Genome structure variation, including copy number variation and presence/absence variation, comprises a large extent of maize genetic diversity; however, its effect on phenotypes remains largely unexplored. Here, we describe how copy number variation underlies a rare allele that contributes to maize aluminum (Al) tolerance. Al toxicity is the primary limitation for crop production on acid soils, which make up 50% of the world's potentially arable lands. In a recombinant inbred line mapping population, copy number variation of the Al tolerance gene multidrug and toxic compound extrusion 1 (MATE1) is the basis for the quantitative trait locus of largest effect on phenotypic variation. This expansion in MATE1 copy number is associated with higher MATE1 expression, which in turn results in superior Al tolerance. The three MATE1 copies are identical and are part of a tandem triplication. Only three maize inbred lines carrying the three-copy allele were identified from maize and teosinte diversity panels, indicating that copy number variation for MATE1 is a rare, and quite likely recent, event. These maize lines with higher MATE1 copy number are also Al-tolerant, have high MATE1 expression, and originate from regions of highly acidic soils. Our findings show a role for copy number variation in the adaptation of maize to acidic soils in the tropics and suggest that genome structural changes may be a rapid evolutionary response to new environments.

Abstract Low pH, aluminum (Al) toxicity, and low phosphorus (P) often coexist and are heterogeneously distributed in acid soils. To date, the underlying mechanisms of crop adaptation to these multiple factors on acid soils remain poorly understood. In this study, we found that P addition to acid soils could stimulate Al tolerance, especially for the P-efficient genotype HN89. Subsequent hydroponic studies demonstrated that solution pH, Al, and P levels coordinately altered soybean (Glycine max) root growth and malate exudation. Interestingly, HN89 released more malate under conditions mimicking acid soils (low pH, +P, and +Al), suggesting that root malate exudation might be critical for soybean adaptation to both Al toxicity and P deficiency on acid soils. GmALMT1, a soybean malate transporter gene, was cloned from the Al-treated root tips of HN89. Like root malate exudation, GmALMT1 expression was also pH dependent, being suppressed by low pH but enhanced by Al plus P addition in roots of HN89. Quantitative real-time PCR, transient expression of a GmALMT1-yellow fluorescent protein chimera in Arabidopsis protoplasts, and electrophysiological analysis of Xenopus laevis oocytes expressing GmALMT1 demonstrated that GmALMT1 encodes a root cell plasma membrane transporter that mediates malate efflux in an extracellular pH-dependent and Al-independent manner. Overexpression of GmALMT1 in transgenic Arabidopsis, as well as overexpression and knockdown of GmALMT1 in transgenic soybean hairy roots, indicated that GmALMT1-mediated root malate efflux does underlie soybean Al tolerance. Taken together, our results suggest that malate exudation is an important component of soybean adaptation to acid soils and is coordinately regulated by three factors, pH, Al, and P, through the regulation of GmALMT1 expression and GmALMT1 function.

Abstract When eukaryotic cells are killed by pathogenic microorganisms, damage-associated and pathogen-associated signals are generated that alert other cells of nearby danger. Bacteria can detect the death of their kin; however, how bacteria make threat assessments of cellular injury is largely unexplored. Here we show that polyamines released by lysed bacteria serve as damage-associated molecules in Pseudomonas aeruginosa . In response to exogenous polyamines, Gac/Rsm and cyclic-di-GMP signaling is activated and intracellular polyamine levels increase. In the absence of a threat, polyamines are catabolized, and intracellular polyamines return to basal levels, but cells infected by bacteriophage increase and maintain intracellular polyamine levels, which inhibits phage replication. Phage species not inhibited by polyamines did not trigger polyamine accumulation by P. aeruginosa , suggesting polyamine accumulation and metabolism are targets in the phage-host arms-race. Our results suggest that like eukaryotic cells, bacteria can differentiate damage-associated and pathogen-associated signals to make threat assessments of cellular injury. Abstract Figure