The initiation of intracellular infection of legume roots by symbiotic rhizobia bacteria and arbuscular mycorrhiza (AM) fungi is preceded by the induction of calcium signatures in and around the nucleus of root epidermal cells. Although a calcium and calmodulin-dependent kinase (CCaMK) is a key mediator of symbiotic root responses, the decoding of the calcium signal and the molecular events downstream are only poorly understood. Here, we characterize Lotus japonicus cyclops mutants on which microbial infection was severely inhibited. In contrast, nodule organogenesis was initiated in response to rhizobia, but arrested prematurely. This arrest was overcome when a deregulated CCaMK mutant version was introduced into cyclops mutants, conferring the development of full-sized, spontaneous nodules. Because cyclops mutants block symbiotic infection but are competent for nodule development, they reveal a bifurcation of signal transduction downstream of CCaMK. We identified CYCLOPS by positional cloning. CYCLOPS carries a functional nuclear localization signal and a predicted coiled-coil domain. We observed colocalization and physical interaction between CCaMK and CYCLOPS in plant and yeast cell nuclei in the absence of symbiotic stimulation. Importantly, CYCLOPS is a phosphorylation substrate of CCaMK in vitro. Cyclops mutants of rice were impaired in AM, and rice CYCLOPS could restore symbiosis in Lotus cyclops mutants, indicating a functional conservation across angiosperms. Our results suggest that CYCLOPS forms an ancient, preassembled signal transduction complex with CCaMK that is specifically required for infection, whereas organogenesis likely requires additional yet-to-be identified CCaMK interactors or substrates.

Arbuscular mycorrhiza (AM) symbioses contribute to global carbon cycles as plant hosts divert up to 20% of photosynthate to the obligate biotrophic fungi. Previous studies suggested carbohydrates as the only form of carbon transferred to the fungi. However, de novo fatty acid (FA) synthesis has not been observed in AM fungi in absence of the plant. In a forward genetic approach, we identified two Lotus japonicus mutants defective in AM-specific paralogs of lipid biosynthesis genes (KASI and GPAT6). These mutants perturb fungal development and accumulation of emblematic fungal 16:1ω5 FAs. Using isotopolog profiling we demonstrate that 13C patterns of fungal FAs recapitulate those of wild-type hosts, indicating cross-kingdom lipid transfer from plants to fungi. This transfer of labelled FAs was not observed for the AM-specific lipid biosynthesis mutants. Thus, growth and development of beneficial AM fungi is not only fueled by sugars but depends on lipid transfer from plant hosts.

Abstract Karrikins (KARs), smoke-derived butenolides, are perceived by the α/β-fold hydrolase KARRIKIN INSENSITIVE2 (KAI2) and are thought to mimic endogenous, yet elusive plant hormones tentatively called KAI2-ligands (KLs). The sensitivity to different karrikin types as well as the number of KAI2 paralogs varies among plant species, suggesting diversification and co-evolution of ligand-receptor relationships. In legumes, which comprise a number of important crops with protein-rich, nutritious seed, KAI2 has duplicated. We report sub-functionalization of KAI2a and KAI2b in the model legume Lotus japonicus and demonstrate that their ability to bind the synthetic ligand GR24 ent -5DS differs in vitro as well as in genetic assays in Lotus japonicus and in the heterologous Arabidopsis thaliana background. These differences can be explained by the exchange of a widely conserved phenylalanine in the binding pocket of KAI2a with a tryptophan in KAI2b, which occured independently in KAI2 proteins of several unrelated angiosperms. Furthermore, two polymorphic residues in the binding pocket are conserved across a number of legumes and may contribute to ligand binding preferences. Unexpectedly, L. japonicus responds to diverse synthetic KAI2-ligands in an organ-specific manner. Hypocotyl development responds to KAR 1 , KAR 2 and rac -GR24, while root system development responds only to KAR 1 . This organ-specificity cannot be explained by receptor-ligand preferences alone, because Lj KAI2a is sufficient for karrikin responses in the hypocotyl, while Lj KAI2a and Lj KAI2b operate redundantly in roots. Our findings open novel research avenues into the evolution and diversity of butenolide ligand-receptor relationships, their ecological significance and the mechanisms controlling diverse developmental responses to different KAI2 ligands.

Abstract We have sequenced the genome of grass pea ( Lathyrus sativus ), a resilient diploid (2n=14) legume closely related to pea ( Pisum sativum ). We determined the genome size of the sequenced European accession (LS007) as 6.3 Gbp. We generated two assemblies of this genome, i) EIv1 using Illumina PCR-free paired-end sequencing and assembly followed by long-mate-pair scaffolding and ii) Rbp using Oxford Nanopore Technologies long-read sequencing and assembly followed by polishing with Illumina paired-end data. EIv1 has a total length of 8.12 Gbp (including 1.9 billion Ns) and scaffold N50 59,7 kbp. Annotation has identified 33,819 high confidence genes in the assembly. Rbp has a total length of 6.2 Gbp (with no Ns) and a contig N50 of 155.7 kbp. Gene space assessment using the eukaryote BUSCO database showed completeness scores of 82.8 % and 89.8%, respectively.

Arbuscular mycorrhiza (AM) symbioses contribute to global carbon cycles as plant hosts divert up to 20% of photosynthate to the obligate biotrophic fungi. Previous studies suggested carbohydrates as the only form of carbon transferred to the fungi. However, de novo fatty acid (FA) synthesis has not been observed in AM fungi in absence of the plant. In a forward genetic approach, we identified two Lotus japonicus mutants defective in AM-specific paralogs of lipid biosynthesis genes (KASI and GPAT6). These mutants perturb fungal development and accumulation of emblematic fungal 16:1ω5 FAs. Using isotopolog profiling we demonstrate that 13C patterns of fungal FAs recapitulate those of wild-type hosts, indicating cross-kingdom lipid transfer from plants to fungi. This transfer of labelled FAs was not observed for the AM-specific lipid biosynthesis mutants. Thus, growth and development of beneficial AM fungi is not only fueled by sugars but depends on lipid transfer from plant hosts.

ABSTRACT Symbiotic interactions between rhizobia and legumes result in the formation of root nodules, which fix nitrogen that can be used for plant growth. Rhizobia usually invade legume roots through a plant-made tunnel-like structure called an infection thread (IT). Rhizobium-directed polar growth ( RPG ) encodes a coiled-coil protein that was identified in Medicago truncatula as required for root nodule infection, but the function of RPG remains poorly understood. In this study, we identified and characterized RPG in Lotus japonicus and determined that it is required for IT formation. RPG was induced by Mesorhizobium loti or purified Nodulation factor and displayed an infection-specific expression pattern. Nodule inception (NIN) bound to the RPG promoter and induced its expression. A GFP-RPG protein was localized in puncta subcellular localization in L. japonicus root protoplasts and in root hairs infected by M. loti . The N-terminal predicted C2 lipid-binding domain of RPG was not required for this subcellular localization or for function. CERBERUS, a U-box E3 ligase which is also required for rhizobial infection, was found to be localized in similar puncta. RPG co-localized and directly interacted with CERBERUS at the early endosomes (TGN/EE) compartment and near the nuclei in root hairs after rhizobia inoculation. Our study sheds light on that a RPG-CERBERUS protein complex that is involved in an exocytotic pathway mediating IT polarity growth which is driven by nuclear migration. One sentence summary Puncta localization RPG-CERBERUS protein complex promote polarity growth of ITs driven by nuclear migration.