During the past 12 years, there has been rapid development of genome-editing strategies that make it possible to directly target regions of genes in a DNA sequence-specific manner. Two of these strategies, zinc finger nucleases ([Urnov et al., 2010][1]) and transcription activator-like nucleases ([

Genome editing has emerged as a technology with a potential to revolutionize plant breeding. In this study, we report on generating, in less than ten months, Tomelo, a non-transgenic tomato variety resistant to the powdery mildew fungal pathogen using the CRISPR/Cas9 technology. We used whole-genome sequencing to show that Tomelo does not carry any foreign DNA sequences but only carries a deletion that is indistinguishable from naturally occurring mutations. We also present evidence for CRISPR/Cas9 being a highly precise tool, as we did not detect off-target mutations in Tomelo. Using our pipeline, mutations can be readily introduced into elite or locally adapted tomato varieties in less than a year with relatively minimal effort and investment.

Targeted genome engineering (also known as genome editing) has emerged as an alternative to classical plant breeding and transgenic (GMO) methods to improve crop plants. Until recently, available tools for introducing site-specific double strand DNA breaks were restricted to zinc finger nucleases (ZFNs) and TAL effector nucleases (TALENs). However, these technologies have not been widely adopted by the plant research community due to complicated design and laborious assembly of specific DNA binding proteins for each target gene. Recently, an easier method has emerged based on the bacterial type II CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas (CRISPR-associated) immune system. The CRISPR/Cas system allows targeted cleavage of genomic DNA guided by a customizable small noncoding RNA, resulting in gene modifications by both non-homologous end joining (NHEJ) and homology-directed repair (HDR) mechanisms. In this review we summarize and discuss recent applications of the CRISPR/Cas technology in plants.

Plant innate immunity depends in part on recognition of pathogen-associated molecular patterns (PAMPs), such as bacterial flagellin, EF-Tu, and fungal chitin. Recognition is mediated by pattern-recognition receptors (PRRs) and results in PAMP-triggered immunity. EF-Tu and flagellin, and the derived peptides elf18 and flg22, are recognized in Arabidopsis by the leucine-rich repeat receptor kinases (LRR-RK), EFR and FLS2, respectively. To gain insights into the molecular mechanisms underlying PTI, we investigated EFR-mediated PTI using genetics. A forward-genetic screen for Arabidopsis elf18-insensitive (elfin) mutants revealed multiple alleles of calreticulin3 (CRT3), UDP-glucose glycoprotein glucosyl transferase (UGGT), and an HDEL receptor family member (ERD2b), potentially involved in endoplasmic reticulum quality control (ER-QC). Strikingly, FLS2-mediated responses were not impaired in crt3, uggt, and erd2b null mutants, revealing that the identified mutations are specific to EFR. A crt3 null mutant did not accumulate EFR protein, suggesting that EFR is a substrate for CRT3. Interestingly, Erd2b did not accumulate CRT3 protein, although they accumulate wild-type levels of other ER proteins. ERD2B seems therefore to be a specific HDEL receptor for CRT3 that allows its retro-translocation from the Golgi to the ER. These data reveal a previously unsuspected role of a specific subset of ER-QC machinery components for PRR accumulation in plant innate immunity.

Abstract Fire blight disease, caused by the bacterium Erwinia amylovora ( E. amylovora ), is responsible for substantial losses in cultivated apple worldwide. An important mechanism of plant immunity is based on the recognition of conserved microbial molecules, named pathogen- or microbe-associated molecular patterns (PAMPs or MAMPs), through pattern recognition receptors (PRRs), leading to pattern-triggered immunity (PTI). The interspecies transfer of PRRs represents a promising strategy to engineer broad spectrum and durable disease resistance in crops. EFR, the Arabidopsis thaliana PRR for the PAMP elf18 derived from the elongation factor thermal unstable (EF-Tu) proved to be effective in improving bacterial resistance when expressed into Solanaceae and other plant species,. In this study, we tested whether EFR can affect the interaction of apple with E. amylovora by its ectopic expression in the susceptible apple rootstock M.26. Stable EFR expression led to the activation of PAMP-triggered immune response in apple leaves upon treatment with supernatant of E. amylovora , as measured by production of reactive oxygen species and the induction of known defense genes. The amount of tissue necrosis associated with E. amylovora infection was significantly reduced in the EFR transgenic rootstock compared to the wild-type. Our results show that the expression of EFR in apple rootstock may be a valuable biotechnology strategy to improve the resistance of apple to fire blight.

Plant plasma membrane localized pattern recognition receptors (PRRs) detect extracellular pathogen-associated molecules. PRRs such as Arabidopsis EFR and rice XA21 are taxonomically restricted and are absent from most plant genomes. Here we show that rice plants expressing EFR or the chimeric receptor EFR::XA21, containing the EFR ectodomain and the XA21 intracellular domain, sense both Escherichia coli- and Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo)-derived elf18 peptides at sub-nanomolar concentrations. Treatment of EFR and EFR::XA21 rice leaf tissue with elf18 leads to MAP kinase activation, reactive oxygen production and defense gene expression. Although expression of EFR does not lead to robust enhanced resistance to fully virulent Xoo isolates, it does lead to quantitatively enhanced resistance to weakly virulent Xoo isolates. EFR interacts with OsSERK2 and the XA21 binding protein 24 (XB24), two key components of the rice XA21-mediated immune response. Rice-EFR plants silenced for OsSERK2, or overexpressing rice XB24 are compromised in elf18-induced reactive oxygen production and defense gene expression indicating that these proteins are also important for EFR-mediated signaling in transgenic rice. Taken together, our results demonstrate the potential feasibility of enhancing disease resistance in rice and possibly other monocotyledonous crop species by expression of dicotyledonous PRRs. Our results also suggest that Arabidopsis EFR utilizes at least a subset of the known endogenous rice XA21 signaling components.

SUMMARY Septoria tritici blotch (STB), caused by the fungus Zymoseptoria tritici , is one of the most economically important diseases of wheat. Recently, both factors of a gene-for-gene interaction between Z. tritici and wheat, the wheat receptor-like kinase Stb6 and the Z. tritici secreted effector protein AvrStb6, have been identified. Previous analyses revealed a high diversity of AvrStb6 alleles present in historic Z. tritici isolate collections, with up to ~ 18% of analysed isolates possessing the avirulence isoform of AvrStb6 identical to that originally identified in the reference isolate IPO323. With Stb6 present in many commercial wheat cultivars globally, we aimed to assess potential changes in AvrStb6 genetic diversity and the incidence of alleles allowing evasion of Stb6 -mediated resistance in more recent Z. tritici populations. Here we show, using targeted re-sequencing of AvrStb6, that this gene is universally present in field isolates sampled from major wheat-growing regions of the world between 2013–2017. However, in contrast to the data from studies of historic isolates, our study revealed a complete absence of the originally described avirulence isoform of AvrStb6 amongst modern Z. tritici isolates. Moreover, a remarkably small number of alleles, each encoding AvrStb6 protein isoforms conditioning virulence on Stb6- containing wheat, were found to predominate among modern Z. tritici isolates. A single virulence isoform of AvrStb6 was found to be particularly abundant throughout the global population. These findings indicate that, despite the ability of Z. tritici to sexually reproduce on resistant hosts, AvrStb6 avirulence alleles tend to be eliminated in subsequent populations.

Abstract The CRISPR/Cas technology has recently become a molecular tool of choice for gene function studies in plants as well as crop improvement. Wheat is a globally important staple crop with a well annotated genome and there is plenty of scope for improving its agriculturally important traits using genome editing technologies, such as CRISPR/Cas. As part of this study we targeted three different genes in hexaploid wheat Triticum aestivum : TaBAK1-2 in the spring cultivar Cadenza as well as Ta-eIF4E and Ta-eIF(iso)4E in winter cultivars Cezanne, Goncourt and Prevert. The primary transgenic lines carrying CRISPR/Cas-induced indels were successfully generated for all targeted genes. As winter wheat varieties are generally less amenable to genetic transformation, the successful experimental methodology for transformation and genome editing in winter wheat presented in this study will be of interest to the research community working with this crop.

Background: CRISPR-Cas is a recent and powerful edition to the molecular toolbox which allows programmable genome editing. It has been used to modify genes in a wide variety of organisms, but only two alga to date. Here we present a methodology to edit the genome of T. pseudonana, a model centric diatom with both ecological significance and high biotechnological potential, using CRISPR-Cas. Results: A single construct wa assembled using Golden Gate cloning. Two sgRNAs were used to introduce a precise 37nt deletion early in the coding region of the urease gene. A high percentage of bi-allelic mutations (≤ 61.5%) were observed in clones with the CRISPR-Cas construct. Growth of bi-allelic mutants in urea led to a significant reduction in growth rate and cell size compared to growth in nitrate. Conclusions: CRISPR-Cas can precisely and efficiently edit the genome of T. pseudonana. The use of Golden Gate cloning to assemble CRISPR-Cas constructs gives additional flexibility to the CRISPR-Cas method and facilitates modifications to target alternative genes or species.