Abstract Plant phenological timings are major fitness components affected by multiple environmental cues; thus, phenological traits can have important genotype-by-environment interactions (GxE). We use a flexible, data-driven method to characterize GxE in the timing of vegetative growth (‘green-up’) and flowering across eight environments and in two highly divergent switchgrass ( Panicum virgatum ) populations. We classified polygenic GxE patterns as suggestive of modulation of genetic effects via weather-based cues—or other, unknown modulators. >26% of Gulf population SNPs affecting flowering had effects that covaried with photoperiodicity and >34% of Midwest upland population SNPs affecting flowering had effects that covaried with cumulative growing degree days. 76% of SNP effects on green-up showed antagonistic pleiotropy, a change in effect sign, between environments native to Gulf plants (Texas) and environments native to Midwest plants (North). In contrast, <2% of flowering effects showed antagonistic pleiotropy; the majority (>64%) showed no GxE. Top GxE-associated SNPs were highly enriched in the top associations from an independent pseudo-F2 cross of individuals from the same two populations. Breeding for particular alleles at GxE-associated loci could change flowering responsiveness to photoperiod cues in switchgrass. More broadly, this approach could be used to flexibly characterize patterns of GxE across species, populations and environments. Significance Statement The timing of plant seasonal development (phenology) has major impacts on fitness because of the negative consequences of plant-environment mismatches. Here we map the genetic basis of two phenological events, the start of above-ground growth and flowering, in two genetically and phenologically distinct populations of switchgrass. We do this at eight field locations spanning the latitudinal range of both populations. Our approach allows us to identify regions of the genome with effects that covary with weather-related environmental features at every location. For flowering, these features differed by population: the Midwest population had genetic effects that primarily covaried with cumulative growing degree days, a temperature-related measure, while the Gulf population had genetic effects that primarily covaried with photoperiod, a day-length-related measure.

Abstract Water use efficiency (WUE) is the ratio of biomass gained per unit of water consumed; thus, it can be altered by genetic factors that affect either side of the ratio. In the present study, we exploited natural variation for WUE as an unbiased approach to discover loci affecting either biomass accumulation or water use as factors affecting WUE. Genome-wide association (GWAS) analysis using integrated WUE measured through carbon isotope discrimination (δ 13 C) of Arabidopsis thaliana accessions identified genomic regions associated with WUE. Reverse genetic analysis of 70 candidate genes selected based on the GWAS results and transcriptome data identified 25 genes affecting WUE as measured by gravimetric and δ 13 C analyses. Mutants of four genes had higher WUE than wild type, while mutants of the other 21 genes had lower WUE. The differences in WUE were caused by either altered biomass or water consumption (or both). Stomatal density was not a primary cause of altered WUE in these mutants. Leaf surface temperatures indicated that transpiration differed for mutants of 16 genes, but generally biomass accumulation had greater effect on WUE. The genes we identified are involved in diverse cellular processes including hormone and calcium signaling, meristematic activity, photosynthesis, flowering time, leaf/vasculature development, and cell wall composition; however, none of them had been previously linked to WUE or traits related to plant water relations. Thus, our study successfully identified new effectors of WUE that can be used to understand the genetic basis of WUE and improve crop productivity.

Recent climate trends are driving rapid shifts in global precipitation patterns, leading to changes in soil water availability that can impact plant performance and distribution. Soil water availability is an especially important driver of contemporary evolution and ecotype formation in plant populations. In the process of ecotype formation, populations can diverge across many traits and exhibit different niche characteristics, which requires coordination between plant organ systems. For instance, although plant water loss is largely governed by shoot systems, root systems determine water access and constrain shoot water status. Understanding the genetic architecture of root traits and their relationship with shoot traits helps to develops a more complete picture of the adaptive differences that arise between ecotypes in response to changes in water availability. Panicum hallii is an emerging model system for C4 perennial grasses, including the important biofuel crop switchgrass (Panicum virgatum). Here, we produced an intercross between individuals of the xeric and mesic ecotypes of P. hallii, utilized a single seed decent method to generate a population of recombinant inbred lines (RIL) at the F7 generation and subsequently constructed a new genetic map based on whole genome re-sequencing. Utilizing extensive phenotyping of root and shoot traits and a quantitative genetic approach, we identified several genomic 'hotspots' which control suites of correlated root and shoot traits, thus indicating genetic coordination between plant organ systems in the process of ecotypic divergence. In addition, we found that genomic regions of colocalized QTL for the majority of shoot and root growth related traits were independent of colocalized QTL for shoot and root resource acquisition traits. Finally, we confirmed major finding from the greenhouse in a field setting.

Abstract Flowering time is crucial for wild plant populations to adapt to their local environments. Although the genetic basis of flowering variation has been studied in many plant species, its mechanisms in non-model organisms and its adaptive value in the field are still poorly understood. Here, we report new insights into the genetic basis of flowering time and its effect on fitness in Panicum hallii , a native perennial grass. We conducted genetic mapping in populations derived from representative inland and coastal ecotypes to identify flowering time QTL and loci exhibited extensive QTL-by-environment interactions. Patterns of segregation within recombinant hybrids provide strong support for directional selection driving ecotypic divergence in flowering time. A major QTL on chromosome 5 ( q-FT5 ) was detected in all experiments and is a key locus controlling flowering variation. Fine-mapping and expression studies identified a FLOWERING LOCUS T orthologue, FT-like 9 ( PhFTL9 ), as the candidate underlying q-FT5 . We used reciprocal transplant experiment to test for global local adaptation and the specific impact of q-FT5 on performance. We did not observe local adaptation in terms of fitness tradeoffs when contrasting ecotypes in home versus away habitats. However, we observed that the coastal allele of q-FT5 conferred a fitness advantage only in its local habitat but not at the inland site. Sequence analysis of the PhFTL9 promoter identified ecotypic specific cis -element variation associated with environmental responsiveness. Together, our findings demonstrate the genetic basis of flowering variation in a perennial grass and provide evidence for conditional neutrality underlying flowering divergence.

Understanding the factors that determine how well a particular population is adapted to its environment is a major goal of evolutionary biology. Plant populations often exhibit local adaptation ([Leimu & Fisher, 2008][1]; [Hereford, 2009][2]), in which genotypes in a particular area are more

Summary In widespread species, parasites can locally adapt to host populations, or hosts can locally adapt to resist parasites. Parasites with rapid life cycles locally adapt more quickly, but host diversity, selective pressure, and climatic factors impact coevolution. To better understand local adaptation in co-evolved host-parasite systems, we examined switchgrass ( Panicum virgatum ), and its leaf rust pathogen ( Puccinia novopanici ) across a latitudinal range in North America. We grew diverse switchgrass genotypes in ten replicated common gardens spanning 16.78° latitude for three years, measuring rust severity from natural infection. We conducted genome wide association mapping to identify genetic loci associated with rust severity. Genetically differentiated rust populations were locally adapted to northern and southern switchgrass, despite host local adaptation in the same regions. Rust resistance was highly polygenic, and distinct loci were associated with rust severity in the north and south. We narrowed a previously identified large-effect QTL for rust severity to a candidate YSL3 -like gene, and linked numerous other loci to immunity-related genes. Both hosts and parasites can be locally adapted when parasites have a lower impact on fitness than other local selection pressures. In switchgrass, our results suggest variation in fungal resistance mechanisms between locally adapted regions.

ABSTRACT A fundamental goal in plant microbiome research is to determine the relative impacts of host and environmental effects on root microbiota composition, particularly how host genotype impacts bacterial community composition. Most studies characterizing the effect of plant genotype on root microbiota undersample host genetic diversity and grow plants outside of their native ranges, making the associations between host and microbes difficult to interpret. Here we characterized the root microbiota of a large population of switchgrass, a North American native C4 bioenergy crop, in three field locations spanning its native range. Our data, composed of >2000 samples, suggest field location is the primary determinant of microbiome composition; however, substantial heritable variation is widespread across bacterial taxa, especially those in the Sphingomonadaceae family. Despite diverse compositions, we find that relatively few highly prevalent bacterial taxa make up the majority of the switchgrass root microbiota, a large fraction of which is shared across sites. Local genotypes preferentially recruit / filter for local microbes, supporting the idea of affinity between local plants and their microbiota. Using genome-wide association, we identified loci impacting the abundance of >400 microbial strains and found an enrichment of genes involved in immune responses, signaling pathways, and secondary metabolism. We found loci associated with over half of the core microbiota (i.e. microbes in >80% of samples) regardless of field location. Finally, we show a genetic relationship between a basal plant immunity pathway and relative abundances of root microbiota. This study brings us closer to harnessing and manipulating beneficial microbial associations via host genetics.

Abstract The evolution of gene expression is thought to be an important mechanism of local adaptation and ecological speciation. Gene expression divergence occurs through the evolution of cis-polymorphisms and through more widespread effects driven by trans-regulatory factors. Lovell et al. (2018) studied expression divergence between two ecotypes of Panicum hallii using expression quantitative trait loci (eQTL) analyses and discovered a pre-dominance of cis and several trans-regulatory divergences. Here, we explore expression and sequence divergence in a large sample of P. hallii accessions encompassing the species range using a reciprocal transplantation experiment. We observed widespread genotype and transplant site drivers of expression divergence, with a limited number of genes exhibited genotype-by-site interactions. We used a modified F st -Q st outlier approach ( Q PC analysis) to detect local adaptation. We identified 514 genes with constitutive expression divergence above and beyond the levels expected under neutral processes. However, no plastic expression responses met our multiple testing correction as Q PC outliers. Constitutive Q PC outlier genes were involved in a number of developmental processes and responses to abiotic environments. Leveraging the earlier eQTL results, we found a strong enrichment of expression divergence, including for Q PC outliers, in genes previously identified with cis and cis-drought interactions but found no patterns related to trans-factors. Population genetic analyses detected elevated sequence divergence (F ST , D XY ) of promoters and coding sequence of constitutive expression outliers, but little evidence for positive selection on these proteins. Our results are consistent with a hypothesis of cis-regulatory divergence as a primary driver of expression divergence in P. hallii .

Abstract The leaf economics spectrum (LES) is hypothesized to result from a trade-off between resource acquisition and conservation. Yet few studies have examined the evolutionary mechanisms behind the LES, perhaps because most species exhibit relatively specialized leaf economics strategies. In a genetic mapping population of the phenotypically diverse grass Panicum virgatum , we evaluate two interacting mechanisms that may drive LES evolution: 1) genetic architecture, where multiple traits are coded by the same gene (pleiotropy) or by genes in close physical proximity (linkage), and 2) correlational selection, where selection acts non-additively on combinations of multiple traits. We found evidence suggesting that shared genetic architecture (pleiotropy) controls covariation between two pairs of leaf economics traits. Additionally, at five common gardens spanning 17 degrees of latitude, correlational selection favored particular combinations of leaf economics traits. Together, these results demonstrate how the LES can evolve within species.