Circadian clocks are believed to confer an advantage to plants, but the nature of that advantage has been unknown. We show that a substantial photosynthetic advantage is conferred by correct matching of the circadian clock period with that of the external light-dark cycle. In wild type and in long– and short–circadian period mutants of Arabidopsis thaliana , plants with a clock period matched to the environment contain more chlorophyll, fix more carbon, grow faster, and survive better than plants with circadian periods differing from their environment. This explains why plants gain advantage from circadian control.

The plant hormone abscisic acid (ABA) is a key regulator of seed maturation and germination and mediates adaptive responses to environmental stress. In Arabidopsis, the ABI1 gene encodes a member of the 2C class of protein serine/threonine phosphatases (PP2C), and the abi1-1 mutation markedly reduces ABA responsiveness in both seeds and vegetative tissues. However, this mutation is dominant and has been the only mutant allele available for the ABI1 gene. Hence, it remained unclear whether ABI1 contributes to ABA signaling, and in case ABI1 does regulate ABA responsiveness, whether it is a positive or negative regulator of ABA action. In this study, we isolated seven novel alleles of the ABI1 gene as intragenic revertants of the abi1-1 mutant. In contrast to the ABA-resistant abi1-1 mutant, these revertants were more sensitive than the wild type to the inhibition of seed germination and seedling root growth by applied ABA. They also displayed increases in seed dormancy and drought adaptive responses that are indicative of a higher responsiveness to endogenous ABA. The revertant alleles were recessive to the wild-type ABI1 allele in enhancing ABA sensitivity, indicating that this ABA-supersensitive phenotype results from a loss of function in ABI1. The seven suppressor mutations are missense mutations in conserved regions of the PP2C domain of ABI1, and each of the corresponding revertant alleles encodes an ABI1 protein that lacked any detectable PP2C activity in an in vitro enzymatic assay. These results indicate that a loss of ABI1 PP2C activity leads to an enhanced responsiveness to ABA. Thus, the wild-type ABI1 phosphatase is a negative regulator of ABA responses.

ABSTRACT The coordination of developmental and physiological events with environmental signals is facilitated by the action of the circadian clock. Here we report a new set of circadian clock-controlled phenotypes for Arabidopsis thaliana. We use these markers together with the short-period mutant, toc1-1, and the clock-controlled cab2::luciferase reporter gene to assess the nature of the circadian clock throughout development and to suggest the position of TOC1 within the circadian clock system. In dark-grown seedlings, the toc1-1 lesion conferred a short period to the cycling of cab2::luciferase luminescence, as previously found in light-grown plants, indicating that the circadian clocks in these two divergent developmental states share at least one component. Stomatal conductance rhythms were similarly ∼3 hours shorter than wild type in toc1-1, suggesting that a cell-autonomous clockwork may be active in guard cells in 5- to 6-week-old leaves. The effect of daylength on flowering time in the C24 ecotype was diminished by toc1-1, and was nearly eliminated in the Landsberg erecta background where the plants flowered equally early in both short and long days. Throughout a 500-fold range of red light intensities, both the wild type and the mutant showed an inverse log-linear relationship of fluence rate to period, with a 2-3 hour shorter period for the mutant at all intensities. These results indicate that TOC1 acts on or within the clock independently of light input. Temperature entrainment appears normal in toc1-1, and the period-shortening effects of the mutant remain unchanged over a 20°C temperature range. Taken together our results are consistent with the likelihood that TOC1 codes for an oscillator component rather than for an element of an input signaling pathway. In addition, the pervasive effect of toc1-1 on a variety of clock-controlled processes throughout development suggests that a single circadian system is primarily responsible for controlling most, if not all, circadian rhythms in the plant.

In Arabidopsis thaliana, the rhythm of sugar production by photosynthesis sets the timing of the circadian clock, by regulating the expression of circadian clock genes. In plants, the production of sugar by photosynthesis is a key metabolic output of the circadian clock. This study demonstrates that the rhythmic endogenous sugar signals can set the timing of the circadian clock in Arabidopsis by regulating the expression of circadian clock genes. The authors propose the concept of a 'metabolic dawn' that describes the resetting of the circadian clock in response to a peak in endogenous sugars produced by photosynthesis. Circadian clocks provide a competitive advantage in an environment that is heavily influenced by the rotation of the Earth1,2, by driving daily rhythms in behaviour, physiology and metabolism in bacteria, fungi, plants and animals3,4. Circadian clocks comprise transcription–translation feedback loops, which are entrained by environmental signals such as light and temperature to adjust the phase of rhythms to match the local environment3. The production of sugars by photosynthesis is a key metabolic output of the circadian clock in plants2,5. Here we show that these rhythmic, endogenous sugar signals can entrain circadian rhythms in Arabidopsis thaliana by regulating the gene expression of circadian clock components early in the photoperiod, thus defining a ‘metabolic dawn’. By inhibiting photosynthesis, we demonstrate that endogenous oscillations in sugar levels provide metabolic feedback to the circadian oscillator through the morning-expressed gene PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 7 (PRR7), and we identify that prr7 mutants are insensitive to the effects of sucrose on the circadian period. Thus, photosynthesis has a marked effect on the entrainment and maintenance of robust circadian rhythms in A. thaliana, demonstrating that metabolism has a crucial role in regulation of the circadian clock.

The plant circadian clock is proposed to be a network of several interconnected feedback loops, and loss of any component leads to changes in oscillator speed. We previously reported that Arabidopsis thaliana EARLY FLOWERING4 (ELF4) is required to sustain this oscillator and that the elf4 mutant is arrhythmic. This phenotype is shared with both elf3 and lux. Here, we show that overexpression of either ELF3 or LUX ARRHYTHMO (LUX) complements the elf4 mutant phenotype. Furthermore, ELF4 causes ELF3 to form foci in the nucleus. We used expression data to direct a mathematical position of ELF3 in the clock network. This revealed direct effects on the morning clock gene PRR9, and we determined association of ELF3 to a conserved region of the PRR9 promoter. A cis-element in this region was suggestive of ELF3 recruitment by the transcription factor LUX, consistent with both ELF3 and LUX acting genetically downstream of ELF4. Taken together, using integrated approaches, we identified ELF4/ELF3 together with LUX to be pivotal for sustenance of plant circadian rhythms.

Inventors in the field of mechanical and electronic engineering can access multitudes of components and, thanks to standardization, parts from different manufacturers can be used in combination with each other. The introduction of BioBrick standards for the assembly of characterized DNA sequences was a landmark in microbial engineering, shaping the field of synthetic biology. Here, we describe a standard for Type IIS restriction endonuclease-mediated assembly, defining a common syntax of 12 fusion sites to enable the facile assembly of eukaryotic transcriptional units. This standard has been developed and agreed by representatives and leaders of the international plant science and synthetic biology communities, including inventors, developers and adopters of Type IIS cloning methods. Our vision is of an extensive catalogue of standardized, characterized DNA parts that will accelerate plant bioengineering.

Abstract The physiological role and mechanism of nutrient storage within vacuoles of specific cell types is poorly understood. Transcript profiles from Arabidopsis thaliana leaf cells differing in calcium concentration ([Ca], epidermis <10 mM versus mesophyll >60 mM) were compared using a microarray screen and single-cell quantitative PCR. Three tonoplast-localized Ca2+ transporters, CAX1 (Ca2+/H+-antiporter), ACA4, and ACA11 (Ca2+-ATPases), were identified as preferentially expressed in Ca-rich mesophyll. Analysis of respective loss-of-function mutants demonstrated that only a mutant that lacked expression of both CAX1 and CAX3, a gene ectopically expressed in leaves upon knockout of CAX1, had reduced mesophyll [Ca]. Reduced capacity for mesophyll Ca accumulation resulted in reduced cell wall extensibility, stomatal aperture, transpiration, CO2 assimilation, and leaf growth rate; increased transcript abundance of other Ca2+ transporter genes; altered expression of cell wall–modifying proteins, including members of the pectinmethylesterase, expansin, cellulose synthase, and polygalacturonase families; and higher pectin concentrations and thicker cell walls. We demonstrate that these phenotypes result from altered apoplastic free [Ca2+], which is threefold greater in cax1/cax3 than in wild-type plants. We establish CAX1 as a key regulator of apoplastic [Ca2+] through compartmentation into mesophyll vacuoles, a mechanism essential for optimal plant function and productivity.

Cold temperatures are a threat to temperate plants, and Arabidopsis thaliana has acquired an adaptive gene expression network controlled by CBF transcription factors. The CBFs are sufficient to enable plants to survive otherwise lethal subzero temperatures. Constitutive CBF expression causes delayed flowering and stunted growth, and plants have evolved the ability to restrict CBF expression to occur only in the cold. This allows plants to anticipate likely freezing events and selectively deploy cold tolerance. The mechanism by which cold stress is sensed is however unknown. Here we show that protein translation rates in plants are proportional to temperature, and reduced translation rates trigger a rise in intracellular free calcium that activates the CAMTA transcription factors, and these directly activate cold-induced gene expression.

Abstract Using an eight-parent Multiparent Advanced Generation Inter-Cross (MAGIC) population we investigated how variation at circadian clock-associated genes contributes to the regulation of heading date in UK and European winter wheat varieties. We identified homoeologues of EARLY FLOWERING 3 ( ELF3 ) as candidates for the Earliness per se ( Eps ) D1 and B1 loci in field conditions. We confirmed that a SNP within the coding region of TaELF3-B1 is a candidate polymorphism underlying the Eps-B1 locus. We found that a reported deletion at the Eps-D1 locus encompassing TaELF3-D1, is instead a novel allele that lies within an introgression region containing an inversion relative to the Chinese Spring D genome. Using T. turgidum cv. Kronos carrying loss of function alleles of TtELF3 we show that ELF3 does regulate heading by demonstrating that the loss of a single ELF3 homoeologue was sufficient to alter heading date. These studies demonstrated that ELF3 forms part of the circadian oscillator but loss of all homoeologues was required to affect circadian rhythms. Similarly, loss of functional LUX ARRHYTHMO ( LUX ) in T. aestivum , an orthologue of a protein partner of Arabidopsis ELF3, severely disrupted circadian rhythms. ELF3 and LUX transcripts are not co-expressed at dusk suggesting the structure of the wheat circadian oscillator might differ to that of Arabidopsis. Our demonstration that alteration to ELF3 homoeologues can affect heading date separate from effects on the circadian oscillator suggests a role for ELF3 in cereal photoperiodic responses that could be selected for, without pleiotropic deleterious alterations to circadian rhythms.