Rust fungi are some of the most devastating pathogens of crop plants. They are obligate biotrophs, which extract nutrients only from living plant tissues and cannot grow apart from their hosts. Their lifestyle has slowed the dissection of molecular mechanisms underlying host invasion and avoidance or suppression of plant innate immunity. We sequenced the 101-Mb genome of Melampsora larici - populina , the causal agent of poplar leaf rust, and the 89-Mb genome of Puccinia graminis f. sp. tritici , the causal agent of wheat and barley stem rust. We then compared the 16,399 predicted proteins of M. larici-populina with the 17,773 predicted proteins of P. graminis f. sp tritici . Genomic features related to their obligate biotrophic lifestyle include expanded lineage-specific gene families, a large repertoire of effector-like small secreted proteins, impaired nitrogen and sulfur assimilation pathways, and expanded families of amino acid and oligopeptide membrane transporters. The dramatic up-regulation of transcripts coding for small secreted proteins, secreted hydrolytic enzymes, and transporters in planta suggests that they play a role in host infection and nutrient acquisition. Some of these genomic hallmarks are mirrored in the genomes of other microbial eukaryotes that have independently evolved to infect plants, indicating convergent adaptation to a biotrophic existence inside plant cells.

Three members of the Puccini genus, P. triticina (Pt), P. striiformis f.sp. tritici (Pst), and P. graminis f.sp. tritici (Pgt), cause the most common and often most significant foliar diseases of wheat. While similar in biology and life cycle, each species is uniquely adapted and specialized. The genomes of Pt and Pst were sequenced and compared to that of Pgt to identify common and distinguishing gene content, to determine gene variation among wheat rust pathogens, other rust fungi and basidiomycetes, and to identify genes of significance for infection. Pt had the largest genome of the three, estimated at 135 Mb with expansion due to mobile elements and repeats encompassing 50.9% of contig bases; by comparison repeats occupy 31.5% for Pst and 36.5% for Pgt. We find all three genomes are highly heterozygous, with Pst (5.97 SNPs/kb) nearly twice the level detected in Pt (2.57 SNPs/kb) and that previously reported for Pgt. Of 1,358 predicted effectors in Pt, 784 were found expressed across diverse life cycle stages including the sexual stage. Comparison to related fungi highlighted the expansion of gene families involved in transcriptional regulation and nucleotide binding, protein modification, and carbohydrate enzyme degradation. Two allelic homeodomain, HD1 and HD2, pairs and three pheromone receptor (STE3) mating-type genes were identified in each dikaryotic Puccinia species. The HD proteins were active in a heterologous Ustilago maydis mating assay and host induced gene silencing of the HD and STE3 alleles reduced wheat host infection.

Abstract Cannabis sativa is increasingly being grown around the world for medicinal, industrial, and recreational purposes. As in all cultivated plants, cannabis is exposed to a wide range of pathogens, including powdery mildew (PM). This fungal disease stresses cannabis plants and reduces flower bud quality, resulting in significant economic losses for licensed producers. The Mildew Locus O ( MLO ) gene family encodes plant-specific proteins distributed among conserved clades, of which clades IV and V are known to be involved in susceptibility to PM in monocots and dicots, respectively. In several studies, the inactivation of those genes resulted in durable resistance to the disease. In this study, we identified and characterized the MLO gene family members in five different cannabis genomes. Fifteen Cannabis sativa MLO ( CsMLO ) genes were manually curated in cannabis, with numbers varying between 14, 17, 19, 18, and 18 for CBDRx, Jamaican Lion female, Jamaican Lion male, Purple Kush, and Finola, respectively (when considering paralogs and incomplete genes). Further analysis of the CsMLO genes and their deduced protein sequences revealed that many characteristics of the gene family, such as the presence of 7 transmembrane domains, the MLO functional domain, and particular amino acid positions, were present and well conserved. Phylogenetic analysis of the MLO protein sequences from all five cannabis genomes and other plant species indicated seven distinct clades (I through VII), as reported in other crops. Expression analysis revealed that the CsMLOs from clade V, CsMLO1 and CsMLO4 , were significantly upregulated following Golovinomyces ambrosiae infection, providing preliminary evidence that they could be involved in PM susceptibility. Finally, the examination of variation within CsMLO1 and CsMLO4 in 32 cannabis cultivars revealed several amino acid changes, which could affect their function. Altogether, cannabis MLO genes were identified and characterized, among which candidates potentially involved in PM susceptibility were noted. The results of this study will lay the foundation for further investigations, such as the functional characterization of clade V MLOs as well as the potential impact of the amino acid changes reported. Those will be useful for breeding purposes in order to develop resistant cultivars.