From Blight to Powdery Mildew Pathogenic effects of microbes on plants have widespread consequences. Witness, for example, the cultural upheavals driven by potato blight in the 1800s. A variety of microbial pathogens continue to afflict crop plants today, driving both loss of yield and incurring the increased costs of control mechanisms. Now, four reports analyze microbial genomes in order to understand better how plant pathogens function (see the Perspective by Dodds ). Raffaele et al. (p. 1540 ) describe how the genome of the potato blight pathogen accommodates transfer to different hosts. Spanu et al. (p. 1543 ) analyze what it takes to be an obligate biotroph in barley powdery mildew, and Baxter et al. (p. 1549 ) ask a similar question for a natural pathogen of Arabidopsis . Schirawski et al. (p. 1546 ) compared genomes of maize pathogens to identify virulence determinants. Better knowledge of what in a genome makes a pathogen efficient and deadly is likely to be useful for improving agricultural crop management and breeding.

The genome of the soybean pathogen Phytophthora sojae contains nearly 400 genes encoding candidate effector proteins carrying the host cell entry motif RXLR-dEER. Here, we report a broad survey of the transcription, variation, and functions of a large sample of the P. sojae candidate effectors. Forty-five (12%) effector genes showed high levels of polymorphism among P. sojae isolates and significant evidence for positive selection. Of 169 effectors tested, most could suppress programmed cell death triggered by BAX, effectors, and/or the PAMP INF1, while several triggered cell death themselves. Among the most strongly expressed effectors, one immediate-early class was highly expressed even prior to infection and was further induced 2- to 10-fold following infection. A second early class, including several that triggered cell death, was weakly expressed prior to infection but induced 20- to 120-fold during the first 12 h of infection. The most strongly expressed immediate-early effectors could suppress the cell death triggered by several early effectors, and most early effectors could suppress INF1-triggered cell death, suggesting the two classes of effectors may target different functional branches of the defense response. In support of this hypothesis, misexpression of key immediate-early and early effectors severely reduced the virulence of P. sojae transformants.

We identified a glycoside hydrolase family 12 (GH12) protein, XEG1, produced by the soybean pathogen Phytophthora sojae that exhibits xyloglucanase and β-glucanase activity. It acts as an important virulence factor during P. sojae infection but also acts as a pathogen-associated molecular pattern (PAMP) in soybean (Glycine max) and solanaceous species, where it can trigger defense responses including cell death. GH12 proteins occur widely across microbial taxa, and many of these GH12 proteins induce cell death in Nicotiana benthamiana. The PAMP activity of XEG1 is independent of its xyloglucanase activity. XEG1 can induce plant defense responses in a BAK1-dependent manner. The perception of XEG1 occurs independently of the perception of ethylene-inducing xylanase. XEG1 is strongly induced in P. sojae within 30 min of infection of soybean and then slowly declines. Both silencing and overexpression of XEG1 in P. sojae severely reduced virulence. Many P. sojae RXLR effectors could suppress defense responses induced by XEG1, including several that are expressed within 30 min of infection. Therefore, our data suggest that PsXEG1 contributes to P. sojae virulence, but soybean recognizes PsXEG1 to induce immune responses, which in turn can be suppressed by RXLR effectors. XEG1 thus represents an apoplastic effector that is recognized via the plant's PAMP recognition machinery.

Abstract The sequenced genomes of oomycete plant pathogens contain large superfamilies of effector proteins containing the protein translocation motif RXLR-dEER. However, the contributions of these effectors to pathogenicity remain poorly understood. Here, we show that the Phytophthora sojae effector protein Avr1b can contribute positively to virulence and can suppress programmed cell death (PCD) triggered by the mouse BAX protein in yeast, soybean (Glycine max), and Nicotiana benthamiana cells. We identify three conserved motifs (K, W, and Y) in the C terminus of the Avr1b protein and show that mutations in the conserved residues of the W and Y motifs reduce or abolish the ability of Avr1b to suppress PCD and also abolish the avirulence interaction of Avr1b with the Rps1b resistance gene in soybean. W and Y motifs are present in at least half of the identified oomycete RXLR-dEER effector candidates, and we show that three of these candidates also suppress PCD in soybean. Together, these results indicate that the W and Y motifs are critical for the interaction of Avr1b with host plant target proteins and support the hypothesis that these motifs are critical for the functions of the very large number of predicted oomycete effectors that contain them.

Saccharomyces cerevisiae Yap1 protein is an AP1-like transcription factor involved in the regulation of the oxidative stress response. An ortholog of Yap1, MoAP1, was recently identified from the rice blast fungus Magnaporthe oryzae genome. We found that MoAP1 is highly expressed in conidia and during invasive hyphal growth. The Moap1 mutant was sensitive to H2O2, similar to S. cerevisiae yap1 mutants, and MoAP1 complemented Yap1 function in resistance to H2O2, albeit partially. The Moap1 mutant also exhibited various defects in aerial hyphal growth, mycelial branching, conidia formation, the production of extracellular peroxidases and laccases, and melanin pigmentation. Consequently, the Moap1 mutant was unable to infect the host plant. The MoAP1-eGFP fusion protein is localized inside the nucleus upon exposure to H2O2, suggesting that MoAP1 also functions as a redox sensor. Moreover, through RNA sequence analysis, many MoAP1-regulated genes were identified, including several novel ones that were also involved in pathogenicity. Disruption of respective MGG_01662 (MoAAT) and MGG_02531 (encoding hypothetical protein) genes did not result in any detectable changes in conidial germination and appressorium formation but reduced pathogenicity, whereas the mutant strains of MGG_01230 (MoSSADH) and MGG_15157 (MoACT) showed marketed reductions in aerial hyphal growth, mycelial branching, and loss of conidiation as well as pathogenicity, similar to the Moap1 mutant. Taken together, our studies identify MoAP1 as a positive transcription factor that regulates transcriptions of MGG_01662, MGG_02531, MGG_01230, and MGG_15157 that are important in the growth, development, and pathogenicity of M. oryzae.

Host-pathogen point-counterpoint The arms race between pathogen and host is a well-known phenomenon. Ma et al. have now identified how an enzymatically inactive protein can abet a pathogen's infectivity. The pathogenic oomycete Phytophthora sojae secretes xyloglucanase that damages soybean cell walls. Soybean, in turn, secretes a defense protein that binds to and inactivates the xyloglucanase. To counteract this plant defense, the oomycete deploys a product of its own gene duplication: an inactive enzyme that binds the plant's defense protein. With the defense protein unproductively bound to the decoy, the oomycete can successfully invade the soybean cells. Science , this issue p. 710

Abstract Phytophthora infestans , the causal agent of potato late blight, is a devastating plant disease that leads to Irish potato famine and threatens world-wide food security. Despite the genome of P. infestans has provided fundamental resource for studying the aggressiveness of this pandemic pathogen, the epigenomes remain poorly understood. Here, utilizing liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), we demonstrate post-translational modifications (PTM) at P. infestans core histone H3. The PTMs not only include these prevalent modifications in eukaryotes, and also some novel marks, such as H3K53me2 and H3K122me3. We focused on the trimethylations of H3K4, H3K9 and H3K27 and H3K36, and profiled P. infestans epigenomes employing Native Chromatin Immunoprecipitation followed by sequencing (N-ChIP-seq). In parallel, we mapped P. infestans chromomatin accessibility by Assay for Transposase-Accessible Chromatin with high-throughput sequencing (ATAC-seq). We found that adaptive genomic compartments display significantly higher levels of H3K9me3 and H3K27me3, and are generally in condense chromatin. Interestingly, we observed that genes encoding virulence factors, such as effectors, are enriched in open chromatin regions that barely have the four histone modifications. With a combination of genomic, epigenomic, transcriptomic strategies, our study illustrates the epigenetic states in P. infestans , which will help to study genomic functions and regulations in this pathogen. Author summary Epigenetics play an important role in various biological processes of eukaryotes, including pathogenicity of plant pathogens. However, the epigenetic landscapes are marginally known in oomycetes that are fungal-like organisms and comprise lots of destructive plant pathogens. In this study, using the Irish potato famine pathogen Phytophthora infestans as a model, we conducted genome-wide studies of histone post modifications and chromatin accessibility, and demonstrate the relationship of gene expression and evolution with the epigenetic marks. We found that one of the most important classes of virulence proteins, effectors, are enriched in open chromatin regions that barely have eu- and hetero-chromatic marks. This study provides an overview of the oomycete epigenetic atlas, and advances our understanding of the regulation of virulence factors in plant pathogens.

Plants possess a robust and sophisticated innate immune system against pathogens and must balance growth with rapid pathogen detection and defense. The intracellular receptors with nucleotide-binding leucine-rich repeat (NLR) motifs recognize pathogen-derived effector proteins and thereby trigger the immune response. The expression of genes encoding NLR receptors is precisely controlled in multifaceted ways. The alternative splicing (AS) of introns in response to infection is recurrently observed but poorly understood. Here we report that the potato (Solanum tuberosum) NLR gene RB undergoes AS of its intron, resulting in two transcriptional isoforms, which coordinately regulate plant immunity and growth homeostasis. During normal growth, RB predominantly exists as intron-retained isoform RB_IR, encoding a truncated protein containing only the N-terminus of the NLR. Upon late blight infection, the pathogen induces intron splicing of RB, increasing the abundance of RB_CDS, which encodes a full-length and active R protein. By deploying the RB splicing isoforms fused with a luciferase reporter system, we identified IPI-O1 (also known as Avrblb1), the RB cognate effector, as a facilitator of RB AS. IPI-O1 directly interacts with potato splicing factor StCWC15, resulting in altered localization of StCWC15 from the nucleoplasm to the nucleolus and nuclear speckles. Mutations in IPI-O1 that eliminate StCWC15 binding also disrupt StCWC15 re-localization and RB intron splicing. Thus, our study reveals that StCWC15 serves as a surveillance facilitator that senses the pathogen-secreted effector and regulates the trade-off between RB-mediated plant immunity and growth, expanding our understanding of molecular plant-microbe interactions.

Abstract Oomycete pathogens such as Phytophthora secrete a repertoire of effectors to host cells to manipulate host immunity and benefit infection. In this study, we found that an RxLR effector, Avr1d, promoted Phytophthora sojae infection in soybean hairy-roots. Using a yeast two-hybrid screen, we identified the soybean E3 ubiquitin ligase GmPUB13 as a host target for Avr1d. By co-immunoprecipitation, gel infiltration and ITC assays, we confirmed that Avr1d interacts with GmPUB13 both in vivo and in vitro . Furthermore, we found that Avr1d inhibits the E3 ligase activity of GmPUB13. The crystal structure of Avr1d in complex with GmPUB13 was solved and revealed that Avr1d occupies the binding site for E2 ubiquitin conjugating enzyme on GmPUB13. In line with this, Avr1d competed with E2 ubiquitin conjugating enzymes for GmPUB13 binding in vitro, thereby decreasing the E3 ligase activity of GmPUB13. Meanwhile, we found that inactivation of the ubiquitin ligase activity of GmPUB13 stabilized GmPUB13 by blocking GmPUB13 degradation. Silencing of GmPUB13 in soybean hairy-roots decreased P. sojae infection, suggesting that GmPUB13 acts as a susceptibility factor, negatively regulating soybean resistance against P. sojae . Altogether, this study highlights a novel virulence mechanism of Phytophthora effectors, by which Avr1d competes with E2 for GmPUB13 binding to repress the GmPUB13 E3 ligase activity and thereby stabilizing the susceptibility factor GmPUB13 to facilitate Phytophthora infection. This is the first study to unravel the structural basis for modulation of host targets by Phytophthora effectors and will be instrumental for boosting plant resistance breeding. Significance Statement Ubiquitination acts as a crucial regulator in plant immunity. Accordingly, microbial pathogens secrete effectors to hijak host ubiquitination system. However, the molecular mechanisms by which microbial effectors modulate host ubiquitination system are not yet clear. Here, we found that the Phytophthora sojae effector Avr1d physically binds to the U-box type E3 ligase GmPUB13, a susceptibility factor in soybean. The crystal structure of Avr1d in complex with GmPUB13 revealed that Avr1d occupies the binding site in GmPUB13 for the E2 ubiquitin conjugating enzyme and competes with E2 for physical binding to GmPUB13. Avr1d stabilized GmPUB13 by suppressing the self-ubiquitination activity of GmPUB13 and thereby promoting Phytophthora infection. This study provides structural basis for modulation of host targets by Phytophthora effectors.