Legumes (Fabaceae or Leguminosae) are unique among cultivated plants for their ability to carry out endosymbiotic nitrogen fixation with rhizobial bacteria, a process that takes place in a specialized structure known as the nodule. Legumes belong to one of the two main groups of eurosids, the Fabidae, which includes most species capable of endosymbiotic nitrogen fixation. Legumes comprise several evolutionary lineages derived from a common ancestor 60 million years ago (Myr ago). Papilionoids are the largest clade, dating nearly to the origin of legumes and containing most cultivated species. Medicago truncatula is a long-established model for the study of legume biology. Here we describe the draft sequence of the M. truncatula euchromatin based on a recently completed BAC assembly supplemented with Illumina shotgun sequence, together capturing ∼94% of all M. truncatula genes. A whole-genome duplication (WGD) approximately 58 Myr ago had a major role in shaping the M. truncatula genome and thereby contributed to the evolution of endosymbiotic nitrogen fixation. Subsequent to the WGD, the M. truncatula genome experienced higher levels of rearrangement than two other sequenced legumes, Glycine max and Lotus japonicus. M. truncatula is a close relative of alfalfa (Medicago sativa), a widely cultivated crop with limited genomics tools and complex autotetraploid genetics. As such, the M. truncatula genome sequence provides significant opportunities to expand alfalfa's genomic toolbox.

Like many other crops, the cultivated peanut (Arachis hypogaea L.) is of hybrid origin and has a polyploid genome that contains essentially complete sets of chromosomes from two ancestral species. Here we report the genome sequence of peanut and show that after its polyploid origin, the genome has evolved through mobile-element activity, deletions and by the flow of genetic information between corresponding ancestral chromosomes (that is, homeologous recombination). Uniformity of patterns of homeologous recombination at the ends of chromosomes favors a single origin for cultivated peanut and its wild counterpart A. monticola. However, through much of the genome, homeologous recombination has created diversity. Using new polyploid hybrids made from the ancestral species, we show how this can generate phenotypic changes such as spontaneous changes in the color of the flowers. We suggest that diversity generated by these genetic mechanisms helped to favor the domestication of the polyploid A. hypogaea over other diploid Arachis species cultivated by humans. The genome sequence of segmental allotetraploid peanut suggests that diversity generated by genetic deletions and homeologous recombination helped to favor the domestication of Arachis hypogaea over its diploid relatives.

Abstract Only the Leguminosae family can develop root nodules with peripheral vasculature, an adaptation that grants them an advantage in optimizing nitrogen fixation efficiency. Medicago truncatula develops indeterminate nodules that possess peripheral vascular-strands encircling the central infection zone. How vascular-strands shifted from the nodule central part to the periphery remains unresolved. Here we show, MtbHLH1 (renamed as Nodule Vascular bundle Development 1) is required for the proper organization of vascular strands. In nvd1 nodules, vascular strands pass through the infection zone. NVD2 , an HLH transcription factor that lacks a DNA-binding domain, is activated by NVD1. Mutant nvd2 nodules display a similar partially central vasculature. NVD2 is expressed along the nodule vascular bundle and NVD2:GFP fusion protein localizes to the nodule vascular endodermis. The formation of the peripheral vasculature is dependent on the proper stoichiometry of NVD1 and NVD2 heterodimers, as NVD2 controls NVD1-mediated transcriptional activation by sequestering NVD1. Transcription of NVD1 is activated by auxin and Auxin Responsive transcription Factor (MtARF5). Transcriptome sequencing of nvd1 and nvd2 nodules and visualization of in situ auxin and cytokinin signal outputs indicated aberrant auxin/cytokinin balance in these nodules. Our findings showed that the NVD1-NVD2 heterodimer plays a key role in the formation of an orderly peripheral vascular bundle around Medicago nodules.

Mesorhizobium sp. produces root nodules in chickpea. Chickpea and model legume Medicago truncatula are members of inverted repeat lacking clade (IRLC). The rhizobia after internalization inside plant cell called bacteroid. Nodule Specific Cysteine-rich (NCR) peptides in IRLC legumes guide bacteroids to a terminally differentiated swollen (TDS) form. Bacteroids in chickpea are less TDS than those in Medicago. Nodule development in chickpea indicates recent evolutionary diversification and merits further study. A hairy root transformation protocol and an efficient laboratory strain are prerequisites for performing any genetic study on nodulation. We have standardized a protocol for composite plant generation in chickpea with a transformation frequency above 50%, as shown by fluorescent markers. This protocol also works well in different ecotypes of chickpea. Localization of subcellular markers in these transformed roots is similar to Medicago. When checked inside transformed nodules, peroxisomes were concentrated along the periphery of the nodules, while ER and golgi bodies surrounded the symbiosomes. Different Mesorhizobium strains were evaluated for their ability to initiate nodule development, and efficiency of nitrogen fixation. Inoculation with different strains resulted in different shapes of TDS bacteroids with variable nitrogen fixation. Our study provides a toolbox to study nodule development in the crop legume chickpea.

Abstract Symbiotic nitrogen fixation (SNF) inside root-nodules is a primary and sustainable source of soil nitrogen. Understanding nodule development and metabolism in crop legumes may lead to more effective SNF in agriculture. Peanut ( Arachis hypogaea ) is an economically important allotetraploid legume with non-canonical nodule developmental features. Recent genome sequencing of peanut has opened the possibility of making peanut a model for studying atypical nodule development. To help the community of nodule biologists, we have developed a database called AhNGE ( Arachis hypogaea Nodule Developmental Gene Expression: http://nipgr.ac.in/AhNGE/index.php ). AhNGE contains RNAseq data from six data points of nodule development in A. hypogagea cv. Tifrunner . This data represents a dynamic view of gene expression during peanut nodule development. Research in model legumes has generated a huge knowledgebase in the last twenty years. To streamline comparative genomics among legumes, we performed ortholog analysis among four legumes (Cicer, Glycine, Lotus, and Medicago) and one non-legume (Arabidopsis). This will facilitate the integration of existing knowledge in nodule development with the Arachis transcriptome. The available data can be retrieved using a single or batch query or searching using gene ID, from above mentioned five species. The output displays the gene expression pattern in graphical as well as tabular form, along with further options to download the sequence data. The database is linked with PeanutBase, the main genomic resource of peanut. Additionally, the expression level of different splicing variants can be retrieved from the database. In summary, AhNGE serves as an important resource for the scientific community working on nodule development.