The Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM) is a hyperspectral imager on the Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) spacecraft. CRISM consists of three subassemblies, a gimbaled Optical Sensor Unit (OSU), a Data Processing Unit (DPU), and the Gimbal Motor Electronics (GME). CRISM's objectives are (1) to map the entire surface using a subset of bands to characterize crustal mineralogy, (2) to map the mineralogy of key areas at high spectral and spatial resolution, and (3) to measure spatial and seasonal variations in the atmosphere. These objectives are addressed using three major types of observations. In multispectral mapping mode, with the OSU pointed at planet nadir, data are collected at a subset of 72 wavelengths covering key mineralogic absorptions and binned to pixel footprints of 100 or 200 m/pixel. Nearly the entire planet can be mapped in this fashion. In targeted mode the OSU is scanned to remove most along‐track motion, and a region of interest is mapped at full spatial and spectral resolution (15–19 m/pixel, 362–3920 nm at 6.55 nm/channel). Ten additional abbreviated, spatially binned images are taken before and after the main image, providing an emission phase function (EPF) of the site for atmospheric study and correction of surface spectra for atmospheric effects. In atmospheric mode, only the EPF is acquired. Global grids of the resulting lower data volume observations are taken repeatedly throughout the Martian year to measure seasonal variations in atmospheric properties. Raw, calibrated, and map‐projected data are delivered to the community with a spectral library to aid in interpretation.

There is considerable interest in the occurrence and molecular mechanisms of phenotypic plasticity and genotype-by-environment interactions (G×E) in plant populations. The emergence of genomic tools, including quantitative trait locus (QTL) mapping and transcriptome studies, provides opportunities to identify G×E patterns and mechanisms across a diversity of phenotypes, species, and environments. We review progress in evaluating the presence and characterizing the mechanisms of G×E using genomic studies of abiotic responses in plants. Our review reveals that G×E is common, often caused by changes in the magnitude of genetic effects in response to the environment, and associated with diverse genetic factors and molecular variants. We illustrate this diversity with an examination of transcriptome studies and discussion of cloned genes underlying G×E. We discuss the caveats associated with existing studies and outline future directions for better understanding G×E and its impact on local adaptation and plant improvement.

While prokaryotic pan-genomes have been shown to contain many more genes than any individual organism, the prevalence and functional significance of differentially present genes in eukaryotes remains poorly understood. Whole-genome de novo assembly and annotation of 54 lines of the grass Brachypodium distachyon yield a pan-genome containing nearly twice the number of genes found in any individual genome. Genes present in all lines are enriched for essential biological functions, while genes present in only some lines are enriched for conditionally beneficial functions (e.g., defense and development), display faster evolutionary rates, lie closer to transposable elements and are less likely to be syntenic with orthologous genes in other grasses. Our data suggest that differentially present genes contribute substantially to phenotypic variation within a eukaryote species, these genes have a major influence in population genetics, and transposable elements play a key role in pan-genome evolution.

A principal goal of the Mars Science Laboratory (MSL) rover Curiosity is to identify and characterize past habitable environments on Mars. Determination of the mineralogical and chemical composition of Martian rocks and soils constrains their formation and alteration pathways, providing information on climate and habitability through time. The CheMin X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF) instrument on MSL will return accurate mineralogical identifications and quantitative phase abundances for scooped soil samples and drilled rock powders collected at Gale Crater during Curiosity’s 1-Mars-year nominal mission. The instrument has a Co X-ray source and a cooled charge-coupled device (CCD) detector arranged in transmission geometry with the sample. CheMin’s angular range of 5∘ to 50∘ 2θ with <0.35∘ 2θ resolution is sufficient to identify and quantify virtually all minerals. CheMin’s XRF requirement was descoped for technical and budgetary reasons. However, X-ray energy discrimination is still required to separate Co Kα from Co Kβ and Fe Kα photons. The X-ray energy-dispersive histograms (EDH) returned along with XRD for instrument evaluation should be useful in identifying elements Z>13 that are contained in the sample. The CheMin XRD is equipped with internal chemical and mineralogical standards and 27 reusable sample cells with either Mylar® or Kapton® windows to accommodate acidic-to-basic environmental conditions. The CheMin flight model (FM) instrument will be calibrated utilizing analyses of common samples against a demonstration-model (DM) instrument and CheMin-like laboratory instruments. The samples include phyllosilicate and sulfate minerals that are expected at Gale crater on the basis of remote sensing observations.

For more than a decade, the CheMin X-ray diffraction instrument on the Mars Science Laboratory rover, Curiosity, has been returning definitive and quantitative mineralogical and mineral–chemistry data from ~3.5-billion-year-old (Ga) sediments in Gale crater, Mars. To date, 40 drilled rock samples and three scooped soil samples have been analyzed during the rover’s 30+ km transit. These samples document the mineralogy of over 800 m of flat-lying fluvial, lacustrine, and aeolian sedimentary rocks that comprise the lower strata of the central mound of Gale crater (Aeolis Mons, informally known as Mt. Sharp) and the surrounding plains (Aeolis Palus, informally known as the Bradbury Rise). The principal mineralogy of the sedimentary rocks is of basaltic composition, with evidence of post-depositional diagenetic overprinting. The rocks in many cases preserve much of their primary mineralogy and sedimentary features, suggesting that they were never strongly heated or deformed. Using aeolian soil composition as a proxy for the composition of the deposited and lithified sediment, it appears that, in many cases, the diagenetic changes observed are principally isochemical. Exceptions to this trend include secondary nodules, calcium sulfate veining, and rare Si-rich alteration halos. A surprising and yet poorly understood observation is that nearly all of the ~3.5 Ga sedimentary rocks analyzed to date contain 15–70 wt.% of X-ray amorphous material. Overall, this >800 m section of sedimentary rock explored in lower Mt. Sharp documents a perennial shallow lake environment grading upward into alternating lacustrine/fluvial and aeolian environments, many of which would have been habitable to microbial life.

ABSTRACT Natural populations are characterized by abundant genetic diversity driven by a range of different types of mutation. The tractability of sequencing complete genomes has allowed new insights into the variable composition of genomes, summarized as a species pan-genome. These analyses demonstrate that many genes are absent from the first reference genomes, whose analysis dominated the initial years of the genomic era. Our field now turns towards understanding the functional consequence of these highly variable genomes. Here, we analyzed weighted gene co-expression networks from leaf transcriptome data for drought response in the purple false brome Brachypodium distachyon and the differential expression of genes putatively involved in adaptation to this stressor. We specifically asked whether genes with variable “occupancy” in the pan-genome – genes which are either present in all studied genotypes or missing in some genotypes – show different distributions among co-expression modules. Co-expression analysis united genes expressed in drought-stressed plants into nine modules covering 72 hub genes (87 hub isoforms), and genes expressed under controlled water conditions into 13 modules, covering 190 hub genes (251 hub isoforms). We find that low occupancy pan-genes are under-represented among several modules, while other modules are over-enriched for low-occupancy pan-genes. We also provide new insight into the regulation of drought response in B. distachyon , specifically identifying one module with an apparent role in primary metabolism that is strongly responsive to drought. Our work shows the power of integrating pan-genomic analysis with transcriptomic data using factorial experiments to understand the functional genomics of environmental response.

Abstract The phenological timing of leaf-out in temperate forests is a critical transition point each year, altering the global climate system via changes to carbon and hydrologic cycles and land-surface albedo. In turn, climate is impacting phenology by advancing leaf-out an average of 2.8 +/-0.35 days per decade as the planet warms. Thus, understanding the relationship between warming and leaf-out is critical for understanding future global change. Rural-to-urban gradients in temperature, which result in clines over which urban areas are up to 4°C warmer than their surrounding countryside (dubbed the urban heat island – UHI – effect), may be used as a space-for-time substitution in studies of response to climate change. However, studies have recently highlighted that using the UHI effect over space rather than measurements at the same site through time results in consistently weaker relationships between temperature and leaf-out date in spring (i.e., urban-to-rural gradients underpredict the impact of warming on leaf-out). While such studies suggest many potential environmental explanations, the effect of genetic diversity is often neglected. While sensitive to environmental warming, leaf-out phenology is also highly heritable. Given that rural areas are largely natural sites, they likely have higher intraspecific genetic diversity than urban sites, where plants are selected by land managers for a narrow set of resilience traits. Here we measured the environment, genomic background, and phenological timing of northern red oak ( Q. rubra ) over several years between an urban and rural site to demonstrate how genetic background explains why the UHI effect leads to an underprediction of plant response to warming. Using a space-for-time substitution, we found that the date of leaf-out at our sites is predicted to advance approximately 20 days over the next 80 years. However, if we further account for the genomic background at the two sites, leaf-out, phenology is predicted to advance 22 days; a 10% difference between the two models. We demonstrate that this stronger relationship is because urban trees are largely a monoculture and, moreover, are most closely related to individuals at the rural site that leaf out latest. We highlight the critical need to consider genetic background, particularly in studies examining highly heritable traits, because both environment and genetics are changing across rural-to-urban gradients.

Abstract Dehydration proteins (dehydrins, DHNs) confer tolerance to water-stress deficit to plants, thus playing a fundamental role in plant response and adaptation to water-deprivation stressful environments. We have performed a comparative genomics and evolutionary study of DHN genes in four model Brachypodium grass species, and a drought-induced functional analysis in 32 ecotypes of the flagship species B. distachyon, to gain insight into the origins and dynamics of these proteins and the correlated drought-mediated phenotypic responses in ecotypes showing different hydric requirements. Genomic sequence analysis detected 10 types of dehydrin genes ( Bdhn ) across the Brachypodium species, totalling 47 genes. Domain and conserved motif contents of peptides encoded by Bdhn genes revealed eight protein architectures, YSɸK 2 being the most common architecture. Bdhn genes were spread across several chromosomes and more frequent in syntenic chromosomes 3 and 4 of B. distachyon , 4 and 5 of B. stacei and 4 of B. sylvaticum . Tandem and segmental duplication events were detected for four Bdhn genes. Selection analysis indicated that all the Bdhn genes were constrained by purifying selection. Three upstream cis -regulatory motifs (BES1, MYB124, ZAT) were consistently detected in several Bdhn genes. Functional analysis in 32 natural accessions of B. distachyon demonstrated that only four Bdhn genes ( Bdhn 1, Bdhn 2, Bdhn 3, Bdhn 7) were expressed in mature leaves and that all of them were significantly more highly expressed in plants under drought conditions. These genes corresponded to wheat orthologs that were also significantly more expressed under drought stress. Brachypodium dehydrin expression was significantly correlated with drought-response phenotypic traits (plant biomass, leaf carbon and proline contents and WUE increases, leaf water and nitrogen content changes) being more pronounced in drought-tolerant ecotypes. Bdhn expression, associated phenotypic trait changes and climate niche variation did not show significant phylogenetic signal when tested in the B. distachyon genealogical-species tree. By contrast, some of them showed low or marginal significant phylogenetic signal when tested in the B. distachyon Bdhn tree, suggesting that Bdhn gene evolution is partially related to adaptation to drought in this species. Our results demonstrate that dehydrin composition and regulation is a key factor determining the acquisition of water-stress tolerance in grasses.