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.

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.

Alternative splicing can enhance transcriptome plasticity and proteome diversity. In plants, alternative splicing can be manifested at different developmental stages, and is frequently associated with specific tissue types or environmental conditions such as abiotic stress. We mapped the Arabidopsis transcriptome at single-base resolution using the Illumina platform for ultrahigh-throughput RNA sequencing (RNA-seq). Deep transcriptome sequencing confirmed a majority of annotated introns and identified thousands of novel alternatively spliced mRNA isoforms. Our analysis suggests that at least ∼42% of intron-containing genes in Arabidopsis are alternatively spliced; this is significantly higher than previous estimates based on cDNA/expressed sequence tag sequencing. Random validation confirmed that novel splice isoforms empirically predicted by RNA-seq can be detected in vivo. Novel introns detected by RNA-seq were substantially enriched in nonconsensus terminal dinucleotide splice signals. Alternative isoforms with premature termination codons (PTCs) comprised the majority of alternatively spliced transcripts. Using an example of an essential circadian clock gene, we show that intron retention can generate relatively abundant PTC + isoforms and that this specific event is highly conserved among diverse plant species. Alternatively spliced PTC + isoforms can be potentially targeted for degradation by the nonsense mediated mRNA decay (NMD) surveillance machinery or regulate the level of functional transcripts by the mechanism of regulated unproductive splicing and translation (RUST). We demonstrate that the relative ratios of the PTC + and reference isoforms for several key regulatory genes can be considerably shifted under abiotic stress treatments. Taken together, our results suggest that like in animals, NMD and RUST may be widespread in plants and may play important roles in regulating gene expression.

The shift in plants from vegetative growth to floral development is regulated by red-far-red light receptors (phytochromes) and blue-ultraviolet A light receptors (cryptochromes). A mutation in the Arabidopsis thaliana CRY2 gene encoding a blue-light receptor apoprotein (CRY2) is allelic to the late-flowering mutant, fha. Flowering in cry2/fha mutant plants is only incompletely responsive to photoperiod. Cryptochrome 2 (cry2) is a positive regulator of the flowering-time gene CO, the expression of which is regulated by photoperiod. Analysis of flowering in cry2 and phyB mutants in response to different wavelengths of light indicated that flowering is regulated by the antagonistic actions of phyB and cry2.

How growth regulators provoke context-specific signals is a fundamental question in developmental biology. In plants, both auxin and brassinosteroids (BRs) promote cell expansion, and it was thought that they activated this process through independent mechanisms. In this work, we describe a shared auxin:BR pathway required for seedling growth. Genetic, physiological, and genomic analyses demonstrate that response from one pathway requires the function of the other, and that this interdependence does not act at the level of hormone biosynthetic control. Increased auxin levels saturate the BR-stimulated growth response and greatly reduce BR effects on gene expression. Integration of these two pathways is downstream from BES1 and Aux/IAA proteins, the last known regulatory factors acting downstream of each hormone, and is likely to occur directly on the promoters of auxin:BR target genes. We have developed a new approach to identify potential regulatory elements acting in each hormone pathway, as well as in the shared auxin:BR pathway. We show that one element highly overrepresented in the promoters of auxin- and BR-induced genes is responsive to both hormones and requires BR biosynthesis for normal expression. This work fundamentally alters our view of BR and auxin signaling and describes a powerful new approach to identify regulatory elements required for response to specific stimuli.

Ray Ming, Robert Paull, Qingyi Yu and colleagues report the genome sequences of two cultivated pineapple varieties and one wild pineapple relative. Their analysis supports the use of the pineapple as a reference genome for monocot comparative genomics and provides insight into the evolution of crassulacean acid metabolism photosynthesis. Pineapple (Ananas comosus (L.) Merr.) is the most economically valuable crop possessing crassulacean acid metabolism (CAM), a photosynthetic carbon assimilation pathway with high water-use efficiency, and the second most important tropical fruit. We sequenced the genomes of pineapple varieties F153 and MD2 and a wild pineapple relative, Ananas bracteatus accession CB5. The pineapple genome has one fewer ancient whole-genome duplication event than sequenced grass genomes and a conserved karyotype with seven chromosomes from before the ρ duplication event. The pineapple lineage has transitioned from C3 photosynthesis to CAM, with CAM-related genes exhibiting a diel expression pattern in photosynthetic tissues. CAM pathway genes were enriched with cis-regulatory elements associated with the regulation of circadian clock genes, providing the first cis-regulatory link between CAM and circadian clock regulation. Pineapple CAM photosynthesis evolved by the reconfiguration of pathways in C3 plants, through the regulatory neofunctionalization of preexisting genes and not through the acquisition of neofunctionalized genes via whole-genome or tandem gene duplication.

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.

Organellar DNA sequences are widely used in evolutionary and population genetic studies, however, the conservative nature of chloroplast gene and genome evolution often limits phylogenetic resolution and statistical power. To gain maximal access to the historical record contained within chloroplast genomes, we have adapted multiplex sequencing-by-synthesis (MSBS) to simultaneously sequence multiple genomes using the Illumina Genome Analyzer. We PCR-amplified ∼120 kb plastomes from eight species (seven Pinus , one Picea ) in 35 reactions. Pooled products were ligated to modified adapters that included 3 bp indexing tags and samples were multiplexed at four genomes per lane. Tagged microreads were assembled by de novo and reference-guided assembly methods, using previously published Pinus plastomes as surrogate references. Assemblies for these eight genomes are estimated at 88–94% complete, with an average sequence depth of 55× to 186×. Mononucleotide repeats interrupt contig assembly with increasing repeat length, and we estimate that the limit for their assembly is 16 bp. Comparisons to 37 kb of Sanger sequence show a validated error rate of 0.056%, and conspicuous errors are evident from the assembly process. This efficient sequencing approach yields high-quality draft genomes and should have immediate applicability to genomes with comparable complexity.

Cryptochrome is a group of flavin-type blue light receptors that regulate plant growth and development. The function of Arabidopsis cryptochrome 2 in the early photomorphogenesis of seedlings was studied by using transgenic plants overexpressing CRY2 protein, and cry2 mutant plants accumulating no CRY2 protein. It is found that cryptochrome 2 mediates blue light-dependent inhibition of hypocotyl elongation and stimulation of cotyledon opening under low intensities of blue light. In contrast to CRY1, the expression of CRY2 is rapidly down-regulated by blue light in a light-intensity dependent manner, which provides a molecular mechanism to explain at least in part that cryptochrome 2 functions primarily under low light during the early development of seedlings.

Much of the brain's enormous energy consumption is unaccounted for by its responses to external stimuli. What is this energy used for, and how do we study it?