Circadian clocks are believed to confer an advantage to plants, but the nature of that advantage has been unknown. We show that a substantial photosynthetic advantage is conferred by correct matching of the circadian clock period with that of the external light-dark cycle. In wild type and in long– and short–circadian period mutants of Arabidopsis thaliana , plants with a clock period matched to the environment contain more chlorophyll, fix more carbon, grow faster, and survive better than plants with circadian periods differing from their environment. This explains why plants gain advantage from circadian control.

The world’s crop productivity is stagnating whereas population growth, rising affluence, and mandates for biofuels put increasing demands on agriculture. Meanwhile, demand for increasing cropland competes with equally crucial global sustainability and environmental protection needs. Addressing this looming agricultural crisis will be one of our greatest scientific challenges in the coming decades, and success will require substantial improvements at many levels. We assert that increasing the efficiency and productivity of photosynthesis in crop plants will be essential if this grand challenge is to be met. Here, we explore an array of prospective redesigns of plant systems at various scales, all aimed at increasing crop yields through improved photosynthetic efficiency and performance. Prospects range from straightforward alterations, already supported by preliminary evidence of feasibility, to substantial redesigns that are currently only conceptual, but that may be enabled by new developments in synthetic biology. Although some proposed redesigns are certain to face obstacles that will require alternate routes, the efforts should lead to new discoveries and technical advances with important impacts on the global problem of crop productivity and bioenergy production.

TransRate is a tool for reference-free quality assessment of de novo transcriptome assemblies. Using only the sequenced reads and the assembly as input, we show that multiple common artifacts of de novo transcriptome assembly can be readily detected. These include chimeras, structural errors, incomplete assembly, and base errors. TransRate evaluates these errors to produce a diagnostic quality score for each contig, and these contig scores are integrated to evaluate whole assemblies. Thus, TransRate can be used for de novo assembly filtering and optimization as well as comparison of assemblies generated using different methods from the same input reads. Applying the method to a data set of 155 published de novo transcriptome assemblies, we deconstruct the contribution that assembly method, read length, read quantity, and read quality make to the accuracy of de novo transcriptome assemblies and reveal that variance in the quality of the input data explains 43% of the variance in the quality of published de novo transcriptome assemblies. Because TransRate is reference-free, it is suitable for assessment of assemblies of all types of RNA, including assemblies of long noncoding RNA, rRNA, mRNA, and mixed RNA samples.

We used DNA sequencing and gel blot surveys to assess the integrity of the chloroplast gene infA, which codes for translation initiation factor 1, in >300 diverse angiosperms. Whereas most angiosperms appear to contain an intact chloroplast infA gene, the gene has repeatedly become defunct in ∼24 separate lineages of angiosperms, including almost all rosid species. In four species in which chloroplast infA is defunct, transferred and expressed copies of the gene were found in the nucleus, complete with putative chloroplast transit peptide sequences. The transit peptide sequences of the nuclear infA genes from soybean and Arabidopsis were shown to be functional by their ability to target green fluorescent protein to chloroplasts in vivo. Phylogenetic analysis of infA sequences and assessment of transit peptide homology indicate that the four nuclear infA genes are probably derived from four independent gene transfers from chloroplast to nuclear DNA during angiosperm evolution. Considering this and the many separate losses of infA from chloroplast DNA, the gene has probably been transferred many more times, making infA by far the most mobile chloroplast gene known in plants.

Most plants are known as C3 plants because the first product of photosynthetic CO2 fixation is a three-carbon compound1. C4 plants, which use an alternative pathway in which the first product is a four-carbon compound, have evolved independently many times and are found in at least 18 families2,3. In addition to differences in their biochemistry, photosynthetic organs of C4 plants show alterations in their anatomy and ultrastructure4. Little is known about whether the biochemical or anatomical characteristics of C4 photosynthesis evolved first. Here we report that tobacco, a typical C3 plant, shows characteristics of C4 photosynthesis in cells of stems and petioles that surround the xylem and phloem, and that these cells are supplied with carbon for photosynthesis from the vascular system and not from stomata. These photosynthetic cells possess high activities of enzymes characteristic of C4 photosynthesis, which allow the decarboxylation of four-carbon organic acids from the xylem and phloem, thus releasing CO2 for photosynthesis. These biochemical characteristics of C4 photosynthesis in cells around the vascular bundles of stems of C3 plants might explain why C4 photosynthesis has evolved independently many times.

Summary Inventors in the field of mechanical and electronic engineering can access multitudes of components and, thanks to standardization, parts from different manufacturers can be used in combination with each other. The introduction of BioBrick standards for the assembly of characterized DNA sequences was a landmark in microbial engineering, shaping the field of synthetic biology. Here, we describe a standard for Type IIS restriction endonuclease‐mediated assembly, defining a common syntax of 12 fusion sites to enable the facile assembly of eukaryotic transcriptional units. This standard has been developed and agreed by representatives and leaders of the international plant science and synthetic biology communities, including inventors, developers and adopters of Type IIS cloning methods. Our vision is of an extensive catalogue of standardized, characterized DNA parts that will accelerate plant bioengineering.

Abstract C4 photosynthesis involves alterations to the biochemistry, cell biology, and development of leaves. Together, these modifications increase the efficiency of photosynthesis, and despite the apparent complexity of the pathway, it has evolved at least 45 times independently within the angiosperms. To provide insight into the extent to which gene expression is altered between C3 and C4 leaves, and to identify candidates associated with the C4 pathway, we used massively parallel mRNA sequencing of closely related C3 (Cleome spinosa) and C4 (Cleome gynandra) species. Gene annotation was facilitated by the phylogenetic proximity of Cleome and Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). Up to 603 transcripts differ in abundance between these C3 and C4 leaves. These include 17 transcription factors, putative transport proteins, as well as genes that in Arabidopsis are implicated in chloroplast movement and expansion, plasmodesmatal connectivity, and cell wall modification. These are all characteristics known to alter in a C4 leaf but that previously had remained undefined at the molecular level. We also document large shifts in overall transcription profiles for selected functional classes. Our approach defines the extent to which transcript abundance in these C3 and C4 leaves differs, provides a blueprint for the NAD-malic enzyme C4 pathway operating in a dicotyledon, and furthermore identifies potential regulators. We anticipate that comparative transcriptomics of closely related species will provide deep insight into the evolution of other complex traits.

TransRate is a tool for reference-free quality assessment of de novo transcriptome assemblies. Using only sequenced reads as the input, TransRate measures the quality of individual contigs and whole assemblies, enabling assembly optimization and comparison. TransRate can accurately evaluate assemblies of conserved and novel RNA molecules of any kind in any species. We show that it is more accurate than comparable methods and demonstrate its use on a variety of data.

Abstract Convergent trait evolution is a recurrent phenomenon in all domains of the tree of life. While some convergent traits are caused by simple sequence changes, many are associated with extensive changes to the sequence and regulation of large cohorts of genes. It is unknown how organisms traverse this expansive genotype space to assemble such complex convergent phenotypes. C 4 photosynthesis is a paradigm of large-scale phenotypic convergence. Conceptual and mathematical models propose that C 4 photosynthesis evolved from ancestral C 3 photosynthesis through sequential adaptive changes. These adaptive changes could have been rapidly assembled if modifications to the activity and abundance of enzymes of the C 4 cycle was neutral in C 3 plants. This neutrality would enable populations of C 3 plants to maintain genotypes with expression levels of C 4 enzymes analogous to those in C 4 species and thus enable rapid assembly of a functional C 4 cycle from naturally occurring genotypes given shared environmental selection. Here we show that there is substantial natural variation in expression of genes encoding C 4 cycle enzymes between natural accessions of the C 3 plant Arabidopsis thaliana . We further show through targeted transgenic experiments in the C 3 crop Oryza sativa , that high expression of the majority of C 4 cycle enzymes in rice is neutral with respect to growth, development, biomass and photosynthesis. Thus, substantial variation in the abundance and activity of C 4 cycle enzymes is permissible within the limits of operation of C 3 photosynthesis and the emergence of component parts of this complex convergent trait can be facilitated by neutral variation.

ABSTRACT Gynandropsis gynandra (Cleomaceae) is a cosmopolitan leafy vegetable and medicinal plant, which has also been used as a model to study C4 photosynthesis due to its evolutionary proximity to Arabidopsis. Here, we present a high-quality genome sequence of G. gynandra , anchored onto 17 main super- scaffolds with a total length of 740 Mb, an N50 of 42 Mb and 30,933 well-supported gene models. The G. gynandra genome and previously released genomes of C3 relatives in the Cleomaceae and Brassicaceae make an excellent model for studying the role of genome evolution in the transition from C3 to C4 photosynthesis. We revealed that G. gynandra and its C3 relative Tarenaya hassleriana shared a whole-genome duplication event ( Gg-α ), then an addition of a third genome ( Th-α, +1x) took place in T. hassleriana but not in G. gynandra . Analysis of syntenic copy number of C4 photosynthesis-related gene families indicates that G. gynandra generally retained more duplicated copies of these genes than C3 T. hassleriana , and also that the G. gynandra C4 genes might have been under positive selection pressure. Both whole-genome and single-gene duplication were found to contribute to the expansion of the aforementioned gene families in G. gynandra . Collectively, this study enhances our understanding of the impact of gene duplication and gene retention on the evolution of C4 photosynthesis in Cleomaceae.