Puccinia coronata f. sp. avenae (Pca) is an important fungal pathogen causing crown rust that impacts oat production worldwide. Genetic resistance for crop protection against Pca is often overcome by the rapid virulence evolution of the pathogen. This study investigated the factors shaping adaptive evolution of Pca using pathogen populations from distinct geographic regions within the USA and South Africa (SA). Phenotypic and genome-wide sequencing data of these diverse Pca collections, including 217 isolates, uncovered phylogenetic relationships and established distinct genetic composition between populations from northern and southern regions from the USA and SA. The population dynamics of Pca involve a bidirectional movement of inoculum between northern and southern regions of the USA and contributions from clonality and sexuality. The population from SA is solely clonal. A genome-wide association study (GWAS) employing a haplotype-resolved Pca reference genome was used to define eleven virulence-associated loci corresponding to twenty-five oat differential lines. These regions were screened to determine candidate Avr effector genes. Overall, the GWAS results allowed us to identify the underlying genetic traits controlling pathogen recognition in an oat differential set used in the USA to assign pathogen races (pathotypes). Key GWAS findings support complex genetic interactions in several oat lines suggesting allelism among resistance genes or redundancy of genes included in the differential set, multiple resistance genes recognising genetically linked Avr effector genes, or potentially epistatic relationships. A careful evaluation of the composition of the oat differential set accompanied by the development or implementation of molecular markers is recommended.

Parasexuality contributes to diversity and adaptive evolution of haploid (monokaryotic) fungi. However non-sexual genetic exchange mechanisms are not defined in dikaryotic fungi (containing two distinct haploid nuclei). Newly emerged strains of the wheat stem rust pathogen, Puccinia graminis f. sp. tritici (Pgt), such as Ug99, are a major threat to global food security. Here we show that Ug99 arose by somatic hybridisation and nuclear exchange between dikaryons. Fully haplotype-resolved genome assembly and DNA proximity analysis revealed that Ug99 shares one haploid nucleus genotype with a much older African lineage of Pgt, with no recombination or reassortment. Generation of genetic variation by nuclear exchange may favour the evolution of dikaryotism by providing an advantage over diploidy.

Oat crown rust caused by Puccinia coronata f. sp. avenae is the most destructive foliar disease of cultivated oat. Characterization of genetic factors controlling resistance responses to Puccinia coronata f. sp. avenae in non-host species could provide new resources for developing disease protection strategies in oat. We examined symptom development and fungal colonization levels of a collection of Brachypodium distachyon and B. hybridum accessions infected with three North American P. coronata f. sp. avenae isolates. Our results demonstrated that colonization phenotypes are dependent on both host and pathogen genotypes, indicating a role for race-specific responses in these interactions. These responses were independent of the accumulation of reactive oxygen species. Expression analysis of several defense-related genes suggested that salicylic acid and ethylene-mediated signaling, but not jasmonic acid are components of resistance reaction to P. coronata f. sp. avenae. Our findings provide the basis to conduct a genetic inheritance study to examine if effector-triggered immunity contributes to non-host resistance to P. coronata f. sp. avenae in Brachypodium species.

Abstract Wheat stem rust disease caused by Puccinia graminis f. sp. tritici ( Pgt ) is a global threat to wheat production. Fast evolving populations of Pgt limit the efficacy of plant genetic resistance and constrain disease management strategies. Understanding molecular mechanisms that lead to rust infection and disease susceptibility could deliver novel strategies to deploy crop resistance through genetic loss of disease susceptibility. We used comparative transcriptome-based and orthology-guided approaches to characterize gene expression changes associated with Pgt infection in susceptible and resistant Triticum aestivum genotypes as well as the non-host Brachypodium distachyon . We targeted our analysis to genes with differential expression in T. aestivum and genes suppressed or not affected in B. distachyon and report several processes potentially linked to susceptibility to Pgt , such as cell death suppression and impairment of photosynthesis. We complemented our approach with a gene co-expression network analysis to identify wheat targets to deliver resistance to Pgt through removal or modification of putative susceptibility genes.