Abstract Faba bean is a widely adapted and high-yielding legume cultivated for its protein-rich seeds 1 . However, the seeds accumulate the anti-nutritional pyrimidine glucosides vicine and convicine, which can cause haemolytic anaemia—favism—in the 400 million individuals genetically predisposed by a deficiency in glucose-6-phosphate dehydrogenase 2 . Here, we identify the first enzyme associated with vicine and convicine biosynthesis, which we name VC1. We show that VC1 co-locates with the major QTL for vicine and convicine content and that the expression of VC1 correlates highly with vicine content across tissues. We also show that low-vicine varieties express a version of VC1 carrying a small, frame-shift insertion, and that overexpression of wild-type VC1 leads to an increase in vicine levels. VC1 encodes a functional GTP cyclohydrolase II, an enzyme normally involved in riboflavin biosynthesis from the purine GTP. Through feeding studies, we demonstrate that GTP is a precursor of vicine both in faba bean and in the distantly related plant bitter gourd. Our results reveal an unexpected biosynthetic origin for vicine and convicine and pave the way for the development of faba bean cultivars that are free from these anti-nutrients, providing a safe and sustainable source of dietary protein.

Plants adapt to fluctuating environmental conditions by adjusting their metabolism and gene expression to maintain fitness

Abstract Increasing the proportion of locally produced plant protein in currently meat-rich diets could substantially reduce greenhouse gas emission and loss of biodiversity. However, plant protein production is hampered by the lack of a cool-season legume equivalent to soybean in agronomic value. Faba bean ( Vicia faba L.) has a high yield potential and is well-suited for cultivation in temperate regions, but genomic resources are scarce. Here, we report a high-quality chromosome-scale assembly of the faba bean genome and show that it has grown to a massive 13 Gb in size through an imbalance between the rates of amplification and elimination of retrotransposons and satellite repeats. Genes and recombination events are evenly dispersed across chromosomes and the gene space is remarkably compact considering the genome size, though with significant copy number variation driven by tandem duplication. Demonstrating practical application of the genome sequence, we develop a targeted genotyping assay and use high-resolution genome-wide association (GWA) analysis to dissect the genetic basis of hilum colour. The resources presented constitute a genomics-based breeding platform for faba bean, enabling breeders and geneticists to accelerate improvement of sustainable protein production across Mediterranean, subtropical, and northern temperate agro-ecological zones.

Abstract Rhizobial infection of legume roots during development of nitrogen fixing root nodules occurs either intracellularly though plant derived infection threads traversing the epidermal and cortical cell layers to deliver the bacteria or intercellularly via bacterial entry between epidermal plant cells. Although, around 25% of all legume genera are postulated to be intercellularly infected, the pathways and mechanisms supporting this process has remained virtually unexplored due to lack of genetically amenable legumes that have this infection mode. In this study, we report that the model legume Lotus japonicus is infected intercellularly by Rhizobium sp. IRBG74 and demonstrate that the resources available in Lotus enable insight into the genetic requirements and the fine-tuning of the pathway governing intercellular infection. Inoculation of Lotus mutants shows that Ern1 and RinRK1 are dispensable for intercellular infection in contrast to intracellular infection. Other symbiotic genes, including Nfr5, SymRK, CCaMK, Epr3, Cyclops, Nin, Nsp1, Nsp2, Cbs and Vpy1 are equally important for both entry modes. Comparative RNAseq analysis of roots inoculated with IRBG74 revealed a distinctive transcriptome response compared to intracellular colonization. In particular, a number of cytokinin-related genes were differentially regulated. Corroborating this observation cyp735A and ipt4 cytokinin biosynthesis mutants were significantly affected in their nodulation with IRBG74 while lhk1 cytokinin receptor mutants did not form any nodules. These results indicate that a differential requirement for cytokinin signalling conditions intercellular rhizobial entry and highlight the distinct modalities of the inter- and intra-cellular infection mechanisms.

Abstract Development of symbiotic root nodules is a cytokinin-dependent process that is critical to nitrogen acquisition in legumes. The extent and manner in which root nodules contribute to whole-plant cytokinin and nitrogen supply signalling is unknown. Using a combination of genetic, biochemical and physiological approaches, we characterised the role of cytokinin synthesis, export and perception in coordination of symbiotic nodule development and shoot growth in the legume Lotus japonicus . LjPup1 encodes a plasma membrane localised cytokinin exporter with isopentenyladenine (iP) and trans -Zeatin (tZ) export capacity. LjPup1 shows a distinct nodule-specific expression pattern with greatest transcript levels detected in mature nodules. Mutants accumulate more isopentenyladenine riboside (iPR) in nodule tissues and demonstrate hallmarks of reduced cytokinin signalling. Despite normal nodule numbers and function, shoot growth is markedly reduced in Ljpup1 mutants, as well as in mutants impaired in tZ biosynthesis. We found symbiotic root nodules contribute to shoot growth via export of active cytokinins. A cytokinin exporter in the purine permease family thus contributes to long-distance cytokinin homeostasis regulating plant development.

Abstract Legume-rhizobium signaling during establishment of symbiotic nitrogen fixation restricts rhizobium colonization to specific cells. A limited number of root hair cells allow infection threads to form, and only a fraction of the epidermal infection threads progress to cortical layers to establish functional nodules. Here we use single-cell analysis to define the epidermal and cortical cell populations that respond to and facilitate rhizobium infection. We then identify high-confidence nodulation gene candidates based on their specific expression in these populations, pinpointing genes stably associated with infection across genotypes and time points. We show that one of these, which we name SYMRKL1 , encodes a protein with an ectodomain predicted to be nearly identical to that of SYMRK and is required for normal infection thread formation. Our work disentangles cellular processes and transcriptional modules that were previously confounded due to lack of cellular resolution, providing a more detailed understanding of symbiotic interactions.