Abstract We investigated the physiological function of three Arabidopsis thaliana homologs of the gibberellin (GA) receptor GIBBERELLIN-INSENSITIVE DWARF1 (GID1) by determining the developmental consequences of GID1 inactivation in insertion mutants. Although single mutants developed normally, gid1a gid1c and gid1a gid1b displayed reduced stem height and lower male fertility, respectively, indicating some functional specificity. The triple mutant displayed a dwarf phenotype more severe than that of the extreme GA-deficient mutant ga1-3. Flower formation occurred in long days but was delayed, with severe defects in floral organ development. The triple mutant did not respond to applied GA. All three GID1 homologs were expressed in most tissues throughout development but differed in expression level. GA treatment reduced transcript abundance for all three GID1 genes, suggesting feedback regulation. The DELLA protein REPRESSOR OF ga1-3 (RGA) accumulated in the triple mutant, whose phenotype could be partially rescued by loss of RGA function. Yeast two-hybrid and in vitro pull-down assays confirmed that GA enhances the interaction between GID1 and DELLA proteins. In addition, the N-terminal sequence containing the DELLA domain is necessary for GID1 binding. Furthermore, yeast three-hybrid assays showed that the GA-GID1 complex promotes the interaction between RGA and the F-box protein SLY1, a component of the SCFSLY1 E3 ubiquitin ligase that targets the DELLA protein for degradation.

The shoot apical meristem (SAM) is a pluripotent group of cells that gives rise to the aerial parts of higher plants. Class-I KNOTTED1-like homeobox (KNOX) transcription factors promote meristem function partly through repression of biosynthesis of the growth regulator gibberellin (GA). However, regulation of GA activity cannot fully account for KNOX action. Here, we show that KNOX function is also mediated by cytokinin (CK), a growth regulator that promotes cell division and meristem function. We demonstrate that KNOX activity is sufficient to rapidly activate both CK biosynthetic gene expression and a SAM-localized CK-response regulator. We also show that CK signaling is necessary for SAM function in a weak hypomorphic allele of the KNOX gene SHOOTMERISTEMLESS (STM). Additionally, we provide evidence that a combination of constitutive GA signaling and reduced CK levels is detrimental to SAM function. Our results indicate that CK activity is both necessary and sufficient for stimulating GA catabolic gene expression, thus reinforcing the low-GA regime established by KNOX proteins in the SAM. We propose that KNOX proteins may act as general orchestrators of growth-regulator homeostasis at the shoot apex of Arabidopsis by simultaneously activating CK and repressing GA biosynthesis, thus promoting meristem activity.

A major catabolic pathway for the gibberellins (GAs) is initiated by 2β-hydroxylation, a reaction catalyzed by 2-oxoglutarate-dependent dioxygenases. To isolate a GA 2β-hydroxylase cDNA clone we used functional screening of a cDNA library from developing cotyledons of runner bean ( Phaseolus coccineus L.) with a highly sensitive tritium-release assay for enzyme activity. The encoded protein, obtained by heterologous expression in Escherichia coli , converted GA 9 to GA 51 (2β-hydroxyGA 9 ) and GA 51 -catabolite, the latter produced from GA 51 by further oxidation at C-2. The enzyme thus is multifunctional and is best described as a GA 2-oxidase. The recombinant enzyme also 2β-hydroxylated other C 19 -GAs, although only GA 9 and GA 4 were converted to the corresponding catabolites. Three related cDNAs, corresponding to gene sequences present in Arabidopsis thaliana databases, also encoded functional GA 2-oxidases. Transcripts for two of the Arabidopsis genes were abundant in upper stems, flowers, and siliques, but the third transcript was not detected by Northern analysis. Transcript abundance for the two most highly expressed genes was lower in apices of the GA-deficient ga1–2 mutant of Arabidopsis than in wild-type plants and increased after treatment of the mutant with GA 3 . This up-regulation of GA 2-oxidase gene expression by GA contrasts GA-induced down-regulation of genes encoding the biosynthetic enzymes GA 20-oxidase and GA 3β-hydroxylase. These mechanisms would serve to maintain the concentrations of biologically active GAs in plant tissues.

Comprehensive reverse genetic resources, which have been key to understanding gene function in diploid model organisms, are missing in many polyploid crops. Young polyploid species such as wheat, which was domesticated less than 10,000 y ago, have high levels of sequence identity among subgenomes that mask the effects of recessive alleles. Such redundancy reduces the probability of selection of favorable mutations during natural or human selection, but also allows wheat to tolerate high densities of induced mutations. Here we exploited this property to sequence and catalog more than 10 million mutations in the protein-coding regions of 2,735 mutant lines of tetraploid and hexaploid wheat. We detected, on average, 2,705 and 5,351 mutations per tetraploid and hexaploid line, respectively, which resulted in 35-40 mutations per kb in each population. With these mutation densities, we identified an average of 23-24 missense and truncation alleles per gene, with at least one truncation or deleterious missense mutation in more than 90% of the captured wheat genes per population. This public collection of mutant seed stocks and sequence data enables rapid identification of mutations in the different copies of the wheat genes, which can be combined to uncover previously hidden variation. Polyploidy is a central phenomenon in plant evolution, and many crop species have undergone recent genome duplication events. Therefore, the general strategy and methods developed herein can benefit other polyploid crops.

Using degenerate oligonucleotide primers based on a pumpkin (Cucurbita maxima) gibberellin (GA) 20-oxidase sequence, six different fragments of dioxygenase genes were amplified by polymerase chain reaction from arabidopsis thaliana genomic DNA. One of these was used to isolate two different full-length cDNA clones, At2301 and At2353, from shoots of the GA-deficient Arabidopsis mutant ga1-2. A third, related clone, YAP169, was identified in the Database of Expressed Sequence Tags. The cDNA clones were expressed in Escherichia coli as fusion proteins, each of which oxidized GA12 at C-20 to GA15, GA24, and the C19 compound GA9, a precursor of bioactive GAs; the C20 tricarboxylic acid compound GA25 was formed as a minor product. The expression products also oxidized the 13-hydroxylated substrate GA53, but less effectively than GA12. The three cDNAs hybridized to mRNA species with tissue-specific patterns of accumulation, with At2301 being expressed in stems and inflorescences, At2353 in inflorescences and developing siliques, and YAP169 in siliques only. In the floral shoots of the ga1-2 mutant, transcript levels corresponding to each cDNA decreased dramatically after GA3 application, suggesting that GA biosynthesis may be controlled, at least in part, through down-regulation of the expression of the 20-oxidase genes.

The shoot apical meristem (SAM) is an indeterminate structure that gives rise to the aerial parts of higher plants. Leaves arise from the differentiation of cells at the flanks of the SAM. Current evidence suggests that the precise regulation of KNOTTED1-like homeobox (KNOX) transcription factors is central to the acquisition of leaf versus meristem identity in a wide spectrum of plant species. Factors required to repress KNOX gene expression in leaves have recently been identified. Additional factors such as the CHD3 chromatin remodeling factor PICKLE (PKL) act to restrict meristematic activity in Arabidopsis leaves without repressing KNOX gene expression. Less is known regarding downstream targets of KNOX function. Recent evidence, however, has suggested that growth regulators may mediate KNOX activity in a variety of plant species.Here we show that reduced activity of the gibberellin (GA) growth regulator pathway promotes meristematic activity, both in the natural context of KNOX function in the SAM and upon ectopic KNOX expression in Arabidopsis leaves. We show that constitutive signaling through the GA pathway is detrimental to meristem maintenance. Furthermore, we provide evidence that one of the functions of the KNOX protein SHOOTMERISTEMLESS (STM) is to exclude transcription of the GA-biosynthesis gene AtGA20ox1 from the SAM. We also demonstrate that AtGA20ox1 transcript is reduced in the pkl mutant in a KNOX-independent manner. Moreover, we show a similar interaction between KNOX proteins and GA-biosynthesis gene expression in the tomato leaf and implicate this interaction in regulation of the dissected leaf form.We suggest that repression of GA activity by KNOX transcription factors is a key component of meristem function. Transfer of the KNOX/GA regulatory module from the meristem to the leaf may have contributed to the generation of the diverse leaf morphologies observed in higher plants.

Advances in genome sequencing and assembly technologies are generating many high-quality genome sequences, but assemblies of large, repeat-rich polyploid genomes, such as that of bread wheat, remain fragmented and incomplete. We have generated a new wheat whole-genome shotgun sequence assembly using a combination of optimized data types and an assembly algorithm designed to deal with large and complex genomes. The new assembly represents >78% of the genome with a scaffold N50 of 88.8 kb that has a high fidelity to the input data. Our new annotation combines strand-specific Illumina RNA-seq and Pacific Biosciences (PacBio) full-length cDNAs to identify 104,091 high-confidence protein-coding genes and 10,156 noncoding RNA genes. We confirmed three known and identified one novel genome rearrangements. Our approach enables the rapid and scalable assembly of wheat genomes, the identification of structural variants, and the definition of complete gene models, all powerful resources for trait analysis and breeding of this key global crop.

The activity of the gibberellin (GA) biosynthetic enzymes GA 20-oxidases (GA20ox) is of particular importance in determining GA concentration in many plant species. In Arabidopsis these enzymes are encoded by a family of five genes: AtGA20ox1-AtGA20ox5. Transcript analysis indicated that they have different expression patterns and may thus participate differentially in GA-regulated developmental processes. We have used reverse genetics to determine the physiological roles of AtGA20ox1 and AtGA20ox2, the most highly expressed GA20ox genes during vegetative and early reproductive development. AtGA20ox1 and AtGA20ox2 act redundantly to promote hypocotyl and internode elongation, flowering time, elongation of anther filaments, the number of seeds that develop per silique and elongation of siliques, with AtGA20ox1 making the greater contribution to internode and filament elongation, and AtGA20ox2 making the greater contribution to flowering time and silique length. Pollination of the double mutant with wild-type pollen indicated that the GA promoting silique elongation is of maternal origin. The ga20ox2 phenotype revealed that GA promotes the number of stem internodes that elongate upon bolting, and does so independently of its effect on internode elongation. Comparison of the phenotype of the double mutant with that of the highly GA-deficient ga1-3 mutant indicates that other GA20ox genes contribute to all the developmental processes examined, and, in some cases such as root growth and leaf expansion, make major contributions, as these processes were unaffected in the double mutant. In addition, the effects of the mutations are mitigated by the homeostatic mechanism that acts on expression of other GA dioxygenase and GID1 receptor genes.

Summary Targeted selection and inbreeding have resulted in a lack of genetic diversity in elite hexaploid bread wheat accessions. Reduced diversity can be a limiting factor in the breeding of high yielding varieties and crucially can mean reduced resilience in the face of changing climate and resource pressures. Recent technological advances have enabled the development of molecular markers for use in the assessment and utilization of genetic diversity in hexaploid wheat. Starting with a large collection of 819 571 previously characterized wheat markers, here we describe the identification of 35 143 single nucleotide polymorphism‐based markers, which are highly suited to the genotyping of elite hexaploid wheat accessions. To assess their suitability, the markers have been validated using a commercial high‐density Affymetrix Axiom ® genotyping array (the Wheat Breeders’ Array), in a high‐throughput 384 microplate configuration, to characterize a diverse global collection of wheat accessions including landraces and elite lines derived from commercial breeding communities. We demonstrate that the Wheat Breeders’ Array is also suitable for generating high‐density genetic maps of previously uncharacterized populations and for characterizing novel genetic diversity produced by mutagenesis. To facilitate the use of the array by the wheat community, the markers, the associated sequence and the genotype information have been made available through the interactive web site ‘CerealsDB’.

Bioactive hormone concentrations are regulated both at the level of hormone synthesis and through controlled inactivation. Based on the ubiquitous presence of 2beta-hydroxylated gibberellins (GAs), a major inactivating pathway for the plant hormone GA seems to be via GA 2-oxidation. In this study, we used various approaches to determine the role of C(19)-GA 2-oxidation in regulating GA concentration and GA-responsive plant growth and development. We show that Arabidopsis thaliana has five C(19)-GA 2-oxidases, transcripts for one or more of which are present in all organs and at all stages of development examined. Expression of four of the five genes is subject to feed-forward regulation. By knocking out all five Arabidopsis C(19)-GA 2-oxidases, we show that C(19)-GA 2-oxidation limits bioactive GA content and regulates plant development at various stages during the plant life cycle: C(19)-GA 2-oxidases prevent seed germination in the absence of light and cold stimuli, delay the vegetative and floral phase transitions, limit the number of flowers produced per inflorescence, and suppress elongation of the pistil prior to fertilization. Under GA-limited conditions, further roles are revealed, such as limiting elongation of the main stem and side shoots. We conclude that C(19)-GA 2-oxidation is a major GA inactivation pathway regulating development in Arabidopsis.