Abstract According to the principles of heredity, each parental allele of hybrids equally participates in the progeny. At some loci, however, it happens that one allele is favored to the expense of the other. Gamete killers are genetic systems where one allele (the killer) triggers the death of the gametes carrying the other (killed) allele. They have been found in many organisms, and are of major interest to understand mechanisms of evolution and speciation. Gamete killers are particularly prevalent in plants, where they can compromise crop breeding. Here, we deciphered a pollen killer in Arabidopsis thaliana by exploiting natural variation, de novo genomic sequencing and mutants, and analyzing segregations in crosses. We found that the killer allele carries an antidote gene flanked by two elements mandatory for the killing activity. We identified the gene encoding the antidote, a chimeric protein addressed to mitochondria. This gene appeared in the species by association of domains recruited from other genes, and it recently underwent duplications within a highly variable locus, particularly in the killer genotypes. Exploring the species diversity, we identified sequence polymorphisms correlated with the antidote activity.

Cytoplasmic male sterility (CMS) is of major agronomical relevance in hybrid breeding. In gametophytic CMS, abortion of pollen is determined by the grain genotype, while in sporophytic CMS, it is determined by the mother plant genotype. While several CMS mechanisms have been dissected at the molecular level, gametophytic CMS has not been straightforwardly accessible. We used the gametophytic Sha-CMS in Arabidopsis to characterize the cause and process of pollen abortion by implementing in vivo biosensing in single pollen and mitoTALEN mutagenesis. We obtained conclusive evidence that orf117Sha is the CMS-causing gene, despite distinct characteristics from other CMS-genes. We measured the in vivo cytosolic ATP content in single pollen, followed pollen development and analyzed pollen mitochondrial volume in two genotypes that differed only by the presence of the orf117Sha locus. Our results show that the Sha-CMS is not triggered by ATP deficiency. Instead, we observed desynchronization of a pollen developmental program. Pollen death occurred independently in pollen grains at diverse stages and was preceded by mitochondrial swelling. We conclude that pollen death is grain-autonomous in Sha-CMS and propose that mitochondrial permeability transition, which was previously described as a hallmark of developmental and environmental-triggered cell death programs, precedes pollen death in Sha-CMS.

Abstract Soil salinization poses a significant threat to crop production impacting one fifth of all cultivated land. The Cape Verde Islands are located 600 km from the coast of Africa and are characterized by high salinity soils and inland water sources. In this study we find that Arabidopsis thaliana plants native to these islands accumulate a metabolite that protects them from salt stress. We partially characterized this metabolite as glucuronyl-mannose. We find that the ability to produce glucuronyl-mannose evolved independently in two different islands from the same archipelago through mutations in the same gene, an alpha glycosidase protein that we named GH38cv. These cases of parallel evolution suggest positive selection towards the increase of salt tolerance with low fitness costs. Indeed, plants carrying derived alleles of GH38cv do not present growth defects or low defenses under normal conditions, but show better germination rates, longer roots and better hydric status than non-mutated plants when exposed to salt stress. These findings provide a knowledge-based method to develop salt resilient crops using natural mechanisms, which could be attractive both to conventional and organic agriculture.

Abstract Genetic screens are powerful tools for biological research and are one of the reasons for the success of the thale cress Arabidopsis thaliana as a model species. Here, we describe the whole-genome sequencing of 871 Arabidopsis lines from the Homozygous EMS Mutant (HEM) collection as a novel resource for forward and reverse genetics. With an average 576 high-confidence mutations per HEM line, over three independent mutations altering protein sequence are found on average per gene in the collection. Pilot reverse genetics experiments on reproductive, developmental and physiological traits confirmed the efficacy of the tool for identifying both null and knockdown alleles. The possibility of conducting subtle repeated phenotyping of HEM lines and the immediate availability of the mutations will empower forward genetic approaches. The sequence resource is searchable with the ATHEM web interface ( https://lipm-browsers.toulouse.inra.fr/pub/ATHEM/ ), and the biological material is distributed by the Versailles Arabidopsis Stock Center.