The evolution of land flora transformed the terrestrial environment. Land plants evolved from an ancestral charophycean alga from which they inherited developmental, biochemical, and cell biological attributes. Additional biochemical and physiological adaptations to land, and a life cycle with an alternation between multicellular haploid and diploid generations that facilitated efficient dispersal of desiccation tolerant spores, evolved in the ancestral land plant. We analyzed the genome of the liverwort Marchantia polymorpha, a member of a basal land plant lineage. Relative to charophycean algae, land plant genomes are characterized by genes encoding novel biochemical pathways, new phytohormone signaling pathways (notably auxin), expanded repertoires of signaling pathways, and increased diversity in some transcription factor families. Compared with other sequenced land plants, M. polymorpha exhibits low genetic redundancy in most regulatory pathways, with this portion of its genome resembling that predicted for the ancestral land plant.PaperClip/cms/asset/a5798ed4-7289-43d4-b493-90cae7386787/mmc12.mp3Loading ...(mp3, 2.95 MB) Download audio

Abstract Soil microbes are known to be involved in a number of essential ecosystem processes such as nutrient cycling, plant productivity and the maintenance of plant species diversity. However, how plant species diversity and identity affect soil microbial diversity and community composition is largely unknown. We tested whether, over the course of 11 years, distinct soil bacterial communities developed under plant monocultures and mixtures, and if over this timeframe plants with a monoculture or mixture history changed in the microbial communities they associated with. For eight species, we grew offspring of plants that had been grown for 11 years in the same monocultures or mixtures (monoculture- or mixture-type plants) in pots inoculated with microbes extracted from the monoculture and mixture soils. After five months of growth in the glasshouse, we collected rhizosphere soil from each plant and used 16S-rRNA gene sequencing to determine the community composition and diversity of the bacterial communities. Microbial community structure in the plant rhizosphere was primarily determined by soil legacy (monoculture vs. mixture soil) and by plant species identity, but not by plant legacy (monoculture- vs. mixture-type plants). In seven out of the eight plant species bacterial abundance was larger when inoculated with microbes from mixture soil. We conclude that plant diversity can strongly affect belowground community composition and diversity, feeding back to the assemblage of rhizosphere microbial communities in newly establishing plants. Thereby our work demonstrates that concerns for plant biodiversity loss are also concerns for soil biodiversity loss.

1. Biodiversity loss not only impairs ecosystem functioning but can also alter the selection for traits in plant communities. At high diversity selection favours traits that allow for greater niche partitioning, whereas at low diversity selection may favour greater defence against pathogens. However, it is unknown whether changes in plant diversity also select for altered interactions with soil organisms. 2. We assessed whether the responses in plant growth and functional traits to their local arbuscular mycorrhizal fungal (AMF) communities have been altered by the diversity of the plant communities from which both plants and AMF communities were obtained. We grew plants with AMF communities that originated from either plant monocultures or mixtures in a fully factorial design that included both negative and positive controls, by inoculating no AMF or a foreign AMF respectively. 3. We found that AMF from plant mixtures were more beneficial than monoculture AMF for two out of five plant species. Plants from mixtures generally grew better than those from monocultures, but suffered greater damage by leaf pathogens. Although plant growth and phenotypic responses were dependent on the AMF communities with which they associated, we found little evidence for plant growth responses specific to their local AMF communities and results differed between species and traits. 4. Our results show that plants from mixtures were selected for increased growth at the expense of reduced defence and vice versa for plants from monocultures, providing evidence for plant diversity-dependent selection on competitive growth vs. defence. Furthermore, our study suggests that effects of a common history between plants and AMF do not follow a general pattern leading to increased or decreased mutualism. 5. Synthesis: Here we provide evidence that biodiversity loss can alter evolutionary trajectories of plant phenotypes and responses to their local AMF communities. However, the selection for altered plant-AMF interactions differ between plant species. To understand how plant communities respond and evolve under a changing environment requires further knowledge about life strategies of plant species and their above-belowground interactions.

In grassland biodiversity experiments the positive biodiversity−ecosystem functioning relationship generally increases over time. However, we know little about the underlying short-term evolutionary processes. Using five plant species selected for twelve years in a biodiversity experiment in mixture or monoculture and plants without such a selection history, we assessed whether differential selection altered productivity, biodiversity effects, and functional trait differences within newly assembled monocultures and 2-species mixtures. Plants without past community selection history produced the lowest assemblage biomass and showed the weakest biodiversity effects. In newly assembled mixtures, plants with a selection history in mixtures produced more biomass than plants with a monoculture selection history. Biodiversity effects were generally positive and differed significantly between selection histories. However, contrary to our expectations, biodiversity effects were not stronger for mixture-type plants. Biodiversity effects were influenced by both trait differences between plants and community-weighted means, but these relationships were mostly independent of selection history. Our findings suggest that twelve years of selection history in monocultures or species mixtures differentiated plants of each species into monoculture-and mixture-types. Such rapid evolution of different community-types within grassland species and its effect on ecosystem services and functioning are likely to be important for species conservation practice.

Abstract Recent reports suggest that cell-surface and intracellular immune receptors function synergistically to activate robust defence against pathogens, but whether or not they co-evolve is unclear. Here we determined the copy numbers of cell-surface and intracellular immune receptors in 208 species. Surprisingly, these receptor gene families contract and/or expand together in plant genomes, suggesting the mutual potentiation of immunity initiated by cell-surface and intracellular receptors is reflected in the concerted co-evolution of the size of their repertoires across plant species.

Abstract The phenotype of an organism results from its genotype and the influence of the environment throughout development. Even when using animals of the same genotype, independent studies may test animals of different phenotypes, resulting in poor replicability due to genotype-by-environment interactions 1–4 . Thus, genetically defined strains of mice may respond differently to experimental treatments depending on their rearing environment 5 . However, the extent of such phenotypic plasticity and its implications for the replicability of research findings have remained unknown. Here, we examined the extent to which common environmental differences between rearing facilities modulate the phenotype of genetically homogeneous (inbred) mice. We conducted a comprehensive multi-center study, where inbred mice from the same breeding stock were reared in five different facilities throughout early life and adolescence, before being transported to a single test laboratory. We found persistent effects of rearing facility on the composition and heterogeneity of the gut microbial community. These effects were paralleled by persistent differences in body weight and in the behavioural phenotype of the mice. Furthermore, we show that common variation among rearing facilities is strong enough to influence epigenetic patterns in neurons at the level of chromatin organization. We detected changes in chromatin organization in the regulatory regions of genes involved in nucleosome assembly, neuronal differentiation, synaptic plasticity and regulation of behavior. Our findings demonstrate that common environmental differences between rearing facilities may produce facility-specific phenotypes, from the molecular to the behavioural level. We expect our findings to stimulate further research into the mechanisms and drivers of these epigenetic changes mediated by the laboratory environment. Furthermore, they highlight an important limitation of inferences from single-laboratory studies and a need to account for the animals’ environmental background in study design to produce robust and replicable findings.

Abstract Plants perceive pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) via pattern recognition receptors (PRRs) to activate PRR-triggered immunity (PTI). Despite extensive research on PTI in model plant species, the evolutionary trajectory and emergence of PRRs remain elusive. Here we conducted a comparative genomic analysis of cell-surface receptors and downstream signalling components among 350 plant species. Our findings reveal that cell-surface receptors comprise two major classes, receptor-like proteins (RLPs) and receptor-like kinases (RLKs), with RLP being more ancient whereas RLK families have undergone significant expansion. We also demonstrate that multiple downstream signalling components have an ancient origin within the plant lineage. To shed light on the immune-specificity of PRRs, we traced the evolutionary origin of immune-specific leucine-rich repeat-RLPs (LRR-RLPs) in plants. Surprisingly, we discovered that the last four LRR motifs crucial for co-receptor interaction in LRR-RLPs are closely related to those of the LRR-RLK subgroup Xb, which primarily governs growth and development. Functional characterisation further reveals that LRR-RLPs initiate immune responses through their juxtamembrane and transmembrane regions, while LRR-RLK-Xb members regulate development through their cytosolic kinase domains. Our data suggest modular evolution of cell-surface receptors in which immunity- and development-specific cell-surface receptors share a common origin. After diversification, their ectodomains, juxtamembrane, transmembrane, and cytosolic regions have either diversified or stabilised to recognize ligands that activate different downstream responses. We propose that cell-surface receptors and downstream signalling components are ancient, and likely predate the emergence of land plants, subsequently evolving to exhibit greater complexity and specificity within the land plant lineage.

Abstract Plant genomes encode hundreds of secreted peptides; however, relatively few have been characterised. We report here an uncharacterised, stress-induced family of plant signalling peptides, which we call CTNIPs. Based on the role of the common co-receptor BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1-ASSOCIATED KINASE 1 (BAK1) in CTNIP-induced responses, we identified the orphan receptor kinase HAESA-LIKE 3 (HSL3) as the CTNIP receptor via a proteomics approach. CTNIP binding, ligand-triggered complex formation with BAK1, and induced downstream responses all involve HSL3. Notably, the HSL3-CTNIP signalling module is evolutionarily ancient, predating the divergence of extant angiosperms. The identification of this signalling module will help establish its physiological role and provides a resource to understand further receptor-ligand co-evolution.

Abstract The capacity to respond to environmental challenges ultimately relies on phenotypic variation which manifests from complex interactions of genetic and non-genetic mechanisms through development. While we know something about genetic variation and structure of many species of conservation importance, we know very little about the non-genetic contributions to variation. Rhizophora mangle is a foundation species that occurs in coastal estuarine habitats throughout the neotropics where it provides critical ecosystem functions, and is potentially threatened by climate change. Several studies have documented landscape level patterns of genetic variation in this species, but we know virtually nothing about the inheritance of non-genetic variation. To assess one type of non-genetic variation, we examined the patterns of DNA sequence and DNA methylation in maternal plants and offspring from natural populations of R. mangle from the Gulf Coast of Florida. We used a reduced representation bisulfite sequencing approach (epi-genotyping by sequencing or epiGBS) to address the following questions: a) What are the levels of genetic and epigenetic diversity in natural populations of R. mangle ? b) How are genetic and epigenetic variation structured within and among populations? c) How faithfully is epigenetic variation inherited? We found low genetic diversity but high epigenetic diversity from natural populations of maternal plants in the field and that a large portion (up to ~25%) of epigenetic differences among offspring grown in common garden was explained by maternal family. Therefore, epigenetic variation could be an important source of response to challenging environments in the genetically depauperate populations of this foundation species.