Abstract Legumes acquire access to atmospheric nitrogen through nitrogen fixation by rhizobia in root nodules. Rhizobia are soil dwelling organisms and there is a tremendous diversity of rhizobial species in different habitats. From the legume perspective, host range is a compromise between the ability to colonize new habitats, where the preferred symbiotic partner may be absent, and guarding against infection by suboptimal nitrogen fixers. Here, we investigate natural variation in rhizobial host range across Lotus species. We find that Lotus burttii is considerably more promiscuous than Lotus japonicus, represented by the Gifu accession, in its interactions with rhizobia. This promiscuity allows Lotus burttii to form nodules with Mesorhizobium, Rhizobium, Sinorhizobium, Bradyrhizobium , and Allorhizobium species that represent five distinct genera. Using recombinant inbred lines, we have mapped the Gifu/ burttii promiscuity QTL to the same genetic locus regardless of rhizobial genus, suggesting a general genetic mechanism for host-range expansion. The Gifu/ burttii QTL now provides an opportunity for genetic and mechanistic understanding of promiscuous legume-rhizobia interactions.

ABSTRACT Nitrogen fixation is carried out inside nodules of legumes by symbiotic rhizobia. Rhizobia dominate the nodule microbiome, however other non-rhizobial bacteria also colonise root nodules. It is not clear whether these less abundant nodule colonisers impact nodule function. In order to investigate the relationship between the nodule microbiome and nodule function as influenced by the soil microbiome, we used a metabarcoding approach to characterise the communities inside Lotus burttii, Lotus japonicus and Lotus corniculatus nodules from plants that were either starved or healthy resulting from inoculations with different soil suspensions in a closed pot experiment. We found that the nodule microbiome of all tested Lotus species differed according to inoculum, but only that of L. burttii varied with plant health. Using a machine learning algorithm, we also found that among the many non-rhizobial bacteria inside the nodule, amplicon sequence variants that were related to Pseudomonas were the most indicative signatures of a healthy plant nodule microbiome. These results support the hypothesis that legume nodule endophytes may play a role in the overall success of root-nodule symbiosis, albeit in a plant host specific manner.

The molecular framework underlying apoplastic root barrier formation has been unveiled in the model species Arabidopsis thaliana where establishment of Casparian strips occurs at an early stage of root development. In legumes, this region overlaps with the area where nitrogen-fixing bacteria can induce nodule formation, termed the susceptible zone. Moreover, while nodules themselves also contain an endodermis spanning their vascular bundles, it is current unknown if Casparian strips serve as a filter for transport across this specialized organ. Here we establish barrier mutants in the symbiosis model Lotus japonicus. We find that the while the genetic network controlling Casparian strip formation is conserved in this legume species, formation of functional barriers is crucial for establishment of N-fixing nodules. By probing this in detail, we establish a model where the Casparian strip, via its linked Schengen pathway, converge with long distance N signaling and systemic regulation of nodulation. Moreover, this also reveal that the genetic system for barrier establishment in the root endodermis is shared in nodule vascular endodermis and required for nodule function. Combined, our findings uncover a novel role of apoplastic root barriers and establishes a mutant collection suitable to probe the role of root barriers in symbiotic plant-microbe relationships.

Plant cell infection is tightly controlled by cell surface receptor-like kinases (RLKs) Alike other RLKs the Medicago truncatula entry receptor LYK3 laterally segregates into membrane nanodomains in a stimulus-dependent manner. Although nanodomain localization arises as a generic feature of plant membrane proteins, molecular mechanisms underlying such dynamic transitions and their functional relevance remained poorly understood. Here, we demonstrate that actin and the flotillin protein FLOT4 form the primary and indispensable core of a specific nanodomain. Infection-dependent induction of the remorin protein and secondary molecular scaffold SYMREM1 results in subsequent recruitment of ligand-activated LYK3 and its stabilization within these membrane subcompartments. Reciprocally, the majority of this LYK3 receptor pool is destabilized at the plasma membrane and undergoes rapid endocytosis in symrem1 mutants upon rhizobial inoculation resulting in premature abortion of host cell infections. These data reveal that receptor recruitment into nanodomains is indispensable for their function during host cell infection.

Abstract Plant growth and development are modulated by both biotic and abiotic stress. Increasing evidence suggests that cellular integration of the corresponding signals occurs within preformed hubs at the plasma membrane called nanodomains. These membrane sub-compartments are organized by multivalent molecular scaffold proteins, such as remorins. Here, we demonstrate that Group 1 remorins form a hetero-oligomeric complex at the plasma membrane. While these remorins are functionally redundant for some pathways their multivalency also allows the recruitment of specific interaction partners. One of them, the receptor-like kinase REMORIN-INTERACTING RECEPTOR 1 (RIR1), that acts redundantly with the closely related receptor NILR2, is specifically recruited by REM1.2 in a phosphorylation-dependent manner. Overlapping developmental phenotypes suggest that the REM/RIR complex regulates key developmental pathways.