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.

The influence of intraspecific variation in cytoplasmic genomes and cytonuclear interactions on key seed traits that can impact adaptation and agriculture has not been thoroughly explored, so far. Here, dormancy, germination performance and longevity of seeds have been assessed in Arabidopsis plants with novel cytonuclear combinations that disrupt coadaptation between natural variants of nuclear and cytoplasmic genomes. Although all three traits were affected by cytonuclear reshuffling, the sensitivity of seed traits to cytoplasmic change was dependent on the nuclear background. Both deleterious and, more surprisingly, favorable effects of novel cytonuclear combinations (in comparison with the nuclear parent) were observed, suggesting suboptimal genetic combinations exist in natural populations for these traits. Significant changes on dormancy and germination performance due to specific cytonuclear interacting combinations mainly occurred in opposite directions, in accordance with the previously proposed 'dormancy continuum'. Consistently, reduced sensitivity to exogenous ABA and faster endogenous ABA decay during germination were observed in a novel cytonuclear combination that also exhibited enhanced longevity and better germination performance, compared to its natural nuclear parent. Cytoplasmic genomes, therefore, represent an additional resource of natural variation for breeding seed vigor traits.

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.