Summary Sorghum ( Sorghum bicolor ) is gaining popularity as a sustainable energy crop due to its high biomass and potential for biofuel production. Some rare sorghum accessions develop many aerial roots that produce viscous carbohydrate-rich mucilage after rain. This aerial root mucilage is strikingly similar to that observed in specific landraces of maize ( Zea mays ) from southern Mexico, which have been previously shown to host nitrogen-fixing bacteria (diazotroph). The landraces displaying these traits can reduce nitrogen-based fertilizer input, mitigating their negative environmental impacts. In this study, we characterized the aerial root development of several sorghum accessions and successfully isolated more than 103 distinct diazotrophs from the sorghum mucilage. Using acetylene reduction and 15 N gas enrichment assays, we confirmed that sorghum plants acquire nitrogen from the atmosphere through the diazotrophic associations in the mucilage. This sorghum symbiotic relationships with diazotrophs offer a promising avenue for nitrogen fixation, potentially diminishing reliance on synthetic fertilizers and promoting sustainable agricultural practices.

ABSTRACT Aldoximes are amino acid derivatives that serve as intermediates for numerous specialized metabolites including cyanogenic glycosides, glucosinolates, and auxins. Aldoxime formation is mainly catalyzed by cytochrome P450 monooxygenases of the 79 family (CYP79s) that can have broad or narrow substrate specificity. Aldoxime biosynthesis in the cereal sorghum ( Sorghum bicolor ) is not well characterized. This study identified nine CYP79-encoding genes in the genome of sorghum. A phylogenetic analysis of CYP79 showed that SbCYP79A61 formed a subclade with maize ZmCYP79A61, previously characterized to be involved in aldoxime biosynthesis. Functional characterization of this sorghum enzyme using transient expression in Nicotiana benthamiana and stable overexpression in Arabidopsis thaliana revealed that SbCYP79A61 catalyzes the production of phenylacetaldoxime (PAOx) from phenylalanine, but unlike the maize enzyme, displays no detectable activity against tryptophan. Additionally, targeted metabolite analysis after stable isotope feeding assays revealed that PAOx can serve as a precursor of phenylacetic acid (PAA) in sorghum and identified benzyl cyanide as an intermediate of PAOx-derived PAA biosynthesis in both sorghum and maize. Taken together, our results demonstrate that SbCYP79A61 produces PAOx in sorghum and may serve in the biosynthesis of other nitrogen-containing phenylalanine-derived metabolites involved in mediating biotic and abiotic stresses. Highlight Identification of SbCYP79A61, an enzyme catalyzing the production of phenylacetaldoxime (PAOx) in sorghum, and identification of benzyl cyanide as an intermediate of PAOx-derived phenylacetic acid (PAA) biosynthesis in monocots.

Sorghum bicolor (L.) Moench is the fifth most important cereal crop and expected to gain prominence due to its versatility, low input requirements, and tolerance to hot and dry conditions. In warm and humid environments the productivity of sorghum is severely limited by the hemibiotrophic fungal pathogen Colletotrichum sublineola, the causal agent of anthracnose. Cultivating anthracnose-resistant accessions is the most effective ane environmentally benign way to safeguard yield. A previous genome-wide association study for anthracnose resistance in the sorghum association panel (SAP) uncovered single nucleotide polymorphisms on chromosome 5 associated with resistance to anthracnose, including one located within the coding region of gene Sobic.005G182400. In this study, we investigated the molecular function of Sobic.005G182400 in response to C. sublineola infection. Conserved domain, phylogenetic, and structural analyses revealed that the protein encoded by Sobic.005G182400 shares significant structural similarity with the Arabidopsis BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1-ASSOCIATED RECEPTOR KINASE 1 (BAK1) / SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR-LIKE KINASE 4 (SERK4). Even though sequence analysis of four sorghum accessions showed no substantial variation in the coding region, accession SC1330, which carries the resistance allele, exhibited significantly higher expression of Sobic.005G182400 during early infection (≤24 hours). Co-expression network analysis identified the module associated with Sobic.005G182400 was enriched in genes involved in endocytosis, autophagy, and vesicle transport. Gene regulatory network analysis further suggested that Sobic.005G182400 regulates genes required for BAK1/SERK4-mediated cell death via protein glycosylation. Together, these findings indicate that Sobic.005G182400 encodes a protein with similarity to Arabidopsis BAK1/SERK4 that enables PAMP-triggered immunity and regulates cell death.