ABSTRACT Heat stress promotes the formation of unreduced (2n) male gametes, a driving force of evolutionary polyploidization in the plant kingdom. Here we report that the molecular mechanism underlying heat tolerance of the reproductive system in Arabidopsis thaliana relies on sustained synthesis of the cell cycle protein TAM/CYCA1;2. Under heat stress TAM protein accumulates in stress granules when expressed from a gene that is derived from a heat tolerant Arabidopsis accession such as Col-0. Heat sensitive TAM alleles do not support TAM protein synthesis at elevated temperatures resulting in over 80% of the pollen being diploid. However, sustained expression of TAM is not sufficient as heat stress also promotes formation of unreduced male gametes in Col-0 mutants of the meiosis exit regulators THREE DIVISION MUTANT1 (TDM1) and SUPPRESSOR WITH MORPHOGENETIC EFFECTS ON GENITALIA7 (SMG7). These findings reveal a TDM1 and SMG7 dependent licencing mechanism securing protein synthesis and male meiosis progression under heat stress conditions. Arabidopsis accessions that do not possess this heat tolerant translation mechanism are poised to produce high frequencies of unreduced male gametes and generate polyploid offspring at elevated temperature.

Abstract Ultraviolet (UV) radiation influences development and genome stability in organisms; however, its impacts on meiosis, a special cell division essential for the delivery of genetic information over generations in eukaryotes, remain not yet elucidated. In this study, we demonstrate that UV attenuates the centromere-mediated meiotic chromosome stability and induces unreduced gametes in Arabidopsis thaliana . We show that UV reduces crossover (CO) rate but does not interfere with meiotic chromosome integrity. Functional centromere-specific histone 3 (CENH 3 ) is required for the obligate CO formation, and plays a role in protection of homolog synapsis and sister-chromatid cohesion under UV stress. Moreover, UV specifically alters the orientation and organization of spindles and phragmoplasts at meiosis II, resulting in meiotic restitution and unreduced gametes. Further, we determine that UV-induced meiotic restitution does not rely on the UV Resistance Locus8-mediated UV perception and the Tapetal Development and Function1- and Aborted Microspores-dependent tapetum development, but occurs possibly via impacted JASON function and downregulated Parallel Spindle1. This study sheds light on the impacts of UV on meiotic genome stability and gametophytic ploidy consistency, which thus may influence genome evolution in flowering plants.

Abstract The plant male reproductive system is very sensitive to high temperature stress leading to a reduction in fertility. Damage caused by heat stress is restored by the activation of transcription and the synthesis of chaperones that regulate the heat stress response. Here we report that AtRRB1 is a homolog of the yeast ribosome chaperone protein Rrb1p. AtRRB1 is an essential gene and a T-DNA insertion in the coding region impairs male and female gametogenesis. The heterozygous rrb1-1 mutant shows decreased expression of AtRRB1 and increased transcription of the 60S ribosome proteins RPL3B and RPL4, in line with a chaperone role of AtRRB1 in ribosome biogenesis. Embryo sac development across ovules of a single pistil occurs uncoordinated and about half of the ovules abort. Half of rrb1-1 pollen is substantially smaller and produce shorter pollen tubes than WT pollen. In contrast to the Col-0 pollen, smaller pollen is overly sensitivity to high temperature (24h at 32°C) treatment, specifically during the early bicellular microspore development stage. Heat stressed rrb1-1 bicellular microspores accumulated excessively rough endoplasmic reticulum stacks, suggesting that loss of AtRRB1 activity causes an arrest in ER associated protein biosynthesis. These findings support a critical requirement for ribosome biogenesis and protein synthesis in bicellular microspores to recover from high temperature stress.

Abstract Somatic hybrids between distant species offer a remarkable model to study genomic recombination events after mitochondrial fusion. Recently, our lab described highly chimeric mitogenomes in two somatic hybrids between the Solanaceae Nicotiana tabacum and Hyoscyamus niger resulting from interparental homologous recombination. To better examine the recombination map in somatic hybrid mitochondria, we developed a more sensitive bioinformatic strategy to detect recombination activity based on high-throughput sequencing without assembling the hybrid mitogenome. We generated a new intergeneric somatic hybrid and re-analyzed the two Solanaceae somatic hybrids. We inferred 213 homologous recombination events across repeats of 2.1 kb on average. Most of them (∼80%) were asymmetrical, consistent with the break-induced replication (BIR) pathway. Only rare (2.74%) non-homologous events were detected. Interestingly, independent events frequently occurred in the same regions within and across somatic hybrids, suggesting the existence of recombination hotspots in plant mitogenomes. BIR is the main pathway of interparental recombination in somatic hybrid mitochondria. Likewise, under the fusion compatibility model of mitochondrial horizontal transfer, foreign mitochondria fuse with those in the recipient cell and their genomes likely recombine via BIR, resulting in the integration and/or loss of mitochondrial DNA. Findings of this study are also relevant to mitogenome editing assays. Highlight We show that the chimeric mitochondrial genomes of somatic hybrids result from one of the three described homologous recombination pathways (BIR), mimicking the fusion compatibility model for plant HGT.

Abstract Sterols are produced via complex, multistep biosynthetic pathways involving similar enzymatic conversions in plants, animals and fungi, yielding a variety of sterol metabolites with slightly different chemical properties to exert diverse and specific functions. The role of plant sterols has been studied in the context of cell biological processes, signaling and overall plant development, mainly based on mutants. Due to their essential nature, genetic interference with their function causes pleiotropic developmental defects. An important alternative is to use a pharmacological approach. However, the current toolset for manipulating sterol biosynthesis in plants remains limited. Here, we probed a collection of inhibitors of mammalian cholesterol biosynthesis to identify new inhibitors of plant sterol biosynthesis. We provide evidence that imidazole-type fungicides, bifonazole, clotrimazole and econazole inhibit the obtusifoliol 14α-demethylase CYP51, that is highly conserved among eukaryotes. Surprisingly, we found that the selective estrogen receptor modulator, clomiphene, inhibits sterol biosynthesis, in part by inhibiting the plant-specific cyclopropyl-cycloisomerase CPI1. These results demonstrate that rescreening of the animal sterol biosynthesis pharmacology is an easy approach for identifying novel inhibitors of plant sterol biosynthesis. Such molecules can be used as entry points for the development of plant-specific inhibitors of sterol biosynthesis that can be used in agriculture.