In the Gramineae, the cyclic hydroxamic acids 2,4-dihydroxy-1,4-benzoxazin-3-one (DIBOA) and 2,4-dihydroxy-7-methoxy-1,4-benzoxazin-3-one (DIMBOA) form part of the defense against insects and microbial pathogens. Five genes, Bx1 through Bx5 , are required for DIBOA biosynthesis in maize. The functions of these five genes, clustered on chromosome 4, were demonstrated in vitro. Bx1 encodes a tryptophan synthase α homolog that catalyzes the formation of indole for the production of secondary metabolites rather than tryptophan, thereby defining the branch point from primary to secondary metabolism. Bx2 through Bx5 encode cytochrome P450–dependent monooxygenases that catalyze four consecutive hydroxylations and one ring expansion to form the highly oxidized DIBOA.

Flowering time is a fundamental trait of maize adaptation to different agricultural environments. Although a large body of information is available on the map position of quantitative trait loci for flowering time, little is known about the molecular basis of quantitative trait loci. Through positional cloning and association mapping, we resolved the major flowering-time quantitative trait locus, Vegetative to generative transition 1 ( Vgt1 ), to an ≈2-kb noncoding region positioned 70 kb upstream of an Ap2 -like transcription factor that we have shown to be involved in flowering-time control. Vgt1 functions as a cis-acting regulatory element as indicated by the correlation of the Vgt1 alleles with the transcript expression levels of the downstream gene. Additionally, within Vgt1 , we identified evolutionarily conserved noncoding sequences across the maize–sorghum–rice lineages. Our results support the notion that changes in distant cis-acting regulatory regions are a key component of plant genetic adaptation throughout breeding and evolution.

The Anther ear1 (An1) gene product is involved in the synthesis of ent-kaurene, the first tetracyclic intermediate in the gibberellin (GA) biosynthetic pathway. Mutations causing the loss of An1 function result in a GA-responsive phenotype that includes reduced plant height, delayed maturity, and development of perfect flowers on normally pistillate ears. The an1::Mu2-891339 allele was recovered from a Mutator (Mu) F2 family. Using Mu elements as molecular probes, an An1-containing restriction fragment was identified and cloned. The identity of the cloned gene as An1 was confirmed by using a reverse genetics screen for maize families that contain a Mu element inserted into the cloned gene and then by demonstrating that the insertion causes an an1 phenotype. The predicted amino acid sequence of the An1 cDNA shares homology with plant cyclases and contains a basic N-terminal sequence that may target the An1 gene product to the chloroplast. The sequence is consistent with the predicted subcellular localization of AN1 in the chloroplast and with its biochemical role in the cyclization of geranylgeranyl pyrophosphate, a 20-carbon isoprenoid, to ent-kaurene. The semidwarfed stature of an1 mutants is in contrast with the more severely dwarfed stature of GA-responsive mutants at other loci in maize and may be caused by redundancy in this step of the GA biosynthetic pathway. DNA gel blot analysis indicated that An1 is a single-copy gene that lies entirely within the deletion of the an1-bz2-6923 mutant. However, homozygous deletion mutants accumulated ent-kaurene to 20% of the wild-type level, suggesting that the function of An1 is supplemented by an additional activity.

In most plants, sucrose is exported from source leaves to carbon-importing sink tissues to sustain their growth and metabolism. Apoplastic phloem-loading species require sucrose transporters (SUTs) to transport sucrose into the phloem. In many dicot plants, genetic and biochemical evidence has established that SUT1-type proteins function in phloem loading. However, the role of SUT1 in phloem loading in monocot plants is not clear since the rice (Oryza sativa) and sugarcane (Saccharum hybrid) SUT1 orthologues do not appear to function in phloem loading of sucrose. A SUT1 gene was previously cloned from maize (Zea mays) and shown to have expression and biochemical activity consistent with a hypothesized role in phloem loading. To determine the biological function of SUT1 in maize, a sut1 mutant was isolated and characterized. sut1 mutant plants hyperaccumulate carbohydrates in mature leaves and display leaf chlorosis with premature senescence. In addition, sut1 mutants have greatly reduced stature, altered biomass partitioning, delayed flowering, and stunted tassel development. Cold-girdling wild-type leaves to block phloem transport phenocopied the sut1 mutants, supporting a role for maize SUT1 in sucrose export. Furthermore, application of 14C-sucrose to abraded sut1 mutant and wild-type leaves showed that sucrose export was greatly diminished in sut1 mutants compared with wild type. Collectively, these data demonstrate that SUT1 is crucial for efficient phloem loading of sucrose in maize leaves.

Here, multiple functions of jasmonic acid (JA) in maize (Zea mays) are revealed by comprehensive analyses of JA-deficient mutants of the two oxo-phytodienoate reductase genes, OPR7 and OPR8. Single mutants produce wild-type levels of JA in most tissues, but the double mutant opr7 opr8 has dramatically reduced JA in all organs tested. opr7 opr8 displayed strong developmental defects, including formation of a feminized tassel, initiation of female reproductive buds at each node, and extreme elongation of ear shanks; these defects were rescued by exogenous JA. These data provide evidence that JA is required for male sex determination and suppression of female reproductive organ biogenesis. Moreover, opr7 opr8 exhibited delayed leaf senescence accompanied by reduced ethylene and abscisic acid levels and lack of anthocyanin pigmentation of brace roots. Remarkably, opr7 opr8 is nonviable in nonsterile soil and under field conditions due to extreme susceptibility to a root-rotting oomycete (Pythium spp), demonstrating that these genes are necessary for maize survival in nature. Supporting the importance of JA in insect defense, opr7 opr8 is susceptible to beet armyworm. Overall, this study provides strong genetic evidence for the global roles of JA in maize development and immunity to pathogens and insects.

Apomixis is a form of asexual reproduction through seeds in angiosperms. Apomictic plants bypass meiosis and fertilization, developing offspring that are genetically identical to their mother. In a genetic screen for maize (Zea mays) mutants mimicking aspects of apomixis, we identified a dominant mutation resulting in the formation of functional unreduced gametes. The mutant shows defects in chromatin condensation during meiosis and subsequent failure to segregate chromosomes. The mutated locus codes for AGO104, a member of the ARGONAUTE family of proteins. AGO104 accumulates specifically in somatic cells surrounding the female meiocyte, suggesting a mobile signal rather than cell-autonomous control. AGO104 is necessary for non-CG methylation of centromeric and knob-repeat DNA. Digital gene expression tag profiling experiments using high-throughput sequencing show that AGO104 influences the transcription of many targets in the ovaries, with a strong effect on centromeric repeats. AGO104 is related to Arabidopsis thaliana AGO9, but while AGO9 acts to repress germ cell fate in somatic tissues, AGO104 acts to repress somatic fate in germ cells. Our findings show that female germ cell development in maize is dependent upon conserved small RNA pathways acting non-cell-autonomously in the ovule. Interfering with this repression leads to apomixis-like phenotypes in maize.

The shape of a plant is largely determined by regulation of lateral branching. Branching architecture can vary widely in response to both genotype and environment, suggesting regulation by a complex interaction of autonomous genetic factors and external signals. Tillers, branches initiated at the base of grass plants, are suppressed in response to shade conditions. This suppression of tiller and lateral branch growth is an important trait selected by early agriculturalists during maize domestication and crop improvement. To understand how plants integrate external environmental cues with endogenous signals to control their architecture, we have begun a functional characterization of the maize mutant grassy tillers1 ( gt1 ). We isolated the gt1 gene using positional cloning and found that it encodes a class I homeodomain leucine zipper gene that promotes lateral bud dormancy and suppresses elongation of lateral ear branches. The gt1 expression is induced by shading and is dependent on the activity of teosinte branched1 ( tb1 ), a major domestication locus controlling tillering and lateral branching. Interestingly, like tb1 , gt1 maps to a quantitative trait locus that regulates tillering and lateral branching in maize and shows evidence of selection during maize domestication. Branching and shade avoidance are both of critical agronomic importance, but little is known about how these processes are integrated. Our results indicate that gt1 mediates the reduced branching associated with the shade avoidance response in the grasses. Furthermore, selection at the gt1 locus suggests that it was involved in improving plant architecture during the domestication of maize.

Summary Fatty acid derivatives are of central importance for plant immunity against insect herbivores; however, major regulatory genes and the signals that modulate these defense metabolites are vastly understudied, especially in important agro‐economic monocot species. Here we show that products and signals derived from a single Z ea mays (maize) lipoxygenase ( LOX ), Zm LOX 10 , are critical for both direct and indirect defenses to herbivory. We provide genetic evidence that two 13‐ LOX s, Z m LOX 10 and Z m LOX 8 , specialize in providing substrate for the green leaf volatile ( GLV ) and jasmonate ( JA ) biosynthesis pathways, respectively. Supporting the specialization of these LOX isoforms, LOX 8 and LOX 10 are localized to two distinct cellular compartments, indicating that the JA and GLV biosynthesis pathways are physically separated in maize. Reduced expression of JA biosynthesis genes and diminished levels of JA in lox10 mutants indicate that LOX 10‐derived signaling is required for LOX 8‐mediated JA . The possible role of GLV s in JA signaling is supported by their ability to partially restore wound‐induced JA levels in lox10 mutants. The impaired ability of lox10 mutants to produce GLV s and JA led to dramatic reductions in herbivore‐induced plant volatiles ( HIPV s) and attractiveness to parasitoid wasps. Because LOX 10 is under circadian rhythm regulation, this study provides a mechanistic link to the diurnal regulation of GLV s and HIPV s. GLV ‐, JA ‐ and HIPV ‐deficient lox10 mutants display compromised resistance to insect feeding, both under laboratory and field conditions, which is strong evidence that LOX 10‐dependent metabolites confer immunity against insect attack. Hence, this comprehensive gene to agro‐ecosystem study reveals the broad implications of a single LOX isoform in herbivore defense.