The evolution of land flora transformed the terrestrial environment. Land plants evolved from an ancestral charophycean alga from which they inherited developmental, biochemical, and cell biological attributes. Additional biochemical and physiological adaptations to land, and a life cycle with an alternation between multicellular haploid and diploid generations that facilitated efficient dispersal of desiccation tolerant spores, evolved in the ancestral land plant. We analyzed the genome of the liverwort Marchantia polymorpha, a member of a basal land plant lineage. Relative to charophycean algae, land plant genomes are characterized by genes encoding novel biochemical pathways, new phytohormone signaling pathways (notably auxin), expanded repertoires of signaling pathways, and increased diversity in some transcription factor families. Compared with other sequenced land plants, M. polymorpha exhibits low genetic redundancy in most regulatory pathways, with this portion of its genome resembling that predicted for the ancestral land plant.PaperClip/cms/asset/a5798ed4-7289-43d4-b493-90cae7386787/mmc12.mp3Loading ...(mp3, 2.95 MB) Download audio

Targeted genome modification technologies are key tools for functional genomics. The clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-associated endonuclease Cas9 system (CRISPR/Cas9) is an emerging technology for targeted genome modification. The CRISPR/Cas9 system consists of a short guide RNA (gRNA), which specifies the target genome sequence, and the Cas9 protein, which has endonuclease activity. The CRISPR/Cas9 system has been applied to model animals and flowering plants, including rice, sorghum, wheat, tobacco and Arabidopsis. Here, we report the application of CRISPR/Cas9 to targeted mutagenesis in the liverwort Marchantia polymorpha L., which has emerged as a model species for studying land plant evolution. The U6 promoter of M. polymorpha was identified and cloned to express the gRNA. The target sequence of the gRNA was designed to disrupt the gene encoding auxin response factor 1 (ARF1) in M. polymorpha. Using Agrobacterium-mediated transformation, we isolated stable mutants in the gametophyte generation of M. polymorpha. CRISPR/Cas9-based site-directed mutagenesis in vivo was achieved using either the Cauliflower mosaic virus 35S or M. polymorpha EF1α promoter to express Cas9. Isolated mutant individuals showing an auxin-resistant phenotype were not chimeric. Moreover, stable mutants were produced by asexual reproduction of T1 plants. Multiple arf1 alleles were easily established using CRIPSR/Cas9-based targeted mutagenesis. Our results provide a rapid and simple approach for molecular genetics in M. polymorpha, and raise the possibility that CRISPR/Cas9 may be applied to a wide variety of plant species.

Marchantia polymorpha is one of the model species of basal land plants. Although CRISPR/Cas9-based genome editing has already been demonstrated for this plant, the efficiency was too low to apply to functional analysis. In this study, we show the establishment of CRISPR/Cas9 genome editing vectors with high efficiency for both construction and genome editing. Codon optimization of Cas9 to Arabidopsis achieved over 70% genome editing efficiency at two loci tested. Systematic assessment revealed that guide sequences of 17 nt or shorter dramatically decreased this efficiency. We also demonstrated that a combinatorial use of this system and a floxed complementation construct enabled conditional analysis of a nearly essential gene. This study reports that simple, rapid, and efficient genome editing is feasible with the series of developed vectors.

Abstract Pattern-recognition receptor (PRR)-triggered immunity (PTI) wards off a wide range of pathogenic microbes, playing a pivotal role in plant immunity. The model liverwort Marchantia polymorpha is emerging as a popular model for investigating the evolution of plant-microbe interactions. M. polymorpha triggers defense-related gene expression upon sensing components of bacterial and fungal extracts, suggesting the existence of PTI in this plant model. However, the molecular components of the putative PTI in M. polymorpha have not yet been described. We show that, in M. polymorpha , which has four LysM receptor homologs, lysin motif (LysM) receptor-like kinase (LYK) MpLYK1 and LYK-related (LYR) MpLYR are required for sensing chitin and peptidoglycan fragments, triggering a series of characteristic immune responses. Comprehensive phosphoproteomic analysis of M. polymorpha in response to chitin treatment identified regulatory proteins that potentially shape LysM-mediated PTI. The identified proteins included homologs of well-described PTI components in angiosperms as well as proteins whose roles in PTI are not yet determined, including the blue-light receptor phototropin MpPHOT. We revealed that MpPHOT is required for a negative feedback of defense-related gene expression during PTI. Taken together, this study outlines the basic framework of LysM-mediated PTI in M. polymorpha and demonstrates the utility of M. polymorpha as a plant model for discovering novel or fundamental molecular mechanisms underlying PRR-triggered immune signaling in plants.

Abstract The evolution of special types of cells requires the acquisition of new gene regulatory networks controlled by transcription factors (TFs). In stomatous plants, a TF module formed by subfamilies Ia and IIIb basic helix-loop-helix TFs (Ia-IIIb bHLH) regulates stomatal formation; however, how this module evolved during land plant diversification remains unclear. Here, we show that, in the astomatous liverwort Marchantia polymorpha , a Ia-IIIb bHLH module regulates the development of a unique sporophyte tissue, the seta, which is found in mosses and liverworts. The sole Ia bHLH gene, Mp SETA , and a IIIb bHLH gene, Mp ICE2 , regulate the cell division and/or differentiation of seta lineage cells. MpSETA can partially replace the stomatal function of Ia bHLH TFs in Arabidopsis thaliana , suggesting that a common regulatory mechanism underlies the setal and stomatal formation. Our findings reveal the co-option of a Ia-IIIb bHLH TF module for regulating cell fate determination and/or cell division of distinct types of cells during land plant evolution.

Nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) possess anti-inflammatory, antipyretic, and analgesic properties and are among the most commonly used drugs. Although the cause of NSAID-induced gastric ulcers is well understood, the mechanism behind small intestinal ulcers remains elusive. In this study, we examined the mechanism through which indomethacin (IM), a prominent NSAID, induces small intestinal ulcers, both in vitro and in vivo. In IEC6 cells, a small intestinal epithelial cell line, IM treatment elevated levels of LC3-II and p62. These expression levels remained unaltered after treatment with chloroquine or bafilomycin, which are vacuolar ATPase (V-ATPase) inhibitors. IM treatment reduced the activity of cathepsin B, a lysosomal protein hydrolytic enzyme, and increased the lysosomal pH. There was a notable increase in subcellular colocalization of LC3 with Lamp2, a lysosome marker, post IM treatment. The increased lysosomal pH and decreased cathepsin B activity were reversed by pretreatment with rapamycin (Rapa) or glucose starvation, both of which stabilize V-ATPase assembly. To validate the in vitro findings in vivo, we established an IM-induced small intestine ulcer mouse model. In this model, we observed multiple ulcerations and heightened inflammation following IM administration. However, pretreatment with Rapa or fasting, which stabilize V-ATPase assembly, mitigated the IM-induced small intestinal ulcers in mice. Coimmunoprecipitation studies demonstrated that IM binds to V-ATPase in vitro and in vivo. These findings suggest that IM induces small intestinal injury through lysosomal dysfunction, likely due to the disassembly of lysosomal V-ATPase caused by direct binding. Moreover, Rapa or starvation can prevent this injury by stabilizing the assembly. SIGNIFICANCE STATEMENT: This study elucidates the largely unknown mechanisms behind small intestinal ulceration induced by indomethacin and reveals the involvement of lysosomal dysfunction via vacuolar ATPase disassembly. The significance lies in identifying potential preventative interventions, such as rapamycin treatment or glucose starvation, offering pivotal insights that extend beyond nonsteroidal anti-inflammatory drugs-induced ulcers to broader gastrointestinal pathologies and treatments, thereby providing a foundation for novel therapeutic strategies aimed at a wide array of gastrointestinal disorders.

Marchantia polymorpha is one of the model species of basal land plants. Although CRISPR/Cas9-based genome editing has already been demonstrated for this plant, the efficiency was too low to apply to functional analysis. In this study, we show the establishment of CRISPR/Cas9 genome editing vectors with high efficiency for both construction and genome editing. Codon optimization of Cas9 to Arabidopsis achieved over 70% genome editing efficiency at two loci tested. Systematic assessment revealed that guide sequences of 17 nt or shorter dramatically decreased this efficiency. We also demonstrated that a combinatorial use of this system and a floxed complementation construct enabled conditional analysis of a nearly essential gene. This study reports that simple, rapid, and efficient genome editing is feasible with the series of developed vectors.

Abstract Immune checkpoint inhibitors (ICIs) are effective against many advanced malignancies. However, many patients are nonresponders to immunotherapy, and overcoming this resistance to treatment is important. Boron neutron capture therapy (BNCT) is a local chemoradiation therapy with the combination of boron drugs that accumulate selectively in cancer and the neutron irradiation of the cancer site. Here, we report the first boron neutron immunotherapy (B‐NIT), combining BNCT and ICI immunotherapy, which was performed on a radioresistant and immunotherapy‐resistant advanced‐stage B16F10 melanoma mouse model. The BNCT group showed localized tumor suppression, but the anti‐PD‐1 antibody immunotherapy group did not show tumor suppression. Only the B‐NIT group showed strong tumor growth inhibition at both BNCT‐treated and shielded distant sites. Intratumoral CD8+ T‐cell infiltration and serum high mobility group box 1 (HMGB1) levels were higher in the B‐NIT group. Analysis of CD8 + T cells in tumor‐infiltrating lymphocytes (TILs) showed that CD62L‐ CD44 + effector memory T cells and CD69 + early‐activated T cells were predominantly increased in the B‐NIT group. Administration of CD8‐depleting mAb to the B‐NIT group completely suppressed the augmented therapeutic effects. This indicated that B‐NIT has a potent immune‐induced abscopal effect, directly destroying tumors with BNCT, inducing antigen‐spreading effects, and protecting normal tissue. B‐NIT, immunotherapy combined with BNCT, is the first treatment to overcome immunotherapy resistance in malignant melanoma. In the future, as its therapeutic efficacy is demonstrated not only in melanoma but also in other immunotherapy‐resistant malignancies, B‐NIT can become a new treatment candidate for advanced‐stage cancers.