Tolerance of plants to flooding is an important factor for food security, particularly in the developing world. When plants are submerged in water they experience hypoxia, which triggers changes in gene transcription that promote anaerobic metabolism and sustain ATP production. Two complementary studies identify the mechanism that senses reduced oxygen levels in Arabidopsis. They report that the N-end rule pathway of targeted proteolysis regulates the stability of key hypoxia-response transcription factors. Enhanced stability of these proteins under low oxygen conditions improves plant survival, suggesting a target for possible genetic improvement of flooding-tolerance in crops. Plants and animals are obligate aerobes, requiring oxygen for mitochondrial respiration and energy production. In plants, an unanticipated decline in oxygen availability (hypoxia), as caused by roots becoming waterlogged or foliage submergence, triggers changes in gene transcription and messenger RNA translation that promote anaerobic metabolism and thus sustain substrate-level ATP production1. In contrast to animals2, oxygen sensing has not been ascribed to a mechanism of gene regulation in response to oxygen deprivation in plants. Here we show that the N-end rule pathway of targeted proteolysis acts as a homeostatic sensor of severe low oxygen levels in Arabidopsis, through its regulation of key hypoxia-response transcription factors. We found that plants lacking components of the N-end rule pathway constitutively express core hypoxia-response genes and are more tolerant of hypoxic stress. We identify the hypoxia-associated ethylene response factor group VII transcription factors of Arabidopsis as substrates of this pathway. Regulation of these proteins by the N-end rule pathway occurs through a characteristic conserved motif at the amino terminus initiating with Met-Cys. Enhanced stability of one of these proteins, HRE2, under low oxygen conditions improves hypoxia survival and reveals a molecular mechanism for oxygen sensing in plants via the evolutionarily conserved N-end rule pathway. SUB1A-1, a major determinant of submergence tolerance in rice3, was shown not to be a substrate for the N-end rule pathway despite containing the N-terminal motif, indicating that it is uncoupled from N-end rule pathway regulation, and that enhanced stability may relate to the superior tolerance of Sub1 rice varieties to multiple abiotic stresses4.

High-throughput technology has facilitated genome-scale analyses of transcriptomic adjustments in response to environmental perturbations with an oxygen deprivation component, such as transient hypoxia or anoxia, root waterlogging, or complete submergence. We showed previously that Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) seedlings elevate the levels of hundreds of transcripts, including a core group of 49 genes that are prioritized for translation across cell types of both shoots and roots. To recognize low-oxygen responses that are evolutionarily conserved versus species specific, we compared the transcriptomic reconfiguration in 21 organisms from four kingdoms (Plantae, Animalia, Fungi, and Bacteria). Sorting of organism proteomes into clusters of putative orthologs identified broadly conserved responses associated with glycolysis, fermentation, alternative respiration, metabolite transport, reactive oxygen species amelioration, chaperone activity, and ribosome biogenesis. Differentially regulated genes involved in signaling and transcriptional regulation were poorly conserved across kingdoms. Strikingly, nearly half of the induced mRNAs of Arabidopsis seedlings encode proteins of unknown function, of which over 40% had up-regulated orthologs in poplar (Populus trichocarpa), rice (Oryza sativa), or Chlamydomonas reinhardtii. Sixteen HYPOXIA-RESPONSIVE UNKNOWN PROTEIN (HUP) genes, including four that are Arabidopsis specific, were ectopically overexpressed and evaluated for their effect on seedling tolerance to oxygen deprivation. This allowed the identification of HUPs coregulated with genes associated with anaerobic metabolism and other processes that significantly enhance or reduce stress survival when ectopically overexpressed. These findings illuminate both broadly conserved and plant-specific low-oxygen stress responses and confirm that plant-specific HUPs with limited phylogenetic distribution influence low-oxygen stress endurance.

Abstract The Lemnaceae (duckweeds) are the world’s smallest but fastest growing flowering plants, with a drastically reduced morphology and predominant clonal reproductive habit capable of continuous exponential growth. Here, we present assemblies of 10 Lemna chromosome sets by single molecule nanopore sequencing and chromosome conformation capture. Dynamics of genome evolution in the family are revealed by syntenic comparisons with Wolffia and Spirodela , and diversification of these genera was found to coincide with the “Azolla event”, in which blooms of aquatic macrophytes reduced atmospheric CO 2 from greenhouse levels found in the Eocene to those of the current ice age. Orthologous gene comparisons with other aquatic and terrestrial plants uncovered candidate genes for the unique metabolic and developmental features of the family, such as frequent hybrid polyploidy, lack of stomatal closure in high CO 2 , and accumulation of calcium oxalate, a promising candidate for carbon sequestration. Loss of a spermine-triggered gene network may account for drastic reduction in stature and preferentially adaxial stomata, a feature of floating aquatic plants. Strikingly, Lemnaceae genomes have selectively lost some of the genes required for RNA interference, including Argonaute genes required for post-zygotic reproductive isolation (the triploid block) and reduced gamete formation. Triploid hybrids arise commonly among Lemna , presumably by hybridization with unreduced gametes, and we have found mutations in highly-conserved ZMM crossover pathway genes that could support polyploid meiosis. Rapid but stable clonal propagation makes Lemna an ideal platform for continuous protein and starch micro-cropping, and for efficient sequestration of dissolved nutrients and atmospheric CO 2 . Facile regeneration of transgenic fronds from tissue culture, aided by reduced epigenetic silencing, makes Lemna a powerful biotechnological platform, as exemplified by recent engineering of high-oil Lemna that out-perform oil seed crops.

Epigenetic inheritance refers to the faithful replication of DNA methylation and histone modification independent of DNA sequence. Nucleosomes block access to DNA methyltransferases, unless they are remodeled by DECREASE IN DNA METHYLATION1 (DDM1 Lsh/HELLS ), a Snf2-like master regulator of epigenetic inheritance. We show that DDM1 activity results in replacement of the transcriptional histone variant H3.3 for the replicative variant H3.1 during the cell cycle. In ddm1 mutants, DNA methylation can be restored by loss of the H3.3 chaperone HIRA, while the H3.1 chaperone CAF-1 becomes essential. The single-particle cryo-EM structure at 3.2 Å of DDM1 with a variant nucleosome reveals direct engagement at SHL2 with histone H3.3 at or near variant residues required for assembly, as well as with the deacetylated H4 tail. An N-terminal autoinhibitory domain binds H2A variants to allow remodeling, while a disulfide bond in the helicase domain is essential for activity in vivo and in vitro . We show that differential remodeling of H3 and H2A variants in vitro reflects preferential deposition in vivo . DDM1 co-localizes with H3.1 and H3.3 during the cell cycle, and with the DNA methyltransferase MET1 Dnmt1 . DDM1 localization to the chromosome is blocked by H4K16 acetylation, which accumulates at DDM1 targets in ddm1 mutants, as does the sperm cell specific H3.3 variant MGH3 in pollen, which acts as a placeholder nucleosome in the germline and contributes to epigenetic inheritance.

In Arabidopsis , LTR-retrotransposons are activated by mutations in the chromatin remodeler DECREASE in DNA METHYLATION 1 (DDM1), giving rise to 21-22nt epigenetically activated siRNAs (easiRNAs) that depend on RNA DEPENDENT RNA POLYMERASE 6 (RDR6). We purified virus-like-particles (VLPs) from ddm1 and ddm1rdr6 mutants in which genomic RNA is reverse transcribed into complementary DNA. Next generation short-read and long-read sequencing of VLP DNA (VLP DNA-seq) revealed a comprehensive catalog of active LTR-retrotransposons without the need for mapping transposition, and independent of genomic copy number. Linear replication intermediates of a functionally intact copia element EVADE revealed multiple central polypurine tracts (cPPT), a feature shared with HIV where cPPT promote nuclear localization. For one member of the ATCOPIA52 subfamily ( SISYPHUS ), cPPT intermediates were not observed, but abundant circular DNA indicated transposon “suicide” by auto-integration within the VLP. easiRNA targeted EVADE genomic RNA, polysome association of GYPSY ( ATHILA ) subgenomic RNA, and transcription via histone H3 lysine-9 dimethylation. VLP DNA-seq provides a comprehensive landscape of LTR-retrotransposons, and their control at transcriptional, post-transcriptional and reverse transcriptional levels.