Ray Ming, Robert Paull, Qingyi Yu and colleagues report the genome sequences of two cultivated pineapple varieties and one wild pineapple relative. Their analysis supports the use of the pineapple as a reference genome for monocot comparative genomics and provides insight into the evolution of crassulacean acid metabolism photosynthesis. Pineapple (Ananas comosus (L.) Merr.) is the most economically valuable crop possessing crassulacean acid metabolism (CAM), a photosynthetic carbon assimilation pathway with high water-use efficiency, and the second most important tropical fruit. We sequenced the genomes of pineapple varieties F153 and MD2 and a wild pineapple relative, Ananas bracteatus accession CB5. The pineapple genome has one fewer ancient whole-genome duplication event than sequenced grass genomes and a conserved karyotype with seven chromosomes from before the ρ duplication event. The pineapple lineage has transitioned from C3 photosynthesis to CAM, with CAM-related genes exhibiting a diel expression pattern in photosynthetic tissues. CAM pathway genes were enriched with cis-regulatory elements associated with the regulation of circadian clock genes, providing the first cis-regulatory link between CAM and circadian clock regulation. Pineapple CAM photosynthesis evolved by the reconfiguration of pathways in C3 plants, through the regulatory neofunctionalization of preexisting genes and not through the acquisition of neofunctionalized genes via whole-genome or tandem gene duplication.

Given the need to predict the outcomes of (co)evolution in host-associated microbiomes, whether microbial and host fitnesses tend to trade off, generating conflict, remains a pressing question. Examining the relationships between host and microbe fitness proxies at both the phenotypic and genomic levels can illuminate the mechanisms underlying interspecies cooperation and conflict. We examined naturally-occurring genetic variation in 191 strains of the model microbial symbiont, Ensifer meliloti , paired with each of two host Medicago truncatula genotypes in single- or multi-strain experiments to determine how multiple proxies of microbial and host fitness were related to one another and test key predictions about mutualism evolution at the genomic scale, while also addressing the challenge of measuring microbial fitness. We found little evidence for interspecies fitness conflict; loci tended to have concordant effects on both microbe and host fitnesses, even in environments with multiple co-occurring strains. Our results emphasize the importance of quantifying microbial relative fitness for understanding microbiome evolution and thus harnessing microbiomes to improve host fitness. Additionally, we find that mutualistic coevolution between hosts and microbes acts to maintain, rather than erode, genetic diversity, potentially explaining why variation in mutualism traits persists in nature.

ABSTRACT A goal of modern biology is to develop the genotype-phenotype (G→P) map, a predictive understanding of how genomic information generates trait variation that forms the basis of both natural and managed communities. As microbiome research advances, however, it has become clear that many of these traits are symbiotic extended phenotypes, being governed by genetic variation encoded not only by the host’s own genome, but also by the genomes of myriad cryptic symbionts. Building a reliable G→P map therefore requires accounting for the multitude of interacting genes and even genomes involved in symbiosis. Here we use naturally-occurring genetic variation in 191 strains of the model microbial symbiont Sinorhizobium meliloti paired with two genotypes of the host Medicago truncatula in four genome-wide association studies to study the genomic architecture of a key symbiotic extended phenotype – partner quality, or the fitness benefit conferred to a host by a particular symbiont genotype, within and across environmental contexts and host genotypes. We define three novel categories of loci in rhizobium genomes that must be accounted for if we want to build a reliable G→P map of partner quality; namely, 1) loci whose identities depend on the environment, 2) those that depend on the host genotype with which rhizobia interact, and 3) universal loci that are likely important in all or most environments. IMPORTANCE Given the rapid rise of research on how microbiomes can be harnessed to improve host health, understanding the contribution of microbial genetic variation to host phenotypic variation is pressing, and will better enable us to predict the evolution of (and select more precisely for) symbiotic extended phenotypes that impact host health. We uncover extensive context-dependency in both the identity and functions of symbiont loci that control host growth, which makes predicting the genes and pathways important for determining symbiotic outcomes under different conditions more challenging. Despite this context-dependency, we also resolve a core set of universal loci that are likely important in all or most environments, and thus, serve as excellent targets both for genetic engineering and future coevolutionary studies of symbiosis.

Abstract Coevolution is predicted to depend on how the genetic diversity of interacting species is geographically structured. Plant-microbe symbioses such as the legume-rhizobium mutualism are ecologically and economically important, but distinct life history and dispersal mechanisms for these host and microbial partners, plus dynamic genome composition in bacteria, present challenges for understanding spatial genetic processes in these systems. Here we study the model rhizobium Ensifer meliloti using a hierarchically-structured sample of 191 strains from 21 sites in the native range and compare its population structure to that of its host plant Medicago truncatula . We find high local genomic variation and minimal isolation by distance across the rhizobium genome, particularly at the two symbiosis elements pSymA and pSymB, which have evolutionary histories and population structures that are similar to each other but distinct from both the chromosome and the host. While the chromosome displays weak isolation by distance, it is uncorrelated with hosts. Patterns of discordant population structure among elements with the bacterial genome has implications for bacterial adaptation to life in the soil versus symbiosis, while discordant population genetic structure of hosts and microbes might restrict local adaptation of species to each other and give rise to phenotypic mismatches in coevolutionary traits.

Abstract Free-air CO 2 enrichment (FACE) experiments have elucidated how climate change affects plant physiology and production. However, we lack a predictive understanding of how climate change alters interactions between plants and endophytes, critical microbial mediators of plant physiology and ecology. We leveraged the SoyFACE facility to examine how elevated [CO 2 ] affected soybean ( Glycine max) leaf endophyte communities in the field. Endophyte community composition changed under elevated [CO 2 ], including a decrease in the abundance of a common endophyte, Methylobacterium sp. Moreover, Methylobacterium abundance was negatively correlated with co-occurring fungal endophytes. We then assessed how Methylobacterium affected the growth of co-occurring endophytic fungi in vitro . Methylobacterium antagonized most co-occurring fungal endophytes in vitro , particularly when it was more established in culture before fungal introduction. Variation in fungal response to Methylobacterium within a single fungal operational taxonomic unit (OTU) was comparable to inter-OTU variation. Finally, fungi isolated from elevated vs. ambient [CO 2 ] plots differed in colony growth and response to Methylobacterium , suggesting that increasing [CO 2 ] may affect fungal traits and interactions within the microbiome. By combining in situ and in vitro studies, we show that elevated [CO 2 ] decreases the abundance of a common bacterial endophyte that interacts strongly with co-occurring fungal endophytes. We suggest that endophyte responses to global climate change will have important but largely unexplored implications for both agricultural and natural systems.

Mutualisms are interspecific interactions affecting the ecology and evolution of species. Patterns of geographic variation in interacting species may play an important role in understanding how variation is maintained in mutualisms, particularly in introduced ranges. One agriculturally and ecologically important mutualism is the partnership between legume plants and rhizobia. Through characterizing and comparing the population genomic structure of the legume Medicago lupulina and two rhizobial species (Ensifer medicae and E. meliloti), we explored the spatial scale of population differentiation between interacting partners in their introduced range in North America. We found high proportions of E. meliloti in southeastern populations and high proportions of E. medicae in northwestern populations. Medicago lupulina and the Ensifer genus showed similar patterns of spatial genetic structure (isolation by distance). However, we detected no evidence of isolation by distance or population structure within either species of bacteria. Genome-wide nucleotide diversity within each of the two Ensifer species was low, suggesting limited introduction of strains, founder events, or severe bottlenecks. Our results suggest that there is potential for geographically structured coevolution between M. lupulina and the Ensifer genus, but not between M. lupulina and either Ensifer species.

The ecologically and economically vital symbiosis between nitrogen-fixing rhizobia and leguminous plants is often thought of as a bi-partite interaction, yet studies increasingly show the prevalence of non-rhizobia endophytes (NREs) that occupy nodules alongside rhizobia. Yet, what impact these NREs have on the symbiosis remains unclear. Here, we investigated four NRE strains found to naturally co-occupy nodules with the rhizobium Sinorhizobium meliloti in native soils of the legume Medicago truncatula. Our objectives were to (1) obtain a taxonomic assignment of the NREs, (2) examine the direct and indirect effects of NREs on M. truncatula and S. meliloti fitness, and (3), determine whether NREs can re-colonize root and nodule tissues upon reinoculation. We identified two NRE strains (522 and 717A) as novel Paenibacillus species and the other two (702A and 733B) as novel Pseudomonas species. Additionally, we found that two NREs (Paenibacillus 717A and Pseudomonas 733B) reduced the fitness benefits obtained from symbiosis for both partners, while the other two (522, 702A) had little effect. Lastly, we found that NREs were able to co-infect host tissues alongside S. meliloti. This study demonstrates that variation of NREs present in natural populations must be considered to better understand legume-rhizobium dynamics in soil communities.

Abstract Plants due to their non-motile nature rely heavily on mutualistic interactions to obtain resources and carry out services. One key mutualism is the plant-microbial mutualism in which a plant trades away carbon to a microbial partner for nutrients like nitrogen and phosphorous. Plants show much variation in the use of this partnership from the individual level to entire lineages depending upon ecological, evolutionary, and environmental context. We sought to determine how this context dependency could result in the promotion, exclusion, or coexistence of the microbial mutualism by seeing if and when the partnership provided a competitive advantage to the plant. To that end, we created a simple 2 × 2 evolutionary game in which plants could either be a mutualist and pair with a microbe or a non-mutualist and forgo the partnership. This model included nutrients freely available to the plant, nutrients obtained only through mutualism with microbes, the cost of producing roots, the cost of trade with microbes, and the size of the local competitive neighborhood. Not surprisingly, we found that mutualism could offer a competitive advantage if its net benefit was positive. Coexistence between strategies is possible though due to competition between mutualists over the microbially obtained nutrient. In addition, the greater the size of the local competitive neighborhood, the greater the region of coexistence but only at the expense of mutualist fixation (non-mutualist fixation was unaffected). Our model, though simple, shows that plants can gain a competitive advantage from using a mutualism depending upon the context and points to basic experiments that can be done to verify the results.