Biology, diversity, and genomics of Pratylenchus spp. associated with soybean in Brazil

Abstract

Root-lesion nematodes of the genus Pratylenchus are among the most economically important plant-parasitic nematodes affecting soybean production worldwide. Despite their agronomic relevance, the species diversity, distribution, evolutionary relationships, and genomic architecture of Pratylenchus populations associated with soybean in Brazil remain poorly understood. This study provides an integrative assessment of Pratylenchus spp. across the major soybean-producing regions of Brazil, combining field surveys, integrative taxonomy, multilocus phylogenetics, host–parasite interaction assays, and whole-genome sequencing. A nationwide survey of 309 commercial soybean fields across 16 states revealed a high prevalence of Pratylenchus spp., detected in 95.8% of sampled areas. Multilocus analyses based on the D2–D3 expansion segments of 28S rDNA, ITS rRNA, and mitochondrial COI, together with morphological and morphometric characterization, identified four species associated with soybean: P. brachyurus, P. zeae, P. penetrans, and a new species, P. brasiliensis. Females of P. brasiliensis are characterized by a ventrally curved body, four lateral lines, a vulva located at 77–81% of body length, a well-developed spermatheca, and a conical tail with 19–25 annuli; males are smaller, with curved spicules and a bursa extending to the tail terminus. The labial region has three annuli and a robust stylet with anchor-shaped basal knobs. Distribution analyses showed that P. brachyurus is the most prevalent and widely distributed species in Brazilian soybean fields, followed by P. zeae. In contrast, P. brasiliensis and P. penetrans occurred at lower frequencies, with P. brasiliensis predominating in the Central-West and Northern regions and P. penetrans largely restricted to southern Brazil. Mixed-species infestations occurred in 71 of the 296 populations analyzed, and phylogenetic analyses revealed high intraspecific genetic variability, particularly in P. brachyurus. Host-response assays demonstrated the absence of resistance in major commercial soybean cultivars to P. brachyurus and P. brasiliensis (Rf > 1). In contrast, P. zeae showed limited reproductive success on soybean, suggesting its persistence is associated with maize–soybean crop rotation. To investigate the genomic structure of the predominant Pratylenchus species in Brazilian soybean fields, a high-quality reference genome of P. brachyurus was generated from a single-female-derived lineage usingcombined Oxford Nanopore Technologies, Illumina, and RNA-seq data. A tetraploid AAAB genomic structure was inferred, with an estimated genome size of approximately 315.6 Mb. The curated nuclear assembly spans 263.64 Mb across 484 contigs (N50 = 5.58 Mb; GC = 38.61%) and shows 95.1% completeness. Structural annotation identified 30,579 protein-coding genes supported by transcriptomic and protein evidence. Collinearity analyses showed that segmental and collinear duplications account for 69.47% of annotated genes, supporting the polyploid genome architecture. Ka/Ks estimates for duplicated gene pairs were predominantly below 1, indicating strong purifying selection. Collectively, this work clarifies species boundaries within Pratylenchus populations associated with soybean in Brazil, documents the distribution and diagnostic characters of P. brasiliensis, demonstrates the lack of resistance in commercial soybean cultivars, and provides the first genomic insights into the evolutionary architecture of polyploid root-lesion nematodes. Keywords: genetic diversity; integrative taxonomy; plant-parasitic nematodes; Pratylenchus; polyploidy; root-lesion nematodes.Os nematoides das lesões radiculares do gênero Pratylenchus estão entre os principais nematoides parasitas de plantas que afetam a produção de soja no mundo. Apesar de sua relevância agronômica, a diversidade de espécies, a distribuição, as relações evolutivas e a arquitetura genômica das populações associadas à soja no Brasil permanecem pouco esclarecidas. Este estudo apresenta uma avaliação integrativa de Pratylenchus spp. nas principais regiões produtoras de soja do país, combinando levantamentos de campo, taxonomia integrativa, filogenia multilocus, ensaios de interação hospedeiro–parasita e sequenciamento genômico completo. Um levantamento nacional em 309 lavouras comerciais distribuídas em 16 estados revelou alta prevalência de Pratylenchus spp., detectados em 95,8% das áreas amostradas. Análises multilocos baseadas nos segmentos D2–D3 do 28S rDNA, ITS rRNA e COI mitocondrial, associadas à caracterização morfológica e morfométrica, permitiram identificar quatro espécies associadas à soja: P. brachyurus, P. zeae, P. penetrans e uma nova espécie, P. brasiliensis. Fêmeas de P. brasiliensis apresentam corpo ventralmente curvado, quatro linhas laterais, vulva entre 77–81% do comprimento corporal, espermateca bem desenvolvida e cauda cônica com 19–25 anéis; os machos são menores, com espículos curvos e bolsa que se estende até o término da cauda. A região labial possui três anéis e estilete robusto com nódulos basais em forma de âncora. As análises de distribuição mostraram que P. brachyurus é a espécie mais prevalente e amplamente distribuída nas áreas de soja do Brasil, seguida por P. zeae. Em contraste, P. brasiliensis e P. penetrans ocorreram com menor frequência, sendo a primeira predominante nas regiões Centro-Oeste e Norte e a segunda restrita principalmente ao Sul. Infestações mistas ocorreram em 71 das 296 populações analisadas, e as análises filogenéticas revelaram elevada variabilidade genética intraespecífica, especialmente em P. brachyurus. Ensaios de reação de cultivares demonstraram ausência de resistência nas principais cultivares comerciais de soja a P. brachyurus e P. brasiliensis (Rf > 1). Em contraste, P. zeae apresentou baixa capacidade reprodutiva em soja, sugerindo associação com a rotação milho–soja. Para investigar a estrutura genômica da espécie predominante em campos de soja no Brasil, um genoma de referência de alta qualidade de P. brachyurus foi obtido apartir de uma linhagem derivada de uma única fêmea, utilizando dados combinados de Oxford Nanopore Technologies, Illumina e RNA-seq. Uma estrutura genômica tetraploide do tipo AAAB foi inferida, com tamanho estimado de aproximadamente 315,6 Mb. A montagem nuclear curada totalizou 263,64 Mb distribuídos em 484 contigs (N50 = 5,58 Mb; GC = 38,61%) e apresentou 95,1% de completude. A anotação estrutural identificou 30.579 genes codificadores de proteínas sustentados por evidências transcriptômicas e proteicas. Análises de colinearidade mostraram que duplicações segmentares e colineares representam 69,47% dos genes anotados, corroborando a arquitetura poliploide do genoma. As estimativas de Ka/Ks para pares gênicos duplicados foram predominantemente inferiores a 1, indicando seleção purificadora. Em conjunto, este trabalho esclarece os limites entre espécies de Pratylenchus associadas à soja no Brasil, documenta a distribuição e os caracteres diagnósticos de P. brasiliensis, evidencia a ausência de resistência nas cultivares comerciais e fornece as primeiras informações genômicas sobre a arquitetura evolutiva de nematoides das lesões radiculares poliploides. Palavras-chave: diversidade genética; fitonematoides; nematoides das lesões radiculares; Pratylenchus; poliploidia; taxonomia integrativa.