Plants are built of various specialized cell types that differ in their cell wall composition and structure. The cell walls of certain tissues (xylem, sclerenchyma) are characterized by the presence of the heterogenous polymer lignin that plays an essential role in their physiology. This phenolic polymer is composed of different monomeric subunits - the monolignols - that are linked together by several covalent bonds. Numerous studies have shown that monolignol biosynthesis and polymerization to form lignin are tightly controlled in different cell types and tissues. However our understanding of the genetic control of monolignol transport and polymerization remains incomplete, despite some recent promising results. This situation is made more complex since we know that monolignols or related compounds are sometimes produced in non-lignified tissues. In this review, we focus on some key steps of monolignol metabolism including polymerization, transport and compartmentation. As well as being of fundamental interest, the quantity of lignin and its nature are also known to have a negative

Over the past several years, Brachypodium distachyon (Brachypodium) has emerged as a tractable model system to study biological questions relevant to the grasses. To place its relevance in the larger context of plant biology, we outline here the expanding adoption of Brachypodium as a model grass and compare this to the early history of another plant model, Arabidopsis thaliana. In this context, Brachypodium has followed an accelerated path in which the development of genomic resources, most notably a whole genome sequence, occurred concurrently with the generation of other experimental tools (e.g. highly efficient transformation and large collections of natural accessions). This update provides a snapshot of available and upcoming Brachypodium resources and an overview of the community including the trajectory of Brachypodium as a model grass.

ABSTRACT Daylength sensing in many plants is critical for coinciding the timing of flowering with the appropriate season. Temperate-climate-adapted grasses such as Brachypodium distachyon flower during the spring when days are becoming longer. The photoreceptor PHYTOCHROME C is essential for long-day (LD) flowering in B. distachyon. PHYC is required for the LD activation of a suite of genes in the photoperiod pathway including PHOTOPERIOD1 ( PPD1 ) that, in turn, result in the activation of FLOWERING LOCUS T ( FT1 )/ FLORIGEN , which causes flowering. Thus, phyC mutants are extremely delayed in flowering. Here we show that PHYC-mediated activation of PPD1 occurs via EARLY FLOWERING 3 ( ELF3 ), a component of the evening complex in the circadian clock. The extreme delay of flowering of the phyC mutant disappears when combined with an elf3 loss-of-function mutation. Moreover, the dampened PPD1 expression in phyC mutant plants is elevated in phyC/elf3 mutant plants consistent with the rapid flowering of the double mutant. We show that loss of PPD1 function also results in reduced FT1 expression levels and extremely delayed flowering consistent with reports from wheat and barley. Additionally, elf3 mutant plants have elevated expression levels of PPD1 and we show that overexpression of ELF3 results in delayed flowering, which is associated with a reduction of PPD1 and FT1 , demonstrating ELF3 represses PPD1 transcription, consistent with previous studies showing that ELF3 binds to the PPD1 promoter. Indeed, PPD1 is the main target of ELF3-mediated flowering as elf3/ppd1 double mutant plants are delayed flowering. Our results indicate that ELF3 operates downstream from PHYC and acts as a repressor of PPD1 in the photoperiod flowering pathway of B. distachyon . AUTHOR SUMMARY Daylength is an important environmental cue that plants and animals use to coincide important life history events with a proper season. In plants, timing of flowering to a particular season is an essential adaptation to many ecological niches. Perceiving changes in daylength starts with the perception of light via specific photoreceptors such as phytochromes. In temperate grasses, how daylength perception is integrated into downstream pathways to trigger flowering is not fully understood. However, some of the components involved in the translation of daylength perception into the induction of flowering in temperate grasses have been identified from studies of natural variation. For example, specific alleles of two genes called EARLY FLOWERING 3 ( ELF3 ) and PHOTOPERIOD1 ( PPD1 ) have been selected during breeding of different wheat and barley varieties to modulate the photoperiodic response to maximize reproduction in different environments. Here, we show in the temperate grass model Brachypodium distachyon that the translation of the light signal perceived by phytochromes into a flowering response is mediated by ELF3 , and that PPD1 is genetically downstream of ELF3 in the photoperiodic flowering pathway. These results provide a genetic framework for understanding the photoperiodic response in temperate grasses that include agronomically important crops such as wheat, oats, barley, and rye.

Abstract Lipo-chitooligosaccharides (LCO) and short-chain chitooligosaccharides (CO) are produced by arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and activate the plant symbiosis signalling pathway, which is essential for mycorrhiza formation. High affinity LCO receptors belonging to the LysM receptor-like kinase (LysM-RLK) phylogenetic group LYR-IA play a role in AM establishment, but no plant high affinity short-chain CO receptors have yet been identified. Here we studied members of the uncharacterized LYR-IB group, and found that they show high affinity for LCO, short- and long-chain CO, and play a complementary role with the LYR-IA LCO receptors for AM establishment. While LYR-IB knock out mutants had a reduced AMF colonization in several species, constitutive/ectopic expression in wheat increased AMF colonization. LYR-IB function is conserved in all tested angiosperms, but in most japonica rice a deletion creates a frameshift in the gene, explaining differences in AM phenotypes between rice and other monocot single LYR-IA mutants. In conclusion, we identified a class of LysM-RLK receptors in angiosperms with new biochemical properties and a role in both LCO and CO perception for AM establishment.

The leaf epidermis is the outermost cell layer forming the interface between plants and the atmosphere that must both provide a robust barrier against (a)biotic stressors and facilitate carbon dioxide uptake and leaf transpiration 1 . To achieve these opposing requirements, the plant epidermis developed a wide range of specialized cell types such as stomata and hair cells. While factors forming these individual cell types are known 2–5 , it is poorly understood how their number and size is coordinated. Here, we identified a role for BdPRX76 / BdPOX , a class III peroxidase, in regulating hair cell and stomatal size in the model grass Brachypodium distachyon . In bdpox mutants prickle hair cells were smaller and stomata were longer. Because stomatal density remained unchanged, the negative correlation between stomatal size and density was disrupted in bdpox and resulted in higher stomatal conductance and lower intrinsic water-use efficiency. BdPOX was exclusively expressed in hair cells suggesting that BdPOX cell-autonomously promotes hair cell size and indirectly restricts stomatal length. Cell wall autofluorescence and lignin stainings indicated a role for BdPOX in lignification or crosslinking of related phenolic compounds at the hair cell base. Ectopic expression of BdPOX in the stomatal lineage increased phenolic autofluorescence in guard cell walls and restricted stomatal elongation in bdpox . Together, we highlight a developmental interplay between hair cells and stomata that optimizes epidermal functionality. We propose that cell-type-specific changes disrupt this interplay and lead to compensatory developmental defects in other epidermal cell types.

Abstract Grasses have varying inflorescence shapes; however, little is known about the genetic mechanisms specifying such shapes among tribes. We identified the grass-specific TCP transcription factor COMPOSITUM 1 (COM1) expressed in inflorescence meristematic boundaries of different grasses. COM1 specifies branch-inhibition in Triticeae (barley) versus branch-formation in non-Triticeae grasses. Analyses of cell size, cell walls and transcripts revealed barley COM1 regulates cell growth, affecting cell wall properties and signaling specifically in meristematic boundaries to establish identity of adjacent meristems. COM1 acts upstream of the boundary gene Liguleless1 and confers meristem identity partially independent of the COM2 pathway. Furthermore, COM1 is subject to purifying natural selection, thereby contributing to specification of the spike inflorescence shape. This meristem identity pathway has conceptual implications for both inflorescence evolution and molecular breeding in Triticeae.

Deciphering the mechanism of secondary cell wall/SCW formation in plants is key to understanding their development and the molecular basis of biomass recalcitrance. Although transcriptional regulation is essential for SCW formation, little is known about the implication of post-transcriptional mechanisms in this process. Here we report that two bonafide RNA-binding proteins homologous to the animal translational regulator Musashi, MSIL2 and MSIL4, function redundantly to control SCW formation in Arabidopsis. MSIL2/4 interactomes are similar and enriched in proteins involved in mRNA binding and translational regulation. MSIL2/4 mutations alter SCW formation in the fibers, leading to a reduction in lignin deposition, and an increase of 4- O -glucuronoxylan methylation. In accordance, quantitative proteomics of stems reveal an overaccumulation of glucuronoxylan biosynthetic machinery, including GXM3, in the msil2/4 mutant stem. We showed that MSIL4 immunoprecipitates GXM mRNAs, suggesting a novel aspect of SCW regulation, linking post-transcriptional control to the regulation of SCW biosynthesis genes.

ABSTRACT Transgenic poplars ( Populus tremula x Populus alba , clone INRA 717-1B4) were produced by introducing the Brachypodium distachyon Bradi2g36910 ( BdPMT1 ) gene driven by the Arabidopsis ( Arabidopsis thaliana) Cinnamate 4-Hydroxylase ( AtC4H ) promoter in the wild-type (WT) line and in a line overexpressing the Arabidopsis Ferulate 5-Hydroxylase ( AtF5H). BdPMT1 encodes a transferase which catalyzes the acylation of monolignols by p- coumaric acid (CA). Several BdPMT1 - OE/WT and BdPMT1-OE/AtF5H-OE transgenic lines were grown in the greenhouse and BdPMT1 expression in xylem was confirmed by RT-PCR. The analysis of the cell walls (CW) of poplar stems and of corresponding purified dioxan lignins (DL) revealed that the BdPMT1 -OE lignins were as p -coumaroylated as the lignins of C3 grass straws. For some transformants, CA levels even reached about 11 mg/g CW and 66 mg/g DL, which by far exceeds those of Brachypodium or wheat samples. This unprecedentedly high p -coumaroylation of poplar lignins affected neither the poplar growth, nor the stem lignin content. By contrast, the transgenic lignins were structurally modified, with an increase of terminal units with free phenolic groups. Relative to controls, this increase argues for a reduced polymerization degree of BdPMT1 -OE lignins and makes them more soluble in cold NaOH solution. The p -coumaroylation of poplar samples, up to the levels of C3 grasses, improved the saccharification yield of alkali-pretreated poplar CW. These results establish that the genetically-driven p -coumaroylation of lignins is a promising strategy to make wood lignins more susceptible to the alkaline treatments that can be used during the industrial processing of lignocellulosics. One-sentence summary The expression of a grass p-coumaroyl-CoA:monolignol transferase induces a high p-coumaroylation of poplar lignins and a better saccharification of alkali-pretreated poplar wood without growth penalty

Abstract Despite ferns being crucial to understanding plant evolution, their large and complex genomes has kept their genetic landscape largely uncharted, with only a handful of genomes sequenced and sparse transcriptomic data. Addressing this gap, we generated extensive RNA-sequencing data for multiple organs across 22 representative species over the fern phylogeny, assembling high-quality transcriptomes. These data facilitated the construction of a time-calibrated fern phylogeny covering all major clades, revealing numerous whole-genome duplications and highlighting the uniqueness of fern genetics, with half of the uncovered gene families being fern-specific. Our investigation into fern cell walls through biochemical and immunological analyses identified occurrences of the lignin syringyl unit and its independent evolution in ferns. Moreover, the discovery of an unusual sugar in fern cell walls hints at a divergent evolutionary path in cell wall biochemistry, potentially driven by gene duplication and sub-functionalization. We provide an online database preloaded with genomic and transcriptomic data for ferns and other land plants, which we used to identify an independent evolution of lignocellulosic gene modules in ferns. Our data provide a framework for the unique evolutionary path that ferns have navigated since they split from the last common ancestor of euphyllophytes more than 360 million years ago.