Sheep (Ovis aries) are a major source of meat, milk, and fiber in the form of wool and represent a distinct class of animals that have a specialized digestive organ, the rumen, that carries out the initial digestion of plant material. We have developed and analyzed a high-quality reference sheep genome and transcriptomes from 40 different tissues. We identified highly expressed genes encoding keratin cross-linking proteins associated with rumen evolution. We also identified genes involved in lipid metabolism that had been amplified and/or had altered tissue expression patterns. This may be in response to changes in the barrier lipids of the skin, an interaction between lipid metabolism and wool synthesis, and an increased role of volatile fatty acids in ruminants compared with nonruminant animals.

Using a whole-genome-sequencing approach to explore germplasm resources can serve as an important strategy for crop improvement, especially in investigating wild accessions that may contain useful genetic resources that have been lost during the domestication process. Here we sequence and assemble a draft genome of wild soybean and construct a recombinant inbred population for genotyping-by-sequencing and phenotypic analyses to identify multiple QTLs relevant to traits of interest in agriculture. We use a combination of de novo sequencing data from this work and our previous germplasm re-sequencing data to identify a novel ion transporter gene, GmCHX1, and relate its sequence alterations to salt tolerance. Rapid gain-of-function tests show the protective effects of GmCHX1 towards salt stress. This combination of whole-genome de novo sequencing, high-density-marker QTL mapping by re-sequencing and functional analyses can serve as an effective strategy to unveil novel genomic information in wild soybean to facilitate crop improvement. The identification of genes that control economically important traits is an essential step towards crop improvement. Here the authors sequence the genome of the wild soybean and, through a combined genetic and functional approach, identify a new gene affecting salt tolerance in soybean.

Plants benefit from associations with a diverse community of root-colonizing microbes. Deciphering the mechanisms underpinning these beneficial services are of interest for improving plant productivity. We report a plant-beneficial interaction between Arabidopsis thaliana and the root microbiota under iron deprivation that is dependent on the secretion of plant-derived coumarins. Disrupting this pathway alters the microbiota and impairs plant growth in iron-limiting soil. Furthermore, the microbiota improves iron-limiting plant performance via a mechanism dependent on plant iron import and secretion of the coumarin fraxetin. This beneficial trait is strain specific yet functionally redundant across phylogenetic lineages of the microbiota. Transcriptomic and elemental analyses revealed that this interaction between commensals and coumarins promotes growth by relieving iron starvation. These results show that coumarins improve plant performance by eliciting microbe-assisted iron nutrition. We propose that the bacterial root microbiota, stimulated by secreted coumarins, is an integral mediator of plant adaptation to iron-limiting soils.

Ginkgo biloba L. (Ginkgoaceae) is one of the most distinctive plants. It possesses a suite of fascinating characteristics including a large genome, outstanding resistance/tolerance to abiotic and biotic stresses, and dioecious reproduction, making it an ideal model species for biological studies. However, the lack of a high-quality genome sequence has been an impediment to our understanding of its biology and evolution.The 10.61 Gb genome sequence containing 41,840 annotated genes was assembled in the present study. Repetitive sequences account for 76.58% of the assembled sequence, and long terminal repeat retrotransposons (LTR-RTs) are particularly prevalent. The diversity and abundance of LTR-RTs is due to their gradual accumulation and a remarkable amplification between 16 and 24 million years ago, and they contribute to the long introns and large genome. Whole genome duplication (WGD) may have occurred twice, with an ancient WGD consistent with that shown to occur in other seed plants, and a more recent event specific to ginkgo. Abundant gene clusters from tandem duplication were also evident, and enrichment of expanded gene families indicates a remarkable array of chemical and antibacterial defense pathways.The ginkgo genome consists mainly of LTR-RTs resulting from ancient gradual accumulation and two WGD events. The multiple defense mechanisms underlying the characteristic resilience of ginkgo are fostered by a remarkable enrichment in ancient duplicated and ginkgo-specific gene clusters. The present study sheds light on sequencing large genomes, and opens an avenue for further genetic and evolutionary research.

Abstract Healthy plants are colonized by microorganisms from the surrounding environment, which form stable communities and provide beneficial services to the host. Culture-independent profiling of the bacterial root microbiota shows that different plant species are colonized by distinct bacterial communities, even if they share the same habitat. It is, however, not known to what extent the host actively selects these communities and whether commensal bacteria are adapted to a specific plant species. Here, we report a sequence-indexed culture collection from roots and nodules of the model legume Lotus japonicus that contains representatives from the majority of species found in culture-independent profiles. Using taxonomically paired synthetic communities from L. japonicus and the crucifer Arabidopsis thaliana in a multi-species gnotobiotic system, we detect clear signatures of host preference among commensal bacteria in a community context, but not in mono-associations. Sequential inoculation of either host reveals strong priority effects during the assembly of the root microbiota, where established communities are resilient to invasion by late-comers. However, we found that host preference by commensal bacteria confers a competitive advantage in their native host. We reveal that host preference is prevalent in commensal bacteria from diverse taxonomic groups and that this trait is directly linked to their invasiveness into standing root-associated communities.

Abstract Indole glucosinolates (IGs) are tryptophan (Trp)-derived sulfur-containing specialized metabolites that play a crucial role in plant-microbe interactions in plants of the order Brassicales, including Arabidopsis thaliana . Despite the growing body of evidence implicating IG biosynthetic pathways in root-microbiota interactions, how myrosinases, the enzymes that convert inert IGs into bioactive intermediate/terminal products, contribute to this process remains unknown. Here, we describe the roles of the PYK10 and BGLU21 myrosinases in root-microbiota assembly partly via metabolites secreted from roots into the rhizosphere. PYK10 and BGLU21 localize to the endoplasmic reticulum (ER) body, an ER-derived organelle observed in plants of the family Brassicaceae. We investigated the root microbiota structure of mutants defective in the Trp metabolic ( cyp79b2b3 and myb34/51/122 ) and ER body ( nai1 and pyk10bglu21 ) pathways and found that these factors together contribute to the assembly of root microbiota. Microbial community composition in soils as well as in bacterial synthetic communities (SynComs) treated with root exudates axenically collected from pyk10bglu21 and cyp79b2b3 differed significantly from those treated with exudates derived from wild-type plants, pointing to a direct role of root-exuded compounds. We also show that growth of the pyk10bglu21 and cyp79b2b3 mutants was severely inhibited by fungal endophytes isolated from healthy A. thaliana plants. Overall, our findings demonstrate that root ER body-resident myrosinases influencing the secretion of Trp-derived specialized metabolites represent a lineage-specific innovation that evolved in Brassicaceae to regulate root microbiota structure. Significance ER bodies were first identified in roots of Brassicaceae plants more than 50 years ago, but their physiological functions have remained uncharacterized. A series of previous studies have suggested their possible role in root-microbe interactions. Here, we provide clear experimental evidence showing a role for ER bodies in root-microbiota interactions, which overlaps with that of root-exuded Trp-derived metabolites. Our findings delineate a plant lineage-specific innovation involving intracellular compartments and metabolic enzymes that evolved to regulate plant-microbe interactions at the root-soil interface.

Abstract Microscopic algae release organic compounds to the region immediately surrounding their cells, known as the phycosphere, constituting a niche for colonization by heterotrophic bacteria. These bacteria take up algal photoassimilates and provide beneficial functions to their host, in a process that resembles the establishment of microbial communities associated with the roots and rhizospheres of land plants. Here, we characterize the microbiota of the model alga Chlamydomonas reinhardtii and reveal extensive taxonomic and functional overlap with the root microbiota of land plants. Reconstitution experiments using synthetic communities derived from C. reinhardtii and Arabidopsis thaliana show that phycosphere and root bacteria assemble into taxonomically equivalent communities on either host. We show that provision of diffusible metabolites is not sufficient for phycosphere community establishment, which additionally requires physical proximity to the host. Our data suggests that the microbiota of photosynthetic organisms, including green algae and flowering plants, assembles according to core ecological principles.

Synthetic communities can help uncover metabolic forces shaping microbial ecosystems. Yet, in case of the gut microbiota, culturing in undefined media has prevented detection of metabolic dependencies. Here we show, using chemically defined media, how species survival is jointly determined by supplied resources and community metabolism. We used 63 representative gut bacterial strains and varied inoculum compositions to assemble stable communities in 14 defined media. Over 95% of the species showed markedly improved or diminished performance relative to monoculture in at least one condition, including 153 cases (21%) of emergent survival, i.e., species incapable of surviving on their own but thriving in a community, and 252 (35%) community-driven extinctions. Through single species additions and exclusions, metabolomic analysis, and ecological modelling, we demonstrate how inter-species dependencies, especially in poor media, are mediated by biotic nutrient supply. Our results highlight communal metabolic dividend as a key biotic force promoting emergent survival and diversity.

Contamination by industrial and agricultural chemicals like pesticides are a cause of great concern due to the risk to human and environmental health. While these chemicals are often considered to have restricted activity and are labelled as such, there are concerns over a broader toxicity range. Here we report the impact of 1076 pollutants spanning diverse chemistries and indicated applications on 22 prevalent commensal gut bacteria. Our systematic investigation uncovered 588 interactions involving 168 chemicals, the majority of which were not previously reported to have antibacterial properties. Fungicides and industrial chemicals showed the largest impact with circa 30% exhibiting anti-commensal properties. We find that the sensitivity to chemical pollutants across species surprisingly correlates with that to human-targeted drugs, suggesting common susceptibility mechanisms. Using a genome-wide chemical-genetic screen, we identified membrane transport and fatty acid metabolism as major modulators of the off-target toxicity of chemicals. Mutants exhibiting chemical resistance include those defective in producing human-health-relevant metabolites like branched short-chain fatty acids, indicating that chronic exposure could lead to selection against production of beneficial metabolites. Toxicokinetic modelling suggested gut bacteria could be used as more sensitive in vitro toxicity indicators for chemicals of concern than animal models. Together, our data uncovers the off-target activity of industrial and agricultural chemicals with widespread exposure against human gut bacteria. Impact on the structure and function of the microbiota should therefore be considered in assessing chemical safety.

Per- and polyfluoroalkyl Substances (PFAS) - the so-called 'forever chemicals' - are a major cause of environmental and health concern due to their toxicity and long-term persistence[1,2]. Yet, no efficient mechanisms for their removal have been identified. Here we report bioaccumulation of PFAS by several gut bacterial species over a wide range of concentrations from nanomolar up to 500 μM. For bioaccumulating Bacteroides uniformis , a highly prevalent species, we estimate intracellular PFAS concentration in the mM range - above that of most native metabolites. Despite this high bioaccumulation, B. uniformis cells could grow appreciably up to 250 μM perfluorononanoic acid (PFNA) exposure. Escherichia coli , which accumulated PFAS to a much lesser extent, substantially increased PFAS bioaccumulation when lacking TolC efflux pump indicating trans-membrane transport in PFAS bioaccumulation. Electron microscopy and cryogenic Focused Ion Beam-Secondary Ion Mass-spectrometry revealed distinct morphological changes and intracellular localisation of PFNA aggregates. Bioaccumulation of PFAS and transmembrane transport is also evident in proteomics, metabolomics, thermal proteome profiling, and mutations following adaptive laboratory evolution. In an in vivo context, mice colonized with human gut bacteria showed, compared to germ-free controls or those colonized with low-bioaccumulating bacteria, higher PFNA levels in excreted feces. As the gut microbiota is a critical interface between exposure and human body, our results have implications for understanding and utilizing microbial contribution to PFAS clearance.