Abstract Carotenoid cleavage, catalyzed by CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASES (CCDs), provides signaling molecules and precursors of plant hormones. Recently, we showed that zaxinone, a novel apocarotenoid metabolite formed by the CCD Zaxinone Synthase (ZAS), is a growth regulator required for normal rice growth and development. The rice genome encodes three OsZAS homologs, called here OsZAS1b, OsZAS1c , and OsZAS2 , with unknown functions. Here, we investigated the enzymatic activity, expression pattern, and subcellular localization of OsZAS2, and generated and characterized loss-of-function CRISPR/Cas9- Oszas2 mutants. We show that OsZAS2 formed zaxinone in vitro . OsZAS2 is a plastid-localized enzyme mainly expressed in the root cortex under phosphate starvation. Moreover, OsZAS2 expression increased during mycorrhization, specifically in arbuscule-containing cells. Oszas2 mutants contained lower zaxinone content in roots and exhibited reduced root and shoot biomass, less productive tiller, and higher strigolactone (SL) levels. Exogenous zaxinone application repressed SL biosynthesis and partially rescued the growth retardation of Oszas2 mutant. Consistent with the OsZAS2 expression pattern, Oszas2 mutants displayed a lower frequency of AM colonization. In conclusion, OsZAS2 encodes a further zaxinone-forming enzyme that determines rice growth and architecture and strigolactone content and is required for optimal mycorrhization.

Abstract Carotenoids are susceptible to degrading processes initiated by oxidative cleavage reactions mediated by Carotenoid Cleavage Dioxygenases that break their backbone, leading to products called apocarotenoids. These carotenoid-derived metabolites include the phytohormones abscisic acid and strigolactones, and different signaling molecules and growth regulators, which are utilized by plants to coordinate many aspects of their life. Several apocarotenoids have been recruited for the communication between plants and arbuscular mycorrhizal (AM) fungi and as regulators of the establishment of AM symbiosis. However, our knowledge on their biosynthetic pathways and the regulation of their pattern during AM symbiosis is still limited. In this study, we generated a qualitative and quantitative profile of apocarotenoids in roots and shoots of rice plants exposed to high/low phosphate concentrations, and upon AM symbiosis in a time course experiment covering different stages of growth and AM development. To get deeper insights in the biology of apocarotenoids during this plant-fungal symbiosis, we complemented the metabolic profiles by determining the expression pattern of CCD genes, taking advantage of chemometric tools. This analysis revealed the specific profiles of CCD genes and apocarotenoids across different stages of AM symbiosis and phosphate supply conditions, identifying novel markers at both local and systemic levels. Highlight Our study presents the profiles of CCD gene expression and apocarotenoids across different stages of AM symbiosis and Pi supply conditions and reveals novel AM markers at both local and systemic levels.

The rice Zaxinone Synthase (ZAS) gene encodes a carotenoid cleavage dioxygenase (CCD) that forms the apocarotenoid growth regulator zaxinone. Here, we generated and characterized constitutive ZAS-overexpressing rice lines, to better understand ZAS role in determining zaxinone content and regulating growth and architecture. ZAS overexpression enhanced endogenous zaxinone level, promoted root growth and meristem size, and increased the number of productive tillers, leading to an up to 30% higher grain yield per plant. Hormone analysis revealed a decrease in strigolactone (SL) content, which we confirmed by rescuing the high-tillering phenotype through application of a SL analog. Metabolomics analysis revealed that ZAS overexpressing plants accumulate higher amounts of monosaccharide sugars, in line with transcriptome analysis. Moreover, transgenic plants showed higher carbon (C) assimilation rate and elevated root phosphate, nitrate and sulfate level, enhancing the tolerance towards low phosphate (Pi) and indicating a generally better nutrient uptake. Our study shows that ZAS regulates hormone homeostasis and a combination of physiological processes to promote growth and grain yield, which makes this gene an excellent candidate for sustainable crop improvement.

Abstract The natural growth regulator zaxinone increases the levels of the phytohormones strigolactone (SL) and abscisic acid in Arabidopsis ( Arabidopsis thaliana ) via unknown mechanisms. We demonstrate that parts of the effects of zaxinone in Arabidopsis depend on the SL receptor DWARF14 ( At D14), the karrikin receptor KARRIKIN INSENSITIVE2 ( At KAI2), and the F-Box protein MORE AXILLARY BRANCHING2 ( At MAX2) that mediates the signaling of SLs and karrikins. Binding assays and co-crystallization revealed zaxinone as an additional ligand of At D14 and an SL antagonist that interrupts the interaction of At D14 with At MAX2. Zaxinone also bound to At KAI2. These findings unveil a perception mechanism for zaxinone in Arabidopsis and demonstrate the capability of At D14 and At KAI2 to bind signaling molecules, other than strigolactones or karrikins, and mediate their transduction.

Abstract Plastoglobuli (PG) are plant lipoprotein compartments, present in plastid organelles. They are involved in the formation and/or storage of lipophilic metabolites. FIBRILLINs (FBN) are one of the main PG-associated proteins and are particularly abundant in carotenoid-enriched chromoplasts found in ripe fruits and flowers. To address the contribution of different FBNs to isoprenoid sequestration and PG function, a multiplex gene editing approach was undertaken. Analysis of single and high-order fbn mutants for the major PG-related FBNs in tomato, namely SlFBN 1, SlFBN 2a, SlFBN 4, SlFBN 7a, revealed functional redundancy. High order fbn mutants displayed phenotypes associated with abnormal isoprenoid accumulation, and aberrant PG formation and morphology. Lipidomic analysis highlighted broader changes in lipid metabolism. Paralog-specific roles were also observed and included the regulation of specific isoprenoids (e.g., plastochromanol) and control of plastidial esterification capability by SlFBN7a. Collectively, the results support both structural and regulatory roles of SlFBNs in PGs. Our findings expose fundamental aspects of metabolic compartmentalisation in plant cells and the importance of lipoprotein particles for their plastid metabolism/physiology. Significance statement In the chromoplast of ripe tomato fruit and flower, plastoglobuli (PGs) are associated with several important biotechnological traits, due to their functional involvement in metabolism, developmental transitions, and environmental adaption. FIBRILLINS (FBN) are a multigene family of proteins that are collectively major components of the PG. Using a multiplex CRISPR-Cas9 approach single and high-order fbn mutants have been developed. Functional redundancy amongst the members of the FBN multigene family was evident, but also paralog specific functions/influence. Aberrant plastoglobuli formation and altered lipid metabolism are evident among fbn mutants. Characterisation of this resource has shed light on the functional role of FBN and their role in PG formation. This strategy offers new potential for the development of nutritional enhanced and climate resilient crops.