Abstract The function of PsBRC1, the pea (Pisum sativum) homolog of the maize (Zea mays) TEOSINTE BRANCHED1 and the Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) BRANCHED1 (AtBRC1) genes, was investigated. The pea Psbrc1 mutant displays an increased shoot-branching phenotype, is able to synthesize strigolactone (SL), and does not respond to SL application. The level of pleiotropy of the SL-deficient ramosus1 (rms1) mutant is higher than in the Psbrc1 mutant, rms1 exhibiting a relatively dwarf phenotype and more extensive branching at upper nodes. The PsBRC1 gene is mostly expressed in the axillary bud and is transcriptionally up-regulated by direct application of the synthetic SL GR24 and down-regulated by the cytokinin (CK) 6-benzylaminopurine. The results suggest that PsBRC1 may have a role in integrating SL and CK signals and that SLs act directly within the bud to regulate its outgrowth. However, the Psbrc1 mutant responds to 6-benzylaminopurine application and decapitation by increasing axillary bud length, implicating a PsBRC1-independent component of the CK response in sustained bud growth. In contrast to other SL-related mutants, the Psbrc1 mutation does not cause a decrease in the CK zeatin riboside in the xylem sap or a strong increase in RMS1 transcript levels, suggesting that the RMS2-dependent feedback is not activated in this mutant. Surprisingly, the double rms1 Psbrc1 mutant displays a strong increase in numbers of branches at cotyledonary nodes, whereas branching at upper nodes is not significantly higher than the branching in rms1. This phenotype indicates a localized regulation of branching at these nodes specific to pea.

Summary The afila ( af ) mutation causes the replacement of leaflets by a branched mass of tendrils in the compound leaves of pea – Pisum sativum L. This mutation was first described in 1953, and several reports of spontaneous af mutations and induced mutants with a similar phenotype exist. Despite widespread introgression into breeding material, the nature of af and the origin of the alleles used remain unknown. Here, we combine comparative genomics with reverse genetic approaches to elucidate the genetic determinants of af . We also investigate haplotype diversity using a set of AfAf and afaf cultivars and breeding lines and molecular markers linked to seven consecutive genes. Our results show that deletion of two tandemly arranged genes encoding Q‐type Cys(2)His(2) zinc finger transcription factors, PsPALM1a and PsPALM1b , is responsible for the af phenotype in pea. Eight haplotypes were identified in the af ‐harbouring genomic region on chromosome 2. These haplotypes differ in the size of the deletion, covering more or less genes. Diversity at the af locus is valuable for crop improvement and sheds light on the history of pea breeding for improved standing ability. The results will be used to understand the function of PsPALM1a/b and to transfer the knowledge for innovation in related crops.

Abstract KAI2 are plant α/β hydrolase receptors, which perceive smoke-derived butenolide signals (karrikins) and putative endogenous, yet unidentified phytohormones (KAI2-ligands, KLs). The number of functional KAI2 receptors varies among plant species. It has been suggested that KAI2 gene duplication and sub-functionalization plays an adaptative role for diverse environments or ligand diversification by altering the receptor responsiveness to specific KLs. Legumes represent one of the largest families of flowering plants and contain many essential agronomic crops. Prior to legume diversification, KAI2 underwent duplication, resulting in KAI2A and KAI2B . Integrating plant genetics, ligand perception and enzymatic assays, and protein crystallography, we demonstrate that Pisum sativum KAI2A and KAI2B act as receptors and enzymes with divergent ligand stereoselectivity. KAI2B has a stronger affinity than KAI2A towards the KAI2-ligand (-)-GR24 and remarkably hydrolyses a broader range of substrates including the strigolactone-like isomer (+)-GR24. We determine the crystal structures of PsKAI2B in apo and butenolide-bound states. The biochemical and structural analyses as well as recorded mass spectra of KAI2s reveal a transient intermediate on the catalytic serine and a stable adduct on the catalytic histidine, further illuminating the role of KAI2 not only as receptors but also as bona fide enzymes. Our work uncovers the stereoselectivity of ligand perception and catalysis by evolutionarily diverged KAI2 receptors in KAR/KL signaling pathways and proposes adaptive sensitivity to KAR/KL and strigolactone phytohormones by KAI2B.

ABSTRACT Pea, Pisum sativum , is an excellent model system through which Gregor Mendel established the foundational principles of inheritance. Surprisingly, till today, the molecular nature of the genetic differences underlying the seven pairs of contrasting traits that Mendel studied in detail remains partially understood. Here, we present a genomic and phenotypic variation map, coupled with haplotype-phenotype association analyses across a wide range of traits in a global Pisum diversity panel. We focus on a genomics-enabled genetic dissection of each of the seven traits Mendel studied, revealing many previously undescribed alleles for the four characterized genes, R , Le , I and A , and elucidating the gene identities and mutations for the remaining three uncharacterized traits. Notably, we identify: (1) a ca. 100kb deletion upstream of the Chlorophyll synthase ( ChlG ) gene, which generates aberrant transcripts and confers the yellow pod phenotype of gp mutants; (2) an in-frame premature stop codon mutation in a Dodeca-CLE41/44 signalling peptide which explains the parchmentless mutant phenotype corresponding to p ; and (3) a 5bp in-frame deletion in a CIK-like receptor kinase gene corresponding to the fasciated stem phenotype fa , which Mendel described in terms of flower position, and we postulate the existence of a Modifier of fa ( Mfa ) locus that masks this meristem defect. Mendel noted the pleiotropy of the a mutation, including inhibition of axil ring anthocyanin pigmentation, a trait we found to be controlled by allelic variants of the gene D within an R2R3-MYB gene cluster. Furthermore, we characterize and validate natural variation of a quantitative genetic locus governing both pod width and seed weight, characters that Mendel deemed were not sufficiently demarcated for his analyses. This study establishes a cornerstone for fundamental research, education in biology and genetics, and pea breeding practices.

SUMMARY Pea is a grain legume crop with a high potential to accelerate the food transition due to its high seed protein content and relatively well‐balanced amino acid composition. The critical role of external sulfur (S) supply in determining seed yield and seed quality in pea makes it essential to understand the impact of whole plant S management on the trade‐off between these two traits. Here, we investigated the physiological relevance of vacuolar sulfate remobilization by targeting PsSULTR4, the only pea sulfate transporter showing substantial similarity to the vacuolar sulfate exporter AtSULTR4;1. Five mutations in PsSULTR4 were identified by TILLING (Targeting Induced Local Lesions IN Genomes), two of which, a loss of function (W78*) and a missense (E568K), significantly decreased seed yield under S deprivation. We demonstrate that PsSULTR4 triggers S distribution from source tissues, especially lower leaves, to reproductive organs to maintain seed yield under S deficiency. Under sufficient S supply, sultr4 seeds display lower levels of the S‐rich storage protein PA1 at maturity. They also overaccumulate sulfate in the endosperm at the onset of seed filling. These findings uncover a role of PsSULTR4 in the remobilization of vacuolar sulfate during embryo development, allowing the efficient synthesis of S‐rich proteins. Our study uncovers that PsSULTR4 functions (i) in source tissues to remobilize stored vacuolar sulfate for seed production under low S availability and (ii) in developing seeds well supplied with S to fine‐tune sulfate remobilization from the endosperm as a critical control point for storage activities in the embryo.

Improved plant varieties are hugely significant in our attempts to face the challenges of a growing human population and limited planet resources. Plant breeding relies on meiotic crossovers to combine favorable alleles into elite varieties (1). However, meiotic crossovers are relatively rare, typically one to three per chromosome (2), limiting the efficiency of the breeding process and related activities such as genetic mapping. Several genes that limit meiotic recombination were identified in the model species Arabidopsis (2). Mutation of these genes in Arabidopsis induces a large increase in crossover frequency. However, it remained to be demonstrated whether crossovers could also be increased in crop species hybrids. Here, we explored the effects of mutating the orthologs of FANCM3, RECQ44 or FIGL15 on recombination in three distant crop species, rice (Oryza sativa), pea (Pisum sativum) and tomato (Solanum lycopersium). We found that the single recq4 mutation increases crossovers ~three-fold in these crops, suggesting that manipulating RECQ4 may be a universal tool for increasing recombination in plants. Enhanced recombination could be used in combination with other state-of-the-art technologies such as genomic selection, genome editing or speed breeding to enhance the pace and efficiency of plant improvement.

Abstract The afila ( af ) mutation of Pisum sativum L. (pea) is characterised by leaves that are composed of a basal pair of stipules, a petiole and a branched mass of tendrils. These are bipinnate leaves in which the leaflet primordia are replaced by midrib-like, or terminal tendril, primordia. The phenotype was first reported as a spontaneous mutation in 1953, and several reports of spontaneously occurring af mutants and induced mutations have been published since then. Despite its wide-scale introgression to improve standing ability in combine-harvested dry pea crops, the molecular basis of af has remained unknown. Here, we show that the deletion of two tandemly-arrayed Q-type Cys(2)His(2)-zinc finger transcription factors, viz. PsPALM1a and PsPALM1b , is responsible for the af phenotype. Based on molecular evidence for the presence/absence of seven consecutive pea genes, we identified eight haplotypes in the genomic region of chromosome 2 that harbours af . These haplotypes differ in the presence or absence of PsPALM1a-b and close genes and in the size of the deletion. Representative cultivars and spontaneous or induced mutants were assigned to the different haplotypes. The hitherto unrecognised diversity at the af locus reveals highly rich, unexplored, potential for pea improvement and sheds light on the breeding history of pea. This knowledge can also be used to breed innovative cultivars in related crops.