Abstract Introgressions of chromosomal segments from related species into wheat are important sources of resistance against fungal diseases. The durability and effectiveness of introgressed resistance genes upon agricultural deployment is highly variable - a phenomenon that remains poorly understood as the corresponding fungal avirulence genes are largely unknown. Until its breakdown, the Pm17 resistance gene introgressed from rye to wheat provided broad resistance against powdery mildew ( Blumeria graminis ). Here, we used QTL mapping to identify the corresponding wheat mildew avirulence effector AvrPm17 . It is encoded by two paralogous genes that exhibit signatures of re-occurring gene conversion events and are members of a mildew sub-lineage specific effector cluster. Extensive haplovariant mining in wheat mildew and related sub-lineages identified several ancient virulent AvrPm17 variants that were present as standing genetic variation in wheat powdery mildew prior to the Pm17 introgression, thereby paving the way for the rapid breakdown of the Pm17 resistance. QTL mapping in mildew identified a second genetic component likely corresponding to an additional resistance gene present on the 1AL.1RS translocation carrying Pm17 . This gene remained previously undetected due to suppressed recombination within the introgressed rye chromosomal segment. We conclude that the initial effectiveness of 1AL.1RS was based on simultaneous introgression of two genetically linked resistance genes. Our results demonstrate the relevance of pathogen-based genetic approaches to disentangle complex resistance loci in wheat. We propose that identification and monitoring of avirulence gene diversity in pathogen populations becomes an integral part of introgression breeding to ensure effective and durable resistance in wheat. Significance Statement Domesticated and wild wheat relatives provide an important source of new immune receptors for wheat resistance breeding against fungal pathogens. The durability of these resistance genes is variable and difficult to predict, yet it is crucial for effective resistance breeding. We identified a fungal effector protein recognised by an immune receptor introgressed from rye to wheat. We found that variants of the effector allowing the fungus to overcome the resistance are ancient. They were already present in the wheat powdery mildew gene pool before the introgression of the immune receptor and are therefore responsible for the rapid resistance breakdown. Our study demonstrates that the effort to identify new resistance genes should be accompanied by studies of avirulence genes on the pathogen side.

Abstract The emergence of new fungal pathogens through hybridization represents a serious challenge for agriculture. Hybridization between the wheat mildew ( Blumeria graminis f.sp. tritici ) and rye mildew ( B.g. f.sp. secalis ) pathogens have led to the emergence of a new mildew form ( B.g. f.sp. triticale ) growing on triticale, a man-made amphiploid crop derived from crossing rye and wheat which was originally resistant to the powdery mildew disease. The identification of the genetic basis of host-adaptation in triticale mildew has been hampered by the lack of a reference genome. Here we report the 141.4 Mb reference assembly of B.g. triticale isolate THUN-12 derived from long-read sequencing and genetic map-based scaffolding. All eleven B.g. triticale chromosomes were assembled from telomere-to-telomere and revealed that 19.7% of the hybrid genome was inherited from the rye mildew parental lineage. We identified lineage-specific regions in the hybrid, inherited from the rye or wheat mildew parental lineages, that harbour numerous bona fide candidate effectors. We propose that the combination of lineage-specific effectors in the hybrid genome is crucial for host-adaptation, allowing the fungus to simultaneously circumvent the immune systems contributed by wheat and rye in the triticale crop. In line with this we demonstrate the functional transfer of the SvrPm3 effector from wheat to triticale mildew, a virulence effector that specifically suppresses resistance of the wheat Pm3 allelic series. This transfer is the likely underlying cause for the observed poor effectiveness of several Pm3 alleles against triticale mildew and exemplifies the negative implications of pathogen hybridizations on resistance breeding.

Summary The Pm8 resistance gene against the powdery mildew disease has been introgressed from rye into wheat as part of a large 1BL.1RS chromosomal translocation. Due to its high agronomic value, this translocation has seen continuous global use since the 1960’s on large growth areas, even after Pm8 resistance was overcome. This allows studying the effect of long and widespread resistance gene use on a pathogen population. Using genome wide association studies in a global population of wheat mildew isolates, we identified the avirulence effector AvrPm8 specifically recognized by Pm8 . Haplovariant mining in the global population revealed 17 virulent haplotypes of the AvrPm8 gene that grouped into two categories. The first one from geographically diverse regions comprised two single amino acid polymorphisms at the same position in the AvrPm8 protein, which we confirmed to be crucial for recognition by Pm8. The second category consisted of numerous destructive mutations to the AvrPm8 open reading frame. Most individual gain-of-virulence mutations were found in geographically restricted regions, indicating they occurred recently as a consequence of the frequent Pm8 use. We conclude that both standing genetic variation as well as locally occurring new mutations contributed to the global breakdown of the Pm8 resistance gene introgression.

Wheat production is threatened by multiple fungal pathogens, such as the wheat powdery mildew fungus ( Blumeria graminis f. sp. tritici , Bgt ). Wheat resistance breeding frequently relies on the use of resistance ( R ) genes that encode diverse immune receptors which detect specific avirulence ( AVR ) effectors and subsequently induce an immune response. While R gene cloning has accelerated recently, AVR identification in many pathogens including Bgt lags behind, preventing pathogen-informed deployment of resistance sources. Here we describe a new “avirulence depletion (AD) assay” for rapid identification of AVR genes in Bgt . This assay relies on the selection of a segregating, haploid F1 progeny population on a resistant host, followed by bulk sequencing, thereby allowing rapid avirulence candidate gene identification with high mapping resolution. In a proof-of-concept experiment we mapped the AVR component of the wheat immune receptor Pm3a to a 25 kb genomic interval in Bgt harboring a single effector, the previously described AvrPm3 a2/f2 . Subsequently, we applied the AD assay to map the unknown AVR effector recognized by the Pm60 immune receptor. We show that AvrPm60 is encoded by three tandemly arrayed, nearly identical effector genes that trigger an immune response upon co-expression with Pm60 and its alleles Pm60a and Pm60b . We furthermore provide evidence that Pm60 outperforms Pm60a and Pm60b through more efficient recognition of AvrPm60 effectors, suggesting it should be prioritized for wheat breeding. Finally, we show that virulence towards Pm60 is caused by simultaneous deletion of all AvrPm60 gene paralogs and that isolates lacking AvrPm60 are especially prevalent in the US thereby limiting the potential of Pm60 in this region. The AD assay is a powerful new tool for rapid and inexpensive AVR identification in Bgt with the potential to contribute to pathogen-informed breeding decisions for the use of novel R genes and regionally tailored gene deployment.