Plants adapt to fluctuating environmental conditions by adjusting their metabolism and gene expression to maintain fitness

Abstract Legumes balance nitrogen acquisition from soil nitrate with symbiotic nitrogen fixation. Nitrogen fixation requires establishment of a new organ, which is a cytokinin dependent developmental process in the root. We found cytokinin biosynthesis is a central integrator, balancing nitrate signalling with symbiotic acquired nitrogen. Low nitrate conditions provide a permissive state for induction of cytokinin by symbiotic signalling and thus nodule development. In contrast, high nitrate is inhibitory to cytokinin accumulation and nodule establishment in the root zone susceptible to nodule formation. This reduction of symbiotic cytokinin accumulation was further exacerbated in cytokinin biosynthesis mutants, which display hypersensitivity to nitrate inhibition of nodule development, maturation and nitrogen fixation. Consistent with this, cytokinin application can rescue nodulation and nitrogen fixation of biosynthesis mutants in a concentration dependent manner. These inhibitory impacts of nitrate on symbiosis occur in a Nlp1 and Nlp4 dependent manner and contrast with the positive influence of nitrate on cytokinin biosynthesis that occurs in non-symbiotic species. Altogether this shows that legumes, as exemplified by Lotus japonicus , have evolved a different cytokinin response to nitrate compared to non-legumes. One sentence summary Cytokinin biosynthesis is suppressed by nitrate in Lotus japonicus , providing a mechanism for nitrate inhibition of symbiotic nodule organogenesis.

Abstract Development of symbiotic root nodules is a cytokinin-dependent process that is critical to nitrogen acquisition in legumes. The extent and manner in which root nodules contribute to whole-plant cytokinin and nitrogen supply signalling is unknown. Using a combination of genetic, biochemical and physiological approaches, we characterised the role of cytokinin synthesis, export and perception in coordination of symbiotic nodule development and shoot growth in the legume Lotus japonicus . LjPup1 encodes a plasma membrane localised cytokinin exporter with isopentenyladenine (iP) and trans -Zeatin (tZ) export capacity. LjPup1 shows a distinct nodule-specific expression pattern with greatest transcript levels detected in mature nodules. Mutants accumulate more isopentenyladenine riboside (iPR) in nodule tissues and demonstrate hallmarks of reduced cytokinin signalling. Despite normal nodule numbers and function, shoot growth is markedly reduced in Ljpup1 mutants, as well as in mutants impaired in tZ biosynthesis. We found symbiotic root nodules contribute to shoot growth via export of active cytokinins. A cytokinin exporter in the purine permease family thus contributes to long-distance cytokinin homeostasis regulating plant development.

Lotus japonicus is a herbaceous perennial legume that has been used extensively as a genetically tractable model system for deciphering the molecular genetics of symbiotic nitrogen fixation. So far, the L. japonicus reference genome assembly has been based on Sanger and Illumina sequencing reads from the L. japonicus accession MG-20 and contained a large fraction of unanchored contigs. Here, we use long PacBio reads from L. japonicus Gifu combined with Hi-C data and new high-density genetic maps to generate a high-quality chromosome-scale reference genome assembly for L. japonicus. The assembly comprises 554 megabases of which 549 were assigned to six pseudomolecules that appear complete with telomeric repeats at their extremes and large centromeric regions with low gene density. The new L. japonicus Gifu reference genome and associated expression data represent valuable resources for legume functional and comparative genomics. Here, we provide a first example by showing that the symbiotic islands recently described in Medicago truncatula do not appear to be conserved in L. japonicus.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.