Abstract Sexual selection results in sex-specific characters like the conspicuously pigmented extension of the ventral tip of the caudal fin - the “sword” - in males of several species of Xiphophorus fishes. To uncover the genetic architecture underlying sword formation and to identify genes that are associated with its development, we characterized the sword transcriptional profile and combined it with genetic mapping approaches. Results showed that the male ornament of swordtails develops from a sexually non-dimorphic prepattern of transcription factors in the caudal fin. Among genes that constitute the exclusive sword transcriptome only two are located in the genomic region associated with this trait; the chaperone, fkbp9, and the potassium channel, kcnh8 that in addition to its neural function performs a role known to affect fin growth. This indicates that during evolution of swordtails a brain gene has been recruited for an additional function in establishing a male ornament.

SUMMARY Sugar beet ( Beta vulgaris ) is the major sugar-producing crop in Europe and Northern America, as the taproot stores sucrose at a concentration of around 20%. Genome sequence analysis together with biochemical and electrophysiological approaches led to the identification and characterization of the TST sucrose transporter driving vacuolar sugar accumulation in the taproot. However, the sugar transporters mediating sucrose uptake across the plasma membrane of taproot parenchyma cells remained unknown. As with glucose, sucrose stimulation of taproot parenchyma cells caused inward proton fluxes and plasma membrane depolarization, indicating a sugar/proton symport mechanism. To decipher the nature of the corresponding proton-driven sugar transporters, we performed transcriptomic taproot profiling and identified the cold-induced PMT5a and STP13 transporters. When expressed in Xenopus laevis oocytes, BvPMT5a was characterized as a voltage- and H + -driven low-affinity glucose transporter, which does not transport sucrose. In contrast, BvSTP13 operated as a high-affinity H + /sugar symporter, transporting glucose better than sucrose, and being more cold-tolerant than BvPMT5a. Modeling of the BvSTP13 structure with bound mono- and disaccharides suggests plasticity of the binding cleft to accommodate the different saccharides. The identification of BvPMT5a and BvSTP13 as taproot sugar transporters could improve breeding of sugar beet to provide a sustainable energy crop. Significance Statement In vivo electrophysiological studies with sugar beet taproots provide clear evidence for proton-coupled glucose and sucrose uptake into taproot parenchyma cells. In search for the molecular entities, the taproot-expressed BvPMT5a and BvSTP13 carriers were studied in detail, because they mediate proton-driven import of glucose and sucrose and thus provide proper candidates for sugar beet plasma membrane sugar-proton cotransporters.

The non-protein amino acid ζ-aminobutyric acid (GABA) has been proposed to be an ancient messenger for cellular communication conserved across biological kingdoms. GABA has well-defined signalling roles in animals; however, whilst GABA accumulates in plants under stress it has not been determined if, how, where and when GABA acts as an endogenous plant signalling molecule. Here, we establish that endogenous GABA is a bona fide plant signal, acting via a mechanism not found in animals. GABA antagonises stomatal movement in response to opening and closing stimuli in multiple plant families including dicot and monocot crops. Using Arabidopsis thaliana, we show guard cell GABA production is necessary and sufficient to influence stomatal aperture, transpirational water loss and drought tolerance via inhibition of stomatal guard cell plasma membrane and tonoplast-localised anion transporters. This study proposes a novel role for GABA - as a 'stress memory' - opening new avenues for improving plant stress tolerance.

Abstract Plants do not have neurons but operate transmembrane ion channels and can get electrical excited by physical and chemical clues. Among them the Venus flytrap is characterized by its peculiar hapto-electric signaling. When insects collide with trigger hairs emerging the trap inner surface, the mechanical stimulus within the mechanosensory organ is translated into a calcium signal and an action potential (AP). Here we asked how the Ca 2+ wave and AP is initiated in the trigger hair and how it is feed into systemic trap calcium-electrical networks. When Dionaea muscipula trigger hairs matures and develop hapto-electric excitability the mechanosensitive anion channel DmMSL10/FLYC1 and voltage dependent SKOR type Shaker K + channel are expressed in the sheering stress sensitive podium. The podium of the trigger hair is interface to the flytrap’s prey capture and processing networks. In the excitable state touch stimulation of the trigger hair evokes a rise in the podium Ca 2+ first and before the calcium signal together with an action potential travel all over the trap surface. In search for podium ion channels and pumps mediating touch induced Ca 2+ transients, we, in mature trigger hairs firing fast Ca 2+ signals and APs, found OSCA1.7 and GLR3.6 type Ca 2+ channels and ACA2/10 Ca 2+ pumps specifically expressed in the podium. Like trigger hair stimulation, glutamate application to the trap directly evoked a propagating Ca 2+ and electrical event. Given that anesthetics affect K + channels and glutamate receptors in the animal system we exposed flytraps to an ether atmosphere. As result propagation of touch and glutamate induced Ca 2+ and AP long-distance signaling got suppressed, while the trap completely recovered excitability when ether was replaced by fresh air. In line with ether targeting a calcium channel addressing a Ca 2+ activated anion channel the AP amplitude declined before the electrical signal ceased completely. Ether in the mechanosensory organ did neither prevent the touch induction of a calcium signal nor this post stimulus decay. This finding indicates that ether prevents the touch activated, glr3.6 expressing base of the trigger hair to excite the capture organ.

Abstract The identification of those prevailing ABA receptors and molecular mechanisms that trigger drought adaptation in crops well adapted to harsh conditions such as date palm ( Phoenix dactylifera , Pd) sheds light on plant-environment interactions. We reveal that PdPYL8-like receptors are predominantly expressed under abiotic stress, being Pd27 the most expressed receptor in date palm. Therefore, subfamily I PdPYL8-like receptors have been selected for ABA signaling during abiotic stress response in this crop. Biochemical characterization of PdPYL8-like and PdPYL1-like receptors revealed receptor- and ABA-dependent inhibition of PP2Cs, which triggers activation of the pRD29B-LUC reporter in response to ABA. PdPYLs efficiently abolish PP2C-mediated repression of ABA signaling, but loss of the Trp lock in the seed-specific AHG1-like phosphatase PdPP2C79 markedly impairs its inhibition by ABA receptors. Characterization of Arabidopsis transgenic plants that express PdPYLs shows enhanced ABA signaling in seed, root and guard cells. Specifically, Pd27 overexpressing (OE) plants showed lower ABA content and were more efficient than wild type to lower transpiration at negative soil water potential, leading to enhanced drought tolerance. Finally, PdPYL8-like receptors accumulate after ABA treatment, which suggests that ABA-induced stabilization of these receptors operates in date palm for efficient boosting of ABA signaling in response to abiotic stress. Highlight Date palm response to abiotic stress is triggered through PYL8-like ABA receptors that are stabilized by the hormone, which boosts plant adaptation to drought mediated by ABA.

Upon stimulation, plants elicit electrical signals that can travel within a cellular network analogous to the animal nervous system. It is well-known that in the human brain, voltage changes in certain regions result from concerted electrical activity which, in the form of action potentials (APs), travels within nerve-cell arrays. Electrophysiological techniques like electroencephalography 1 , magnetoencephalography 2 , and magnetic resonance imaging 3,4 are used to record this activity and to diagnose disorders. In the plant kingdom, two types of electrical signals are observed: all-or-nothing APs of similar amplitudes to those seen in humans and animals, and slow-wave potentials of smaller amplitudes. Sharp APs appear restricted to unique plant species like the “sensitive plant”, Mimosa pudica , and the carnivorous Venus flytrap, Dionaea muscipula 5,6 . Here we ask the question, is electrical activity in the Venus flytrap accompanied by distinct magnetic signals? Using atomic optically pumped magnetometers 7,8 , biomagnetism in AP-firing traps of the carnivorous plant was recorded. APs were induced by heat stimulation, and the thermal properties of ion channels underlying the AP were studied. The measured magnetic signals exhibit similar temporal behavior and shape to the fast de- and repolarization AP phases. Our findings pave the way to understanding the molecular basis of biomagnetism, which might be used to improve magnetometer-based noninvasive diagnostics of plant stress and disease.

Abstract To fire action-potential-like electrical signals, the vacuole membrane requires the depolarization-activated two-pore channel TPC1, also called S lowly activating V acuolar SV channel. The TPC1/SV channel, encoded by the TPC1 gene, functions as a voltage-dependent and Ca 2+ -regulated potassium channel. TPC1 currents are activated by a rise in cytoplasmic Ca 2+ but inhibited by luminal Ca 2+ . In search for species-dependent functional TPC1 channel variants, we studied polymorphic amino acids contributing to luminal Ca 2+ sensitivity. We found that the acidic residues E457, E605 and D606 of the Ca 2+ -sensitive Arabidopsis AtTPC1 channel were neutralized by either asparagine or alanine in Vicia faba and many other Fabaceae as well. When expressed in the Arabidopsis loss-of-AtTPC1 function background, the wild type VfTPC1 was hypersensitive to vacuole depolarization and insensitive to blocking luminal Ca 2+ . When AtTPC1 was mutated for the three VfTPC1-homologous polymorphic site residues, the Arabidopsis At-VfTPC1 channel mutant gained VfTPC1-like voltage and luminal Ca 2+ insensitivity that together made vacuoles hyperexcitable. These findings indicate that natural TPC1 channel variants in plant families exist which differ in vacuole excitability and very likely respond to changes in environmental settings of their ecological niche. Significance statement Vacuolar electrical excitability and stress-related Ca 2+ signaling depends on the activity of the vacuolar cation channel TPC1. Until now, the regulatory features of AtTPC1 from the model plant Arabidopsis thaliana was believed to apply to the TPC1 channels of other species. However, here we now show that, surprisingly, the VfTPC1 channel of the economic broad bean, in contrast to AtTPC1, proves to be hyperactive and confers hyperexcitability to the vacuole. The different gating behavior is most likely related to an impaired Ca 2+ sensor site in the vacuolar pore vestibule, rising the probability to open at more negative membrane voltages. These natural variants of the TPC1 channel could help the plant adapt and respond to environmental challenges.