Environmental and physiological situations can challenge the balance between protein synthesis and folding capacity of the endoplasmic reticulum (ER) and cause ER stress, a potentially lethal condition. The unfolded protein response (UPR) restores ER homeostasis or actuates programmed cell death (PCD) when ER stress is unresolved. The cell fate determination mechanisms of the UPR are not well understood, especially in plants. Here, we integrate genetics and ER stress profiling with natural variation and quantitative trait locus analysis of 350 natural accessions of the model species Arabidopsis thaliana. Our analyses implicate a single nucleotide polymorphism to the loss of function of the general PCD regulator BON-ASSOCIATED PROTEIN2 (BAP2) in UPR outcomes. We establish that ER stress-induced BAP2 expression is antagonistically regulated by the UPR master regulator, inositol-requiring enzyme 1 (IRE1), and that BAP2 controls adaptive UPR amplitude in ER stress and ignites pro-death mechanisms in conditions of UPR insufficiency.

Abstract Water use efficiency (WUE) is the ratio of biomass gained per unit of water consumed; thus, it can be altered by genetic factors that affect either side of the ratio. In the present study, we exploited natural variation for WUE as an unbiased approach to discover loci affecting either biomass accumulation or water use as factors affecting WUE. Genome-wide association (GWAS) analysis using integrated WUE measured through carbon isotope discrimination (δ 13 C) of Arabidopsis thaliana accessions identified genomic regions associated with WUE. Reverse genetic analysis of 70 candidate genes selected based on the GWAS results and transcriptome data identified 25 genes affecting WUE as measured by gravimetric and δ 13 C analyses. Mutants of four genes had higher WUE than wild type, while mutants of the other 21 genes had lower WUE. The differences in WUE were caused by either altered biomass or water consumption (or both). Stomatal density was not a primary cause of altered WUE in these mutants. Leaf surface temperatures indicated that transpiration differed for mutants of 16 genes, but generally biomass accumulation had greater effect on WUE. The genes we identified are involved in diverse cellular processes including hormone and calcium signaling, meristematic activity, photosynthesis, flowering time, leaf/vasculature development, and cell wall composition; however, none of them had been previously linked to WUE or traits related to plant water relations. Thus, our study successfully identified new effectors of WUE that can be used to understand the genetic basis of WUE and improve crop productivity.

Salinity has a significant negative impact on the production of rice yield which will become severe due to recent climate changes. To cope with this increased soil salinity, we need to develop salt tolerant rice varieties that can maintaining higher yield. Rice landraces indigenous to the coastal region of Bangladesh can be a great resource to study the genetic basis of salt adaptation. In this study, we developed a reciprocal mapping population between a salt tolerant landrace Horkuch and a high yielding rice variety IR29. We applied a QTL analysis framework to identify genetic loci that contributes to salt adaptive responses for two different developmental stages of salinity treatment. We identified 14 QTL for 9 traits and found most QTL are unique to the specific developmental stage. Moreover, we discovered a significant effect of the cytoplasmic genome on the QTL model for some important traits such as leaf total potassium and filled grain number. This underscores the importance of considering cytoplasm-nuclear interaction for breeding programs. Along with that, we detected QTL co-localization for multiple traits that highlights the constraint of multiple QTL selection for breeding program. Overall, in this study we identified multiple QTL for different physiological and yield related traits for salinity treatment for two different developmental stages of the rice plant. We detected a significant contribution of cytoplasm-nuclear genome interaction for many traits. This study also suggests the selection constraint of donor alleles due to the presence of QTL co-localization.

Abstract Flowering time is crucial for wild plant populations to adapt to their local environments. Although the genetic basis of flowering variation has been studied in many plant species, its mechanisms in non-model organisms and its adaptive value in the field are still poorly understood. Here, we report new insights into the genetic basis of flowering time and its effect on fitness in Panicum hallii , a native perennial grass. We conducted genetic mapping in populations derived from representative inland and coastal ecotypes to identify flowering time QTL and loci exhibited extensive QTL-by-environment interactions. Patterns of segregation within recombinant hybrids provide strong support for directional selection driving ecotypic divergence in flowering time. A major QTL on chromosome 5 ( q-FT5 ) was detected in all experiments and is a key locus controlling flowering variation. Fine-mapping and expression studies identified a FLOWERING LOCUS T orthologue, FT-like 9 ( PhFTL9 ), as the candidate underlying q-FT5 . We used reciprocal transplant experiment to test for global local adaptation and the specific impact of q-FT5 on performance. We did not observe local adaptation in terms of fitness tradeoffs when contrasting ecotypes in home versus away habitats. However, we observed that the coastal allele of q-FT5 conferred a fitness advantage only in its local habitat but not at the inland site. Sequence analysis of the PhFTL9 promoter identified ecotypic specific cis -element variation associated with environmental responsiveness. Together, our findings demonstrate the genetic basis of flowering variation in a perennial grass and provide evidence for conditional neutrality underlying flowering divergence.

Abstract The morphological diversity of the inflorescence determines flower and seed production, which is critical for plant adaptation and fitness. Cytosine methylation is an epigenetic mark that contributes to gene expression regulation during inflorescence development. Panicum hallii is a wild perennial grass in the subfamily Panicoideae that has been developed as a model to study perennial grass biology and adaptive evolution. Highly divergent inflorescences have evolved between the two major ecotypes in P. hallii , the upland ecotype with compact inflorescence and large seed and the lowland ecotype with an open inflorescence and small seed. Here we performed a comparative transcriptome and DNA methylome analysis across different stages of inflorescence between these two divergent ecotypes of P. hallii . Global transcriptome analysis identified differentially expressed genes (DEGs) involved in panicle divergence, stage-specific expression, and co-expression modules underlying inflorescence development. Comparing DNA methylome profiles revealed a remarkable level of differential DNA methylation associated with the evolution of the P. hallii inflorescence. We found that most differentially methylated regions (DMRs) occurred within the flanking regulatory regions of genes, especially the promoter. Integrative analysis of DEGs and DMRs characterized the global features of DMR-associated DEGs in the divergence of P. hallii inflorescence, which includes homologs of important inflorescence and seed developmental genes that have been previously identified in domesticated crops. Evolutionary analysis measured by Ka / Ks ratio suggested that most DMR-associated DEGs are under relatively strong purifying selection. This study provides insights into the transcriptome and epigenetic landscape of inflorescence divergence in P. hallii and a novel genomic resource for perennial grass biology. One sentence summary: A comparative transcriptome and DNA methylome analysis of inflorescence between upland and lowland ecotypes reveal gene expression and DNA methylation variation underlying inflorescence divergence in Panicum hallii .

Abstract The evolution of gene expression is thought to be an important mechanism of local adaptation and ecological speciation. Gene expression divergence occurs through the evolution of cis-polymorphisms and through more widespread effects driven by trans-regulatory factors. Lovell et al. (2018) studied expression divergence between two ecotypes of Panicum hallii using expression quantitative trait loci (eQTL) analyses and discovered a pre-dominance of cis and several trans-regulatory divergences. Here, we explore expression and sequence divergence in a large sample of P. hallii accessions encompassing the species range using a reciprocal transplantation experiment. We observed widespread genotype and transplant site drivers of expression divergence, with a limited number of genes exhibited genotype-by-site interactions. We used a modified F st -Q st outlier approach ( Q PC analysis) to detect local adaptation. We identified 514 genes with constitutive expression divergence above and beyond the levels expected under neutral processes. However, no plastic expression responses met our multiple testing correction as Q PC outliers. Constitutive Q PC outlier genes were involved in a number of developmental processes and responses to abiotic environments. Leveraging the earlier eQTL results, we found a strong enrichment of expression divergence, including for Q PC outliers, in genes previously identified with cis and cis-drought interactions but found no patterns related to trans-factors. Population genetic analyses detected elevated sequence divergence (F ST , D XY ) of promoters and coding sequence of constitutive expression outliers, but little evidence for positive selection on these proteins. Our results are consistent with a hypothesis of cis-regulatory divergence as a primary driver of expression divergence in P. hallii .