Nitrate for Me, Ammonium for You The interdependence of plant nitrogen uptake and plant responses to carbon dioxide is well established, but the influence of inorganic nitrogen form—i.e., whether nitrate or ammonium—has been largely ignored. Bloom et al. (p. 899 ) present evidence from five independent methods in both a monocot and dicot species that carbon dioxide inhibition of nitrate assimilation is a major determinant of plant responses to rising atmospheric concentrations of carbon dioxide. This finding explains several phenomena, including carbon dioxide acclimation and decline in food quality. The large variation in these phenomena among species, locations, or years derives from the large variation in the relative dependence of plants on nitrate and ammonium as nitrogen sources among species, locations, or years. The relative importance of ammonium and nitrate for plant N nutrition in future cropping systems will be critical for quantity and quality of food.

Abstract Convergent trait evolution is a recurrent phenomenon in all domains of the tree of life. While some convergent traits are caused by simple sequence changes, many are associated with extensive changes to the sequence and regulation of large cohorts of genes. It is unknown how organisms traverse this expansive genotype space to assemble such complex convergent phenotypes. C 4 photosynthesis is a paradigm of large-scale phenotypic convergence. Conceptual and mathematical models propose that C 4 photosynthesis evolved from ancestral C 3 photosynthesis through sequential adaptive changes. These adaptive changes could have been rapidly assembled if modifications to the activity and abundance of enzymes of the C 4 cycle was neutral in C 3 plants. This neutrality would enable populations of C 3 plants to maintain genotypes with expression levels of C 4 enzymes analogous to those in C 4 species and thus enable rapid assembly of a functional C 4 cycle from naturally occurring genotypes given shared environmental selection. Here we show that there is substantial natural variation in expression of genes encoding C 4 cycle enzymes between natural accessions of the C 3 plant Arabidopsis thaliana . We further show through targeted transgenic experiments in the C 3 crop Oryza sativa , that high expression of the majority of C 4 cycle enzymes in rice is neutral with respect to growth, development, biomass and photosynthesis. Thus, substantial variation in the abundance and activity of C 4 cycle enzymes is permissible within the limits of operation of C 3 photosynthesis and the emergence of component parts of this complex convergent trait can be facilitated by neutral variation.

ABSTRACT C 4 grasses often outperform C 3 species under hot, arid conditions due to superior water and nitrogen use efficiencies and lower rates of photorespiration. A method of concentrating CO 2 around the site of carbon fixation in the bundle sheath (BS) is required to realize these gains. In NADP-malic enzyme (NADP-ME)-type C 4 grasses such as maize, suberin deposition in the BS cell wall is hypothesized to act as a diffusion barrier to CO 2 escape and O 2 entry from surrounding mesophyll cells. Suberin is a heteropolyester comprised of acyl-lipid-derived aliphatic and phenylpropanoid-derived aromatic components. To disrupt BS suberization, we mutated two paralogously duplicated, unlinked maize orthologues of Arabidopsis thaliana ALIPHATIC SUBERIN FERULOYL TRANSFERASE, ZmAsft1 and ZmAsft2 , using closely linked Dissociation transposons. Loss-of-function double mutants revealed a 97% reduction in suberin-specific omega-hydroxy fatty acids without a stoichiometric decrease in ferulic acid. However, BS suberin lamellae were deficient in electron opaque material, and cohesion between the suberin lamellae and polysaccharide cell walls was attenuated in double mutants. There were no other morphological phenotypes under ambient conditions. Furthermore, there was no significant effect on net CO 2 assimilation at any intercellular CO 2 concentration, and no effect on 13 C isotope discrimination relative to wild type. Thus, ZmAsft expression is not required to establish a functional CO 2 concentrating mechanism in in maize. Double mutant leaves exhibit elevated cell wall elasticity, transpirational, and stomatal conductance relative to WT. Thus, the ZmAsft genes are dispensable for gas exchange barrier function but may be involved in regulation of leaf water movement. One-sentence Summary Double mutants of two paralogously duplicated maize Aliphatic Suberin Feruloyl Transferase (ZmAsft) genes exhibit reduced aliphatic suberin content, cell wall cohesion defects, and elevated leaf transpiration, but no changes in CO2 assimilation relative to wild type.

With increased demand on freshwater resources for agriculture, it is imperative that more water-use efficient crops are developed. Leaf stable carbon isotope composition, δ13C, is a proxy for transpiration efficiency and a possible tool for breeders, but the underlying mechanisms effecting δ13C in C4 plants are not known. It has been suggested that differences in specific leaf area, which potentially reflects variation in internal CO2 diffusion, can impact leaf δ13C. However, at this point the relationship has not been tested in maize. Furthermore, although it is known that water movement is important for elemental uptake, it is not clear how manipulation of transpiration for increased water-use efficiency may impact nutrient accumulation. Here we characterize the underlying genetic architecture of leaf δ13C and test its relationship to specific leaf area and the ionome in four biparental populations of maize. Five significant QTL for leaf δ13C were identified, including both novel QTL as well as some that were identified previously in maize kernels. One of the QTL regions contains an Erecta-like gene, the ortholog of which has been shown to regulate transpiration efficiency and leaf δ13C in Arabidopsis . Our data does not support a relationship between δ13C and specific leaf area, and of the 19 elements analyzed, only a weak correlation between molybdenum and δ13C was detected. Together these data begin to build a genetic understanding of leaf δ13C in maize and suggest the potential to improve plant water use without significantly influencing elemental homeostasis.

Optimization of Rubisco kinetics could improve photosynthetic efficiency, ultimatly resulting in increased crop yield. However, imprecise knowledge of the reaction mechanism and the individual rate constants limit our ability to optimize the enzyme. Membrane inlet mass spectrometery (MIMS) may offer benefits over traditional methods for determining individual rate constants of the Rubisco reaction mechanism, as it can directly monitor concentration changes in CO2, O2, and their isotopologs during assays. However, a direct comparsion of MIMS to the traditional Radiolabel method of determining Rubisco kinetic parameters has not been made. Here, the temperature responses of Rubisco kinetic parameters from Arabidopsis thaliana were measured using the Radiolabel and MIMS methods. The two methods provided comparable parameters above 25 oC, but temperature responses deviated at low temperature as MIMS derived catalytic rates of carboxylation, oxygenation, and CO2/O2 specificity showed thermal breakpoints. Here we discuss the variability and uncertainty surrounding breakpoints in the Rubisco temperature response and relavance of individual rate constants of the reaction mechanisms to potential breakpoints.

Abstract Leaf plastids harbor a plethora of biochemical reactions including photosynthesis, one of the most important metabolic pathways on earth. Scientists are eager to unveil the physiological processes within the organelle but also their interconnection with the rest of the plant cell. An increasingly important feature of this venture is to use experimental data in the design of metabolic models. A remaining obstacle has been the limited in situ volume information of plastids and other cell organelles. To fill this gap for chloroplasts, we established three microscopy protocols delivering in situ volumes based on: 1) chlorophyll fluorescence emerging from the thylakoid membrane, 2) a CFP marker embedded in the envelope, and 3) calculations from serial block-face scanning electron microscopy (SBFSEM). The obtained data were corroborated by comparing wild-type data with two mutant lines affected in the plastid division machinery known to produce small and large mesophyll chloroplasts, respectively. Furthermore, we also determined the volume of the much smaller guard cell plastids. Interestingly, their volume is not governed by the same components of the division machinery which defines mesophyll plastid size. Based on our three approaches the average volume of a mature Col-0 wild-type mesophyll chloroplasts is 93 µm 3 . Wild-type guard cell plastids are approximately 18 µm 3 . Lastly, our comparative analysis shows that the chlorophyll fluorescence analysis can accurately determine chloroplast volumes, providing an important tool to research groups without access to transgenic marker lines expressing genetically encoded fluorescence proteins or costly SBFSEM equipment. Significance statement -sentence summary This work describes and compares three different strategies to obtain accurate volumes of leaf plastids from Arabidopsis, the most widely used model plant. We hope our contribution will support quantitative metabolic flux modeling and spark other projects aimed at a more metric-driven plant cell biology.

Abstract C 4 photosynthesis is a repeatedly evolved adaptation to photosynthesis that functions to reduce energy loss from photorespiration. The recurrent evolution of this adaptation is achieved through changes in the expression and localisation of several enzymes and transporters that are conventionally used in non-photosynthetic metabolism. These alterations result in the establishment of a biochemical CO 2 pump that increases the concentration of CO 2 around rubisco in a cellular environment where rubisco is protected from oxygen thus preventing the occurrence of photorespiration. A key step in the evolution of C 4 photosynthesis is the change in subcellular localisation of carbonic anhydrase (CA) activity from the mesophyll cell chloroplast to the cytosol, where it catalyzes the first biochemical step of the C 4 pathway. Here, we achieve this key step in C 4 evolution in the C 3 plant Oryza sativa (rice) using genome editing. We show that editing the chloroplast transit peptide of the primary CA isoform in the leaf results in relocalisation of leaf CA activity from the chloroplast to the cytosol. Through analysis of fluorescence induction kinetics in these CA relocalisation lines we uncover a role a new role for chloroplast CA in photosynthetic induction. We also reveal that relocalisation of CA activity to the cytosol causes no detectable perturbation to plant growth or leaf-level CO 2 assimilation. Collectively, this work uncovers a novel role for chloroplast CA in C 3 plants, and demonstrates that it is possible to achieve a key step in the evolution of C 4 photosynthesis by genome editing. Significance statement C 4 photosynthesis is a highly efficient adaptation to photosynthesis that fuels the world’s most productive crop plants. It evolved from conventional C 3 photosynthesis through a series of changes in leaf biochemistry and anatomy. Here we achieve a key evolutionary step on the path to C 4 photosynthesis in rice using genome editing. Specifically, we alter the primary location of carbonic anhydrase activity in the rice leaf from the chloroplast to the cytosol. In doing so, we uncover a novel role for carbonic anhydrase in facilitating the rapid induction kinetics of photosystem II, and initiate a new era of C 4 engineering using precision breeding techniques.

ABSTRACT Environmental variability poses a major challenge to any field study. Researchers attempt to mitigate this challenge through replication. Thus, the ability to detect experimental signals is determined by the degree of replication and the amount of environmental variation, noise, within the experimental system. A major source of noise in field studies comes from the natural heterogeneity of soil properties which create micro-treatments throughout the field. To make matters worse, the variation within different soil properties is often non-randomly distributed across a field. We explore this challenge through a sorghum field trial dataset with accompanying plant, microbiome and soil property data. Diverse sorghum genotypes and two watering regimes were applied in a split-plot design. We describe a process of identifying, estimating, and controlling for the effects of spatially distributed soil properties on plant traits and microbial communities using minimal degrees of freedom. Importantly, this process provides a tool with which sources of environmental variation in field data can be identified and removed, improving our ability to resolve effects of interest and to quantify subtle phenotypes. IMPORTANCE Data from field experiments are notoriously noisy. Proper field designs with high replication aid in mitigating this challenge, yet true biological correlations are still often masked by environmental variability. This work identifies soil property composition as a spatially distributed source of variance to three types of characteristics: plant phenotype, microbiome composition, and leaf traits. We show that once identified, spatial principal component regression was able to account for these effects so that more precise estimates of experimental factors were obtained. This generalizable method is applicable to diverse field experiments.

Summary Mesophyll CO 2 conductance (g m ) in C 3 species responds to short-term (minutes) changes in environment potentially due to changes in some leaf anatomical and biochemical properties and due to measurement artifacts. Compared to C 3 species, there is less information about g m responses to short-term changes in environment conditions like p CO 2 across diverse C 4 species and the potential determinants of these responses. Using 16 diverse C 4 grasses we investigated the response of g m to short-term changes in CO 2 and how this response related to the leaf anatomical and biochemical traits. For all the measured C 4 -grasses g m increased as CO 2 decreased; however, the percent change in g m varied (+13% to +250%) and significantly related to percent changes in leaf transpiration efficiency (TE i ). The percent increase in g m was highest in grasses with thinner mesophyll cell walls and greater leaf nitrogen, activities of phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC), Rubisco and carbonic anhydrase, and a higher affinity of PEPC for bicarbonate. Our study demonstrates that CO 2 response of g m varies greatly across diverse C 4 grasses and identifies the key leaf anatomical and biochemical traits related to this variation. These findings have implications for improving C 4 photosynthetic models, and in attempts to improve TE i through manipulation of g m .

Abstract The ratio of net CO2 uptake (Anet) and stomatal conductance (gs) is an intrinsic measurement of leaf water use efficiency (WUEi); however, its measurement can be challenging for large phenotypic screens. Measurements of the leaf carbon isotope composition (δ13Cleaf) may be a scalable tool to approximate WUEi for screening because it in part reflects the competing influences of Anet and gs on the CO2 partial pressure (pCO2) inside the leaf over time. However, in C4 photosynthesis, the CO2-concentrating mechanism complicates the relationship between δ13Cleaf and WUEi. Despite this complicated relationship, several studies have shown genetic variation in δ13Cleaf across C4 plants. Yet there has not been a clear demonstration of if Anet or gs are the causal mechanisms controlling WUEi and δ13Cleaf. Our approach was to characterize leaf photosynthetic traits of two Zea mays recombinant inbred lines (Z007E0067 and Z007E0150) which consistently differ for δ13Cleaf even though they have minimal confounding genetic differences. We demonstrate that these two genotypes contrasted in WUEi driven by differences in the speed of stomatal responses to changes in pCO2 and light that lead to unproductive leaf water loss. These findings provide support that differences in δ13Cleaf in closely related genotypes do reflect greater WUEi and further suggest that differences in stomatal kinetic response to changing environmental conditions is a key target to improve WUEi.