ABSTRACT Plants are in constant contact with a community of soil biota that contains fungi ranging from pathogenic to symbiotic. A few studies have demonstrated a critical role of chemical communication in establishing highly specialized relationships, but the general role for root exudates in structuring the soil fungal community is poorly described. This study demonstrates that two model plant species ( Arabidopsis thaliana and Medicago truncatula ) are able to maintain resident soil fungal populations but unable to maintain nonresident soil fungal populations. This is mediated largely through root exudates: the effects of adding in vitro-generated root exudates to the soil fungal community were qualitatively and quantitatively similar to the results observed for plants grown in those same soils. This effect is observed for total fungal biomass, phylotype diversity, and overall community similarity to the starting community. Nonresident plants and root exudates influenced the fungal community by both positively and negatively impacting the relative abundance of individual phylotypes. A net increase in fungal biomass was observed when nonresident root exudates were added to resident plant treatments, suggesting that increases in specific carbon substrates and/or signaling compounds support an increased soil fungal population load. This study establishes root exudates as a mechanism through which a plant is able to regulate soil fungal community composition.

Abstract The fate of new mitochondrial and plastid mutations depends on their ability to persist and spread among the numerous organellar genome copies within a cell (heteroplasmy). The extent to which heteroplasmies are transmitted across generations or eliminated through genetic bottlenecks is not well understood in plants, in part because their low mutation rates make these variants so infrequent. Disruption of MutS Homolog 1 ( MSH1 ), a gene involved in plant organellar DNA repair, results in numerous de novo point mutations, which we used to quantitatively track the inheritance of single nucleotide variants in mitochondrial and plastid genomes in Arabidopsis. We found that heteroplasmic sorting (the fixation or loss of a variant) was rapid for both organelles, greatly exceeding rates observed in animals. In msh1 mutants, plastid variants sorted faster than those in mitochondria and were typically fixed or lost within a single generation. Effective transmission bottleneck sizes for plastids and mitochondria were N ≈ 1 and 4, respectively. Restoring MSH1 function further increased the rate of heteroplasmic sorting in mitochondria ( N ≈ 1.3), potentially due to its hypothesized role in promoting gene conversion as a mechanism of DNA repair, which is expected to homogenize genome copies within a cell. Heteroplasmic sorting also favored GC base pairs. Therefore, recombinational repair and gene conversion in plant organellar genomes can potentially accelerate the elimination of heteroplasmies and bias the outcome of this sorting process. Significance statement Mitochondria and plastids play essential roles in eukaryotic life; thus, mutations in these organellar genomes can have severe consequences. In animals, early germline sequestration creates genetic “bottlenecks” providing cell-to-cell variance in mitochondrial mutations upon which selection can act. However, the dynamics of organellar mutations in plants and other organisms that lack early germline segregation remain unclear. Here, we show that sorting of mutations in plant organellar genomes proceeds very rapidly – much faster than in animals. In mitochondria, this process is accelerated by MSH1, a gene involved in recombination and repair of organellar genomes. This suggests that in plants, recombinational repair creates cell-to-cell variance in the frequency of organellar mutations, facilitating selection in the absence of a classical germline bottleneck.

The number of tRNAs encoded in plant mitochondrial genomes varies considerably. Ongoing loss of bacterial-like mitochondrial tRNA genes in many lineages necessitates the import of nuclear-encoded eukaryotic counterparts that share little sequence similarity. Because tRNAs are involved in highly specific molecular interactions, this replacement process raises questions about the identity and trafficking of enzymes necessary for the maturation and function of newly imported tRNAs. In particular, the aminoacyl-tRNA synthetases (aaRSs) that charge tRNAs are usually divided into distinct classes that specialize on either organellar (mitochondrial and plastid) or cytosolic tRNAs. Here, we investigate the evolution of aaRS subcellular localization in a plant lineage ( Sileneae ) that has experienced extensive and rapid mitochondrial tRNA loss. By analyzing full-length mRNA transcripts (PacBio Iso-Seq), we found the predicted retargeting of many ancestrally cytosolic aaRSs to the mitochondrion and confirmed these results with colocalization microscopy assays. However, we also found cases where aaRS localization does not appear to change despite functional tRNA replacement, suggesting evolution of novel interactions and charging relationships. Therefore, the history of repeated tRNA replacement in Sileneae mitochondria reveals that differing constraints on tRNA/aaRS interactions may determine which of these alternative coevolutionary paths is used to maintain organellar translation in plant cells.

Abstract The angiosperm genus Silene is a model system for several traits of ecological and evolutionary significance in plants, including breeding system and sex chromosome evolution, host-pathogen interactions, invasive species biology, heavy metal tolerance, and cytonuclear interactions. Despite its importance, genomic resources for this large genus of approximately 850 species are scarce, with only one published whole-genome sequence (from the dioecious species S. latifolia ). Here, we provide genomic and transcriptomic resources for a hermaphroditic representative of this genus ( S. noctiflora ), including a PacBio Iso-Seq transcriptome, which uses long-read, single-molecule sequencing technology to analyze full-length mRNA transcripts and identify paralogous genes and alternatively spliced genes. Using these data, we have assembled and annotated high-quality full-length cDNA sequences for approximately 17,000 S. noctiflora genes and 27,000 isoforms. We demonstrated the utility of these data to distinguish between recent and highly similar gene duplicates by identifying novel paralogous genes in an essential protease complex. Further, we provide a draft assembly for the approximately 2.7-Gb genome of this species, which is near the upper range of genome-size values reported for diploids in this genus and three-fold larger than the 0.9-Gb genome of S. conica , another species in the same subgenus. Karyotyping confirmed that S. noctiflora is a diploid, indicating that its large genome size is not due to polyploidization. These resources should facilitate further study and development of this genus as a model in plant ecology and evolution.

Abstract Organelle DNA (oDNA) in mitochondria and plastids is vital for plant (and eukaryotic) life. Selection against damaged oDNA is mediated in part by segregation – the sorting of different oDNA types into different cells in the germline. Plants segregate oDNA very rapidly, with oDNA recombination protein MutS Homolog 1 (MSH1), a key driver of this segregation, but in contrast to mammals, we have very limited knowledge of the dynamics of this segregation within plants and between generations. Here, we combine stochastic modelling with tissue-specific heteroplasmy measurements to reveal the trajectories of oDNA segregation in Arabidopsis thaliana development and reproduction. We obtain and use new experimental observations of oDNA through development to confirm and refine the predictions of the theory inferred from existing measurements. Ongoing segregation proceeds gradually but continually during plant development, with a more rapid increase between inflorescence formation and the establishment of the next generation. When MSH1 is compromised, we show that the majority of observed segregation could be achieved through partitioning at cell divisions. When MSH1 is functional, mtDNA segregation is far more rapid than can be achieved through cell divisions; we show that increased oDNA gene conversion is a plausible mechanism quantitatively explaining this acceleration. We also discuss the support for different models of the plant germline provided by these observations.

ABSTRACT Although plant mitochondrial genomes typically show low rates of sequence evolution, levels of divergence in certain angiosperm lineages suggest anomalously high mitochondrial mutation rates. However, de novo mutations have never been directly analyzed in such lineages. Recent advances in high-fidelity DNA sequencing technologies have enabled detection of mitochondrial mutations when still present at low heteroplasmic frequencies. To date, these approaches have only been performed on a single plant species ( Arabidopsis thaliana ). Here, we apply a high-fidelity technique (Duplex Sequencing) to multiple angiosperms from the genus Silene , which exhibits extreme heterogeneity in rates of mitochondrial sequence evolution among close relatives. Consistent with phylogenetic evidence, we found that S. latifolia maintains low mitochondrial variant frequencies that are comparable to previous measurements in Arabidopsis. Silene noctiflora also exhibited low variant frequencies despite high levels of historical sequence divergence, which supports other lines of evidence that this species has reverted to lower mitochondrial mutation rates after a past episode of acceleration. In contrast, S. conica showed much higher variant frequencies in mitochondrial (but not in plastid) DNA, consistent with an ongoing bout of elevated mitochondrial mutation rates. Moreover, we found an altered mutational spectrum in S. conica heavily biased towards AT➔GC transitions. We also observed an unusually low number of mitochondrial genome copies per cell in S. conica , potentially pointing to reduced opportunities for homologous recombination to accurately repair mismatches in this species. Overall, these results suggest that historical fluctuations in mutation rates are driving extreme variation in rates of plant mitochondrial sequence evolution.

Abstract The large number of species on our planet arises from the phenotypic variation and reproductive isolation occurring at the population level. In this study, we sought to understand the origins of such population-level variation in defensive acylsugar chemistry and mating systems in Solanum habrochaites – a wild tomato species found in diverse Andean habitats in Ecuador and Peru. Using Restriction-Associated-Digestion Sequencing (RAD-seq) of 50 S. habrochaites accessions, we identified eight population clusters generated via isolation and hybridization dynamics of 4-6 ancestral populations. Estimation of heterozygosity, fixation index, isolation by distance, and migration probabilities, allowed identification of multiple barriers to gene flow leading to the establishment of extant populations. One major barrier is the Amotape-Huancabamba Zone (AHZ) – a geographical feature in the Andes with high endemism, where the mountainous range breaks up into isolated microhabitats. The AHZ was associated with emergence of alleles for novel reproductive and acylsugar phenotypes. These alleles led to the evolution of self-compatibility in the northern populations, where alleles for novel defense-related enzyme variants were also found to be fixed. We identified geographical distance as a major force causing population differentiation in the central/southern part of the range, where S. habrochaites was also inferred to have originated. Findings presented here highlight the role of the diverse ecogeography of Peru and Ecuador in generating new, reproductively isolated populations, and enhance our understanding of the microevolutionary processes that lay a path to speciation.

Mitochondrial and plastid genomes in land plants exhibit some of the slowest rates of sequence evolution observed in any eukaryotic genome, suggesting an exceptional ability to prevent or correct mutations. However, the mechanisms responsible for this extreme fidelity remain unclear. We tested seven candidate genes involved in cytoplasmic DNA replication, recombination, and repair (POLIA, POLIB, MSH1, RECA3, UNG, FPG, and OGG1) for effects on mutation rates in the model angiosperm Arabidopsis thaliana by applying a highly accurate DNA sequencing technique (duplex sequencing) that can detect newly arisen mitochondrial and plastid mutations still at low heteroplasmic frequencies. We find that disrupting MSH1 (but not the other candidate genes) leads to massive increases in the frequency of point mutations and small indels and changes to the mutation spectrum in mitochondrial and plastid DNA. We also used droplet digital PCR to show transmission of de novo heteroplasmies across generations in msh1 mutants, confirming a contribution to heritable mutation rates. This dual-targeted gene is part of an enigmatic lineage within the mutS mismatch repair family that we find is also present outside of green plants in multiple eukaryotic groups (stramenopiles, alveolates, haptophytes, and cryptomonads), as well as certain bacteria and viruses. MSH1 has previously been shown to limit ectopic recombination in plant cytoplasmic genomes. Our results point to a broader role in recognition and correction of errors in plant mitochondrial and plastid DNA sequence, leading to greatly suppressed mutation rates perhaps via initiation of double-stranded breaks and repair pathways based on faithful homologous recombination.

Unilateral incompatibility (UI) is an asymmetric reproductive barrier that unidirectionally prevents gene flow between species and/or populations. UI is characterized by a compatible interaction between partners in one direction, but in the reciprocal cross fertilization fails, generally due to pollen tube rejection by the pistil. Although UI has long been observed in crosses between different species, the underlying molecular mechanisms are only beginning to be characterized. The wild tomato relative Solanum habrochaites provides a unique study system to investigate the molecular basis of this reproductive barrier, as populations within the species exhibit both interspecific and interpopulation UI. Here we used a transcriptomic approach to identify genes in both pollen and pistil tissues that may be probable key players in UI. We confirmed UI at the pollen-pistil level between a self-incompatible population and a self-compatible population of S. habrochaites. A comparison of gene expression between pollinated styles exhibiting the incompatibility response and unpollinated controls revealed only a small number of differentially expressed transcripts. Many more differences in transcript profiles were identified between UI-competent versus UI-compromised reproductive tissues. A number of intriguing candidate genes were highly differentially expressed, including a putative pollen arabinogalactan protein, a stylar Kunitz family protease inhibitor, and a stylar peptide hormone Rapid Alkalinization Factor. These results also provide transcriptomic evidence that fundamental processes including reactive oxygen species signaling are likely key in UI pollen-pistil interactions between both populations and species. Our analyses highlighted specific genes, including those in ROS signaling pathways that warrant further study in investigations of UI. To our knowledge, this is the first report to identify candidate genes involved in unilateral barriers between populations of the same species.

The angiosperm genus Silene has been the subject of extensive study in the field of ecology and evolution, but the availability of high-quality reference genome sequences has been limited for this group. Here, we report a chromosome-level assembly for the genome of Silene conica based on PacBio HiFi, Hi-C and Bionano technologies. The assembly produced 10 scaffolds (one per chromosome) with a total length of 862 Mb and only ~1% gap content. These results confirm previous observations that S. conica and its relatives have a reduced base chromosome number relative to the genus9s ancestral state of 12. Silene conica has an exceptionally large mitochondrial genome (>11 Mb), predominantly consisting of sequence of unknown origins. Analysis of shared sequence content suggests that it is unlikely that transfer of nuclear DNA is the primary driver of this mitochondrial genome expansion. More generally, this assembly should provide a valuable resource for future genomic studies in Silene, including comparative analyses with related species that recently evolved sex chromosomes.