Precise genome editing of plants has the potential to reshape global agriculture through the targeted engineering of endogenous pathways or the introduction of new traits. To develop a CRISPR nuclease-based platform that would enable higher efficiencies of precise gene insertion or replacement, we screened the Cpf1 nucleases from Francisella novicida and Lachnospiraceae bacterium ND2006 for their capacity to induce targeted gene insertions via homology directed repair. Both nucleases, in the presence of guide RNA and repairing DNA template, were demonstrated to generate precise gene insertions as well as indel mutations at the target site in the rice genome. The frequency of targeted insertions for these Cpf1 nucleases, up to 8%, is higher than most other genome editing methods reported to date. Further refinements and broad adoption of the Cpf1 genome editing technology has the potential to make a dramatic impact on plant biotechnology.

ABSTRACT C 3 and C 4 grasses directly and indirectly provide the vast majority of calories to the human diet, yet our understanding of the molecular mechanisms driving photosynthetic productivity in grasses is largely unexplored. Here we define a genetic circuit comprised of SHR, IDD and PIN family members that specify vascular identify and ground cell proliferation in leaves of both C 3 and C 4 grasses. Ectopic expression and loss-of-function mutant studies of SHORT ROOT ( SHR ) paralogs in C 3 Oryza sativa (rice) and C 4 Setaria viridis (green millet) revealed a role in both minor vein formation and ground cell differentiation. Genetic and in vitro studies further suggest that SHR regulates this process through its interaction with Indeterminate Domain (IDD) IDD 12 and 13. We further show a direct interaction of these IDD proteins with a putative regulatory element within the auxin transporter PIN5c gene. Collectively, these studies indicated that a SHR-IDD regulatory circuit mediates auxin flow through the negative regulation of PIN protein expression to modulate minor vein patterning in the grasses.

Abstract The F-box protein Coronatine Insensitive (COI) is a receptor for the jasmonic acid signaling pathway in plants. To investigate the functions of the six maize COI proteins (COI1a, COI1b, COI1c, COI1d, COI2a, and COI2b), we made single, double, and quadruple loss-of-function mutants. Double-mutant coi2a coi2b pollen was inviable, and no homozygous mutant plants were obtained. The coi1 quadruple mutant ( coi1-4x ) exhibited shortened internode lengths, decreased photosynthesis, leaf discoloration, microelement deficiencies, and accumulation of DWARF9, a DELLA-family protein that represses the gibberellic acid signaling pathway. Co-expression of maize COI and DWARF9 genes in Nicotiana benthamiana showed that the COI proteins lead to proteasome-dependent DELLA degradation. Many genes expressed at lower levels in the coi1-4x mutant are normally induced by gibberellic acid. The majority of these genes are predicted to be bundle sheath or mesophyll-enriched including those encoding C 4 -specific photosynthetic enzymes. Ectopic expression of maize COI genes in N. benthamiana showed that COI2a is fully localized in the nucleus and interacts with maize JAZ proteins, the canonical COI repressor partners. However, maize COI1a and COI1c proteins showed only partial nuclear localization and failed to bind to most of the JAZ proteins tested. These results show divergent functions of the six COI proteins in the regulation of maize growth and defense pathways.

Carbon (C) and nitrogen (N) metabolism are critical to plant growth and development and at the basis of yield and adaptation. We have applied high throughput metabolite analyses to over 12,000 diverse field grown samples from the maize nested association mapping population. This allowed us to identify natural variation controlling the levels of twelve key C and N metabolites, often with single gene resolution. In addition to expected genes like invertases, critical natural variation was identified in key C4 metabolism genes like carbonic anhydrases and a malate transporter. Unlike prior maize studies, extensive pleiotropy was found for C and N metabolites. This integration of field-derived metabolite data with powerful mapping and genomics resources allows dissection of key metabolic pathways, providing avenues for future genetic improvement.

CRISPR-based genome editing is an enabling technology with potential to dramatically transform multiple industries. Identification of additional editing tools will be imperative for broad adoption and application of this technology. A novel Type V, Class 2 CRISPR nuclease system was identified from Microgenomates and Smithella bacterial species (CRISPR from Microgenomates and Smithella, Cms1). This system was shown to efficiently generate indel mutations in the major crop plant rice (Oryza sativa). Cms1 are distinct from other Type V nucleases, are smaller than most other CRISPR nucleases, do not require a tracrRNA, and have an AT-rich protospacer-adjacent motif site requirement. A total of four novel Cms1 nucleases across multiple bacterial species were shown to be functional in a eukaryotic system. This is a major expansion of the Type V CRISPR effector protein toolbox and increases the diversity of options available to researchers.

Malate transport shuttles atmospheric carbon into the Calvin-Benson cycle during NADP-ME C4 photosynthesis. Previous characterizations of several plant dicarboxylate transporters (DCT) showed that they efficiently exchange malate across membranes. Here we identify and characterize a previously unknown member of the DCT family, DCT4, in Sorghum bicolor. We show that SbDCT4 exchanges malate across membranes and its expression pattern is consistent with a role in malate transport during C4 photosynthesis. SbDCT4 is not syntenic to the characterized photosynthetic gene ZmDCT2, and an ortholog is not detectable in the maize reference genome. We found that the expression patterns of DCT family genes in the leaves of Z. mays, and S. bicolor varied by cell type. Our results suggest that sub-functionalization of members of the DCT family for the transport of malate into the bundle sheath (BS) plastids occurred during the process of independent recurrent evolution of C4 photosynthesis in grasses of the PACMAD clade. This study confirms the value of using both syntenic information and gene expression profiles to assign orthology in evolutionarily related genomes.

Phosphorus is an essential nutrient for all plants, but is one of the least mobile, and consequently least available, in the soil. Plants have evolved a series of metabolic and developmental adaptations to increase the acquisition of phosphorus and to maximize the efficiency of use within the plant. In Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), the PHO1 protein regulates and facilitates the distribution of phosphorus within the plant. To investigate the role of PHO1 in maize (Zea mays), we searched the B73 reference genome for homologous sequences and identified four genes that we designated ZmPho1;1, ZmPho1;2a, ZmPho1;2b and ZmPho1;3. ZmPho1;2a and ZmPho1;2b are the most similar to AtPho1, and represent candidate co-orthologs that we hypothesize to have been retained following whole genome duplication. Tissue- and phosphate- specific differences in the accumulation of ZmPho1;2a and ZmPho1;2b transcripts suggest functional divergence. The presence of phosphate-regulated anti-sense transcripts derived from both ZmPho1;2a and ZmPho1;2b, suggest the possibility of regulatory crosstalk between paralogs. To characterize functional divergence between ZmPho1;2a and ZmPho1;2b, we have performed transposon mutagenesis using the Ac/Ds system and describe here the generation of novel insertion alleles.

Vertical growth of plants is a dynamic process that is influenced by genetic and environmental factors and has a pronounced effect on overall plant architecture and biomass composition. We have performed twelve controlled growth trials of an interspecific Setaria italica x Setaria viridis recombinant inbred line population to assess how the genetic architecture of plant height is influenced by developmental queues, water availability and planting density. The non-destructive nature of plant height measurements has enabled us to monitor vertical growth throughout the plant life cycle in both field and controlled environments. We find that plant height is reduced under water limitation and high density planting and affected by growth environment (field vs. growth chamber). The results support a model where plant height is a heritable, polygenic trait and that the major genetic loci that influence plant height function independent of growth environment. The identity and contribution of loci that influence height changes dynamically throughout development and the reduction of growth observed in water limited environments is a consequence of delayed progression through the genetic program which establishes plant height in Setaria. In this population, alleles inherited from the weedy S. viridis parent act to increase plant height early, whereas a larger number of small effect alleles inherited from the domesticated S. italica parent collectively act to increase plant height later in development.

Mediator is a conserved transcriptional co-activator that links transcription factors bound at enhancer elements to RNA Polymerase II. Mediator-RNA Polymerase II interactions can be sterically hindered by the Cyclin Dependent Kinase 8 (CDK8) module, a submodule of Mediator that acts to repress transcription in response to discrete cellular and environmental cues. The CDK8 module is conserved in all eukaryotes and consists of 4 proteins: CDK8, CYCLIN C (CYCC), MED12, and MED13. In this study, we have characterized the CDK8 module of Mediator in maize. The maize genome contains single copy genes for Cdk8, CycC, and Med13, and two genes for Med12. Analysis of expression data for the CDK8 module demonstrated that all five genes are broadly expressed in maize tissues, with ZmMed12a, ZmMed12b, and ZmMed13 exhibiting similar expression patterns. We performed a Dissociation (Ds) insertional mutagenesis, recovering two independent insertions in the ZmMed12a gene. One of these Ds insertions results in a truncation of the ZmMed12a transcript. Our molecular characterization of the maize CDK8 module, as well as transposon tagging of ZmMed12a, establish the basis for molecular and functional studies of these important transcriptional regulators in Zea mays.