Three subfamilies of grasses, the Ehrhartoideae, Panicoideae and Pooideae, provide the bulk of human nutrition and are poised to become major sources of renewable energy. Here we describe the genome sequence of the wild grass Brachypodium distachyon (Brachypodium), which is, to our knowledge, the first member of the Pooideae subfamily to be sequenced. Comparison of the Brachypodium, rice and sorghum genomes shows a precise history of genome evolution across a broad diversity of the grasses, and establishes a template for analysis of the large genomes of economically important pooid grasses such as wheat. The high-quality genome sequence, coupled with ease of cultivation and transformation, small size and rapid life cycle, will help Brachypodium reach its potential as an important model system for developing new energy and food crops.

Large-scale genome-wide association (GWA) studies have become an important tool in human genomics, mostly focused on disease but also on adaptive variations such as skin colour. The technique is now shown to be similarly useful in plants. Atwell et al. report a GWA study of over a hundred phenotypes in naturally occurring inbred lines of Arabidopsis thaliana. The results range from significant associations, usually for single genes, to more difficult-to-interpret findings that indicate confounding by complex genetics and population structure. The accompanying paper by Todesco et al. demonstrates the ability of this technique to detect major-effect gene loci. Using forward genetics and GWA analyses, they show that variation at a single locus (ACD6) in Arabidopsis underlies phenotypic variation in vegetative growth as well as resistance to infection. The strong enhancement of resistance mediated by one of the alleles at this locus explains its persistence in natural populations throughout the world, despite it drastically reducing new leaf production. Here, large-scale genome-wide association studies were carried out with the naturally occurring inbred lines of Arabidopsis thaliana, which can be genotyped once and phenotyped repeatedly. The results range from significant associations, usually corresponding to single genes, to findings that are more difficult to interpret, because confounding by complex genetics and population structure makes it hard to distinguish true associations from false. Although pioneered by human geneticists as a potential solution to the challenging problem of finding the genetic basis of common human diseases1,2, genome-wide association (GWA) studies have, owing to advances in genotyping and sequencing technology, become an obvious general approach for studying the genetics of natural variation and traits of agricultural importance. They are particularly useful when inbred lines are available, because once these lines have been genotyped they can be phenotyped multiple times, making it possible (as well as extremely cost effective) to study many different traits in many different environments, while replicating the phenotypic measurements to reduce environmental noise. Here we demonstrate the power of this approach by carrying out a GWA study of 107 phenotypes in Arabidopsis thaliana, a widely distributed, predominantly self-fertilizing model plant known to harbour considerable genetic variation for many adaptively important traits3. Our results are dramatically different from those of human GWA studies, in that we identify many common alleles of major effect, but they are also, in many cases, harder to interpret because confounding by complex genetics and population structure make it difficult to distinguish true associations from false. However, a-priori candidates are significantly over-represented among these associations as well, making many of them excellent candidates for follow-up experiments. Our study demonstrates the feasibility of GWA studies in A. thaliana and suggests that the approach will be appropriate for many other organisms.

The International Strawberry Sequencing Consortium reports the draft genome of the woodland strawberry (Fragaria vesca). The genome of this diploid species should serve as a reference genome for the Fragaria genus, as the cultivated strawberry (Fragaria × ananassa) is an octoploid where F. vesca is predicted to be a subgenome donor. The woodland strawberry, Fragaria vesca (2n = 2x = 14), is a versatile experimental plant system. This diminutive herbaceous perennial has a small genome (240 Mb), is amenable to genetic transformation and shares substantial sequence identity with the cultivated strawberry (Fragaria × ananassa) and other economically important rosaceous plants. Here we report the draft F. vesca genome, which was sequenced to ×39 coverage using second-generation technology, assembled de novo and then anchored to the genetic linkage map into seven pseudochromosomes. This diploid strawberry sequence lacks the large genome duplications seen in other rosids. Gene prediction modeling identified 34,809 genes, with most being supported by transcriptome mapping. Genes critical to valuable horticultural traits including flavor, nutritional value and flowering time were identified. Macrosyntenic relationships between Fragaria and Prunus predict a hypothetical ancestral Rosaceae genome that had nine chromosomes. New phylogenetic analysis of 154 protein-coding genes suggests that assignment of Populus to Malvidae, rather than Fabidae, is warranted.

In the early 1990s an outbreak of papaya ringspot virus (PRSV) in the papaya groves in the Puna district of Hawaii caused severe damage to an important crop. Since then, the planting of two transgenic cultivars resistant to the virus — called 'SunUp' and 'Rainbow' — has helped to maintain yields. SunUp is a transgenic red-fleshed fruit that expresses the coat protein gene of a mild mutant of PRSV, conferring resistance via post-transcriptional gene silencing. Rainbow is a yellow-fleshed (and therefore more popular) F1 hybrid bred from SunUp. Now the draft genome sequence of the SunUp strain of papaya has been determined — a first for a commercial virus-resistant transgenic fruit tree. Comparison of this plant genome to those of Arabidopsis and others sheds light on the evolution of qualities such as biosynthesis, starch deposition, control of photosynthesis and pathways for creating the volatile compounds that contribute to the characteristic flavour of papaya. On the cover, the disease-free transgenic Rainbow and the severely infected, stunted and dying non-transgenic Sunrise grow in adjoining plots. Researchers from Hawaii and an international consortium have produced a draft genome assembly for 'SunUp', the first commercial virus-resistant transgenic fruit tree. Comparison of this plant genome to those of Arabidopsis and others sheds light on evolution of characteristics such as biosynthesis, starch deposition, control of photosynthesis and pathways for creating volatile compounds. Papaya, a fruit crop cultivated in tropical and subtropical regions, is known for its nutritional benefits and medicinal applications. Here we report a 3× draft genome sequence of ‘SunUp’ papaya, the first commercial virus-resistant transgenic fruit tree1 to be sequenced. The papaya genome is three times the size of the Arabidopsis genome, but contains fewer genes, including significantly fewer disease-resistance gene analogues. Comparison of the five sequenced genomes suggests a minimal angiosperm gene set of 13,311. A lack of recent genome duplication, atypical of other angiosperm genomes sequenced so far2,3,4,5, may account for the smaller papaya gene number in most functional groups. Nonetheless, striking amplifications in gene number within particular functional groups suggest roles in the evolution of tree-like habit, deposition and remobilization of starch reserves, attraction of seed dispersal agents, and adaptation to tropical daylengths. Transgenesis at three locations is closely associated with chloroplast insertions into the nuclear genome, and with topoisomerase I recognition sites. Papaya offers numerous advantages as a system for fruit-tree functional genomics, and this draft genome sequence provides the foundation for revealing the basis of Carica’s distinguishing morpho-physiological, medicinal and nutritional properties.

The genome sequence of a lycophyte hints at ancient evolutionary transitions.

Pigeonpea is an important protein source in many developing countries, but limited genetic resources have constrained its improvement. The draft genome sequence of pigeonpea, the first for a nonindustrial crop and for a grain legume, should facilitate molecular breeding efforts to improve yields for subsistence farmers. Pigeonpea is an important legume food crop grown primarily by smallholder farmers in many semi-arid tropical regions of the world. We used the Illumina next-generation sequencing platform to generate 237.2 Gb of sequence, which along with Sanger-based bacterial artificial chromosome end sequences and a genetic map, we assembled into scaffolds representing 72.7% (605.78 Mb) of the 833.07 Mb pigeonpea genome. Genome analysis predicted 48,680 genes for pigeonpea and also showed the potential role that certain gene families, for example, drought tolerance–related genes, have played throughout the domestication of pigeonpea and the evolution of its ancestors. Although we found a few segmental duplication events, we did not observe the recent genome-wide duplication events observed in soybean. This reference genome sequence will facilitate the identification of the genetic basis of agronomically important traits, and accelerate the development of improved pigeonpea varieties that could improve food security in many developing countries.

The epigenome orchestrates genome accessibility, functionality, and three-dimensional structure. Because epigenetic variation can impact transcription and thus phenotypes, it may contribute to adaptation. Here, we report 1,107 high-quality single-base resolution methylomes and 1,203 transcriptomes from the 1001 Genomes collection of Arabidopsis thaliana. Although the genetic basis of methylation variation is highly complex, geographic origin is a major predictor of genome-wide DNA methylation levels and of altered gene expression caused by epialleles. Comparison to cistrome and epicistrome datasets identifies associations between transcription factor binding sites, methylation, nucleotide variation, and co-expression modules. Physical maps for nine of the most diverse genomes reveal how transposons and other structural variants shape the epigenome, with dramatic effects on immunity genes. The 1001 Epigenomes Project provides a comprehensive resource for understanding how variation in DNA methylation contributes to molecular and non-molecular phenotypes in natural populations of the most studied model plant.

Correct daily phasing of transcription confers an adaptive advantage to almost all organisms, including higher plants. In this study, we describe a hypothesis-driven network discovery pipeline that identifies biologically relevant patterns in genome-scale data. To demonstrate its utility, we analyzed a comprehensive matrix of time courses interrogating the nuclear transcriptome of Arabidopsis thaliana plants grown under different thermocycles, photocycles, and circadian conditions. We show that 89% of Arabidopsis transcripts cycle in at least one condition and that most genes have peak expression at a particular time of day, which shifts depending on the environment. Thermocycles alone can drive at least half of all transcripts critical for synchronizing internal processes such as cell cycle and protein synthesis. We identified at least three distinct transcription modules controlling phase-specific expression, including a new midnight specific module, PBX/TBX/SBX. We validated the network discovery pipeline, as well as the midnight specific module, by demonstrating that the PBX element was sufficient to drive diurnal and circadian condition-dependent expression. Moreover, we show that the three transcription modules are conserved across Arabidopsis, poplar, and rice. These results confirm the complex interplay between thermocycles, photocycles, and the circadian clock on the daily transcription program, and provide a comprehensive view of the conserved genomic targets for a transcriptional network key to successful adaptation.

We must mine the biodiversity in seed banks to help to overcome food shortages, urge Susan McCouch and colleagues.

Natural variation in clock parameters is necessary for the circadian clock to contribute to organismal fitness over a broad geographic range. Considerable variation is evident in the period, phase, and amplitude of 150 Arabidopsis accessions, and the period length is correlated with the day length at the latitude of origin, implying the adaptive significance of correctly regulated circadian timing. Quantitative trait loci analysis of recombinant inbred lines indicates that multiple loci interact to determine period, phase, and amplitude. The loss-of-function analysis of each member of the ARABIDOPSIS PSEUDO-RESPONSE REGULATOR family suggests that they are candidates for clock quantitative trait loci.