Abstract The availability of nitrogen varies greatly in the ocean and limits primary productivity over large areas. Diatoms, a group of phytoplankton that are responsible for about 20% of global carbon fixation, respond rapidly to influxes of nitrate and are highly successful in upwelling regions. Although recent diatom genome projects have highlighted clues to the success of this group, very little is known about their adaptive response to changing environmental conditions. Here, we compare the proteome of the marine diatom Thalassiosira pseudonana (CCMP 1335) at the onset of nitrogen starvation with that of nitrogen-replete cells using two-dimensional gel electrophoresis. In total, 3,310 protein spots were distinguishable, and we identified 42 proteins increasing and 23 decreasing in abundance (greater than 1.5-fold change; P < 0.005). Proteins involved in the metabolism of nitrogen, amino acids, proteins, and carbohydrates, photosynthesis, and chlorophyll biosynthesis were represented. Comparison of our proteomics data with the transcriptome response of this species under similar growth conditions showed good correlation and provided insight into different levels of response. The T. pseudonana response to nitrogen starvation was also compared with that of the higher plant Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), the green alga Chlamydomonas reinhardtii, and the cyanobacterium Prochlorococcus marinus. We have found that the response of diatom carbon metabolism to nitrogen starvation is different from that of other photosynthetic eukaryotes and bears closer resemblance to the response of cyanobacteria.

Plants benefit from associations with a diverse community of root-colonizing microbes. Deciphering the mechanisms underpinning these beneficial services are of interest for improving plant productivity. We report a plant-beneficial interaction between Arabidopsis thaliana and the root microbiota under iron deprivation that is dependent on the secretion of plant-derived coumarins. Disrupting this pathway alters the microbiota and impairs plant growth in iron-limiting soil. Furthermore, the microbiota improves iron-limiting plant performance via a mechanism dependent on plant iron import and secretion of the coumarin fraxetin. This beneficial trait is strain specific yet functionally redundant across phylogenetic lineages of the microbiota. Transcriptomic and elemental analyses revealed that this interaction between commensals and coumarins promotes growth by relieving iron starvation. These results show that coumarins improve plant performance by eliciting microbe-assisted iron nutrition. We propose that the bacterial root microbiota, stimulated by secreted coumarins, is an integral mediator of plant adaptation to iron-limiting soils.

Abstract The transcriptional regulators of arsenic-induced gene expression remain largely unknown. Sulfur assimilation is tightly linked with arsenic detoxification. Here we report that mutant alleles in the SLIM1 transcription factor are substantially more sensitive to arsenic than cadmium. Arsenic treatment caused high levels of oxidative stress in the slim1 mutants, and slim1 alleles were impaired in both thiol and sulfate accumulation. We further found enhanced arsenic accumulation in roots of slim1 mutants. Transcriptome analyses indicate an important role for SLIM1 in arsenic-induced tolerance mechanisms. The present study identifies the SLIM1 transcription factor as an essential component in arsenic tolerance and arsenic-induced gene expression. Our results suggest that the severe arsenic sensitivity of the slim1 mutants is caused by altered redox status.

Abstract Nitrogen (N) and phosphorus (P) are two essential plant macronutrients that can limit plant growth by different mechanisms. We aimed to shed light on how soybean respond to low nitrogen (LN), low phosphorus (LP) and their combined deficiency (LNP). Generally, these conditions triggered changes in gene expression of the same processes, including cell wall organization, defense response, response to oxidative stress, and photosynthesis, however, response was different in each condition. A typical primary response to LN and LP was detected also in soybean, i.e., the enhanced uptake of N and P, respectively, by upregulation of genes for the corresponding transporters. The regulation of genes involved in cell wall organization showed that in LP roots tended to produce more casparian strip, in LN more secondary wall biosynthesis occurred, and in LNP reduction in expression of genes involved in secondary wall production accompanied by cell wall loosening was observed. Flavonoid biosynthesis also showed distinct pattern of regulation in different conditions: more anthocyanin production in LP, and more isoflavonoid production in LN and LNP, which we confirmed also on the metabolite level. Interestingly, in soybean the nutrient deficiencies reduced defense response by lowering expression of genes involved in defense response, suggesting a role of N and P nutrition in plant disease resistance. In conclusion, we provide detailed information on how LN, LP, and LNP affect different processes in soybean roots on the molecular and physiological levels.

Abstract Leaves comprise multiple cell types but our knowledge of the patterns of gene expression that underpin their functional specialization is fragmentary. Our understanding and ability to undertake rational redesign of these cells is therefore limited. We aimed to identify genes associated with the incompletely understood bundle sheath of C 3 plants, which represents a key target associated with engineering traits such as C 4 photosynthesis into rice. To better understand veins, bundle sheath and mesophyll cells of rice we used laser capture microdissection followed by deep sequencing. Gene expression of the mesophyll is conditioned to allow coenzyme metabolism and redox homeostasis as well as photosynthesis. In contrast, the bundle sheath is specialized in water transport, sulphur assimilation and jasmonic acid biosynthesis. Despite the small chloroplast compartment of bundle sheath cells, substantial photosynthesis gene expression was detected. These patterns of gene expression were not associated with presence/absence of particular transcription factors in each cell type, but rather gradients in expression across the leaf. Comparative analysis with C 3 Arabidopsis identified a small gene-set preferentially expressed in bundle sheath cells of both species. This included genes encoding transcription factors from fourteen orthogroups, and proteins allowing water transport, sulphate assimilation and jasmonic acid synthesis. The most parsimonious explanation for our findings is that bundle sheath cells from the last common ancestor of rice and Arabidopsis was specialized in this manner, and since the species diverged these patterns of gene expression have been maintained. Significance statement The role of bundle sheath cells in C 4 species have been studied intensively but this is not the case in leaves that use the ancestral C 3 pathway. Here, we show that gene expression in the bundle sheath of rice is specialized to allow sulphate and nitrate reduction, water transport and jasmonate synthesis, and comparative analysis with Arabidopsis indicates ancient roles for bundle sheath cells in water transport, sulphur and jasmonate synthesis.

Phosphate represents a major limiting factor for plant productivity. Plants have evolved different solutions to adapt to phosphate limitation ranging from a profound tuning of their root system architecture and metabolic profile to the evolution of widespread mutualistic interactions, such as arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis. Here we elucidated plant responses and their genetic basis to different phosphate levels in a plant species that is widely used as a model for AM symbiosis: Lotus japonicus. Rather than focussing on a single model strain, we measured root growth and anion content in response to different levels of phosphate in 130 Lotus natural accessions. This allowed us not only to uncover common as well as divergent responses within this species, but also enabled Genome Wide Association Studies by which we identified new genes regulating phosphate homeostasis in Lotus. Under low phosphate conditions, we uncovered a correlation between plant biomass and the decrease of plant phosphate concentration in plant tissues, suggesting a dilution effect. Altogether our data of the genetic and phenotypic variation within a species capable of AM complements studies that have been conducted in Arabidopsis, and advances our understanding of the continuum of genotype by phosphate level interaction existing throughout dicot plants.

Glucosinolates are a fascinating class of specialised metabolites found in the plants of Brassicacea family. The variation in glucosinolate composition across different Arabidopsis ecotypes could be a result of allelic compositions at different biosynthetic loci. The contribution of methylthioalkylmalate synthase (MAM) genes to diversity of glucosinolate profiles across different Arabidopsis ecotypes has been confirmed by genetic analyses. Different MAM isoforms utilise different chain-elongated substrates for glucosinolate biosynthesis causing thus a variation in chain lengths across different Arabidopsis ecotypes. To further investigate the relationship between the genotype and the associated metabolic phenotype, we studied the diversity of genes and enzymes of glucosinolate biosynthesis. Using Shannon entropy as a measure we revealed that several genes of the pathway show a clear derivation from the expected behaviour, either accumulating non-synonymous SNPs or showing signs of purifying selection. We found that the genotype-phenotype relationship is much more complicated than inferred from the diversity of MAM synthases. We conclude therefore, that the ON/OFF feature of key QTLs is not enough to elucidate the diversity of glucosinolates across different Arabidopsis thaliana ecotypes and that glucosinolate profiles are determined also through the polymorphic residues along the coding regions of multiple metabolic genes.

Endophytic microorganisms represent promising solutions to environmental challenges inherent in conventional agricultural practices. This study concentrates on the identification of endophytic bacteria isolated from the root, stem, and leaf tissues of four Artemisia plant species. Sixty-one strains were isolated and sequenced by 16S rDNA. Sequencing revealed diverse genera among the isolated bacteria from different Artemisia species, including Bacillus, Pseudomonas, Enterobacter, and Lysinibacillus. AR11 and VR24 obtained from the roots of A. absinthium and A. vulgaris demonstrated significant inhibition on Fusarium c.f. oxysporum mycelial growth. In addition, AR11, AR32, and CR25 exhibited significant activity in phosphatase solubilization, nitrogen fixation, and indole production, highlighting their potential to facilitate plant growth. A comparative analysis of Artemisia species showed that root isolates from A. absinthium, A. campestris, and A. vulgaris have beneficial properties for inhibiting pathogen growth and enhancing plant growth. AR11 with 100% similarity to Bacillus thuringiensis, could be considered a promising candidate for further investigation as microbial biofertilizers. This finding highlights their potential as environmentally friendly alternatives to chemical pesticides, thereby contributing to sustainable crop protection practices.

Glutathione is considered a key metabolite for stress defense and elevated levels have frequently been proposed to positively influence stress tolerance. To investigate whether glutathione affects plant performance and the drought tolerance of plants, wild-type Arabidopsis plants and an allelic series of five mutants (rax1, pad2, cad2, nrc1, and zir1) with reduced glutathione contents between 21 and 63 % compared to wild-type glutathione content were phenotypically characterized for their shoot growth under control and water-limiting conditions using a shoot phenotyping platform. Under non-stress conditions the zir1 mutant with only 21 % glutathione showed a pronounced dwarf phenotype. All other mutants with intermediate glutathione contents up to 62 % in contrast showed consistently slightly smaller shoots than the wild-type. Moderate drought stress imposed through water withdrawal until shoot growth ceased showed that wild-type plants and all mutants responded similarly in terms of chlorophyll fluorescence and growth retardation. These results lead to the conclusion that glutathione is important for general plant performance but that the glutathione content does not affect tolerance to moderate drought conditions typically experienced by crops in the field.