the evolutionary process thereafter, some of their variants gained the ability to recognize the wheat powdery mildew fungus and evolved into genes for resistance to wheat powdery mildew.