Cellulose, an abundant, crystalline polysaccharide, is central to plant morphogenesis and to many industries. Chemical and ultrastructural analyses together with map-based cloning indicate that the RSW1 locus of Arabidopsis encodes the catalytic subunit of cellulose synthase. The cloned gene complements the rsw1 mutant whose temperature-sensitive allele is changed in one amino acid. The mutant allele causes a specific reduction in cellulose synthesis, accumulation of noncrystalline β-1,4-glucan, disassembly of cellulose synthase, and widespread morphological abnormalities. Microfibril crystallization may require proper assembly of the RSW1 gene product into synthase complexes whereas glucan biosynthesis per se does not.

Summary Mutations at the SCARECROW (SCR) locus in Arabidopsis thaliana result in defective radial patterning in the root and shoot. The SCR gene product contains sequences which suggest that it is a transcription factor. A number of Arabidopsis Expressed Sequence Tags (ESTs) have been identified that encode gene products bearing remarkable similarity to SCR throughout their carboxyl‐termini, indicating that SCR is the prototype of a novel gene family. These ESTs have been designated SCARECROW‐LIKE (SCL). The gene products of the GIBBERELLIN‐INSENSITIVE (GAI) and the REPRESSOR of ga1–3 (RGA) loci show high structural and sequence similarity to SCR and the SCLs. Sequence analysis of the products of the GRAS (GAI, RGA, SCR) gene family indicates that they share a variable amino‐terminus and a highly conserved carboxyl‐terminus that contains five recognizable motifs. The SCLs have distinct patterns of expression, but all of those analyzed show expression in the root. One of them, SCL3, has a tissue‐specific pattern of expression in the root similar to SCR. The importance of the GRAS gene family in plant biology has been established by the functional analyses of SCR, GAI and RGA.

Genetic incompatibilities resulting from interactions between two loci represent a potential source of postzygotic barriers and may be an important factor in evolution when they impair the outcome of interspecific crosses. We show that, in crosses between strains of the plant Arabidopsis thaliana , loci interact epistatically, controlling a recessive embryo lethality. This interaction is explained by divergent evolution occurring among paralogs of an essential duplicate gene, for which the functional copy is not located at the same locus in different accessions. These paralogs demonstrate genetic heterogeneity in their respective evolutionary trajectories, which results in widespread incompatibility among strains. Our data suggest that these passive mechanisms, gene duplication and extinction, could represent an important source of genetic incompatibilities across all taxa.

Abstract Although gene duplications provide genetic backup and allow genomic changes under relaxed selection, they may potentially limit gene flow. When different copies of a duplicated gene are pseudo-functionalized in different genotypes, genetic incompatibilities can arise in their hybrid offspring. While such cases have been reported after manual crosses, it remains unclear whether they occur in nature and how they affect natural populations. Here we identified four duplicated-gene based incompatibilities including one previously not reported within an artificial Arabidopsis intercross population. Unexpectedly, however, for each of the genetic incompatibilities we also identified the incompatible alleles in natural populations based on the genomes of 1,135 Arabidopsis accessions published by the 1001 Genomes Project. Using the presence of incompatible allele combinations as phenotypes for GWAS, we mapped genomic regions which included additional gene copies which likely rescue the genetic incompatibility. Reconstructing the geographic origins and evolutionary trajectories of the individual alleles suggested that incompatible alleles frequently co-exist, even in geographically closed regions, and that their effects can be overcome by additional gene copies collectively shaping the evolutionary dynamics of duplicated genes during population history.

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.

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.

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.