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.

Modern sugarcanes are polyploid interspecific hybrids, combining high sugar content from Saccharum officinarum with hardiness, disease resistance and ratooning of Saccharum spontaneum. Sequencing of a haploid S. spontaneum, AP85-441, facilitated the assembly of 32 pseudo-chromosomes comprising 8 homologous groups of 4 members each, bearing 35,525 genes with alleles defined. The reduction of basic chromosome number from 10 to 8 in S. spontaneum was caused by fissions of 2 ancestral chromosomes followed by translocations to 4 chromosomes. Surprisingly, 80% of nucleotide binding site-encoding genes associated with disease resistance are located in 4 rearranged chromosomes and 51% of those in rearranged regions. Resequencing of 64 S. spontaneum genomes identified balancing selection in rearranged regions, maintaining their diversity. Introgressed S. spontaneum chromosomes in modern sugarcanes are randomly distributed in AP85-441 genome, indicating random recombination among homologs in different S. spontaneum accessions. The allele-defined Saccharum genome offers new knowledge and resources to accelerate sugarcane improvement. Sequencing of haploid sugarcane, Saccharum spontaneum, allows assembly of a prototypical version of the sugarcane chromosome set. This new reference genome will serve as a resource to accelerate sugarcane improvement.

Abstract C4 photosynthesis drives productivity in several major food crops and bioenergy grasses, including maize (Zea mays), sugarcane (Saccharum officinarum), sorghum (Sorghum bicolor), Miscanthus x giganteus, and switchgrass (Panicum virgatum). Gains in productivity associated with C4 photosynthesis include improved water and nitrogen use efficiencies. Thus, engineering C4 traits into C3 crops is an attractive target for crop improvement. However, the lack of a small, rapid cycling genetic model system to study C4 photosynthesis has limited progress in dissecting the regulatory networks underlying the C4 syndrome. Setaria viridis is a member of the Panicoideae clade and is a close relative of several major feed, fuel, and bioenergy grasses. It is a true diploid with a relatively small genome of ~510 Mb. Its short stature, simple growth requirements, and rapid life cycle will greatly facilitate genetic studies of the C4 grasses. Importantly, S. viridis uses an NADP-malic enzyme subtype C4 photosynthetic system to fix carbon and therefore is a potentially powerful model system for dissecting C4 photosynthesis. Here, we summarize some of the recent advances that promise greatly to accelerate the use of S. viridis as a genetic system. These include our recent successful efforts at regenerating plants from seed callus, establishing a transient transformation system, and developing stable transformation.

The theoretical upper limit for the operational efficiency of plant photosynthesis has been estimated from a detailed stepwise analysis of the biophysical and biochemical subprocesses to be about 4.6% for C3 and 6.0% C4 plants ([Zhu et al., 2008][1], [2010][2]). (These estimates assume a leaf

Abstract Melatonin, an antioxidant in both animals and plants, has been reported to have beneficial effects on the aging process. It was also suggested to play a role in extending longevity and enhancing abiotic stress resistance in plant. In this study, we demonstrate that melatonin acts as a potent agent to delay leaf senescence and cell death in rice. Treatments with melatonin significantly reduced chlorophyll degradation, suppressed the transcripts of senescence‐associated genes, delayed the leaf senescence, and enhanced salt stress tolerance. Genome‐wide expression profiling by RNA sequencing reveals that melatonin is a potent free radical scavenger, and its exogenous application results in enhanced antioxidant protection. Leaf cell death in noe1 , a mutant with over‐produced H 2 O 2 , can be relieved by exogenous application of melatonin. These data demonstrate that melatonin delays the leaf senescence and cell death and also enhances abiotic stress tolerance via directly or indirectly counteracting the cellular accumulation of H 2 O 2 .

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.

Abstract Light induced de-etiolation is an important aspect of seedling photomorphogenesis. GOLDEN2 LIKE (GLK) transcriptional regulators are involved in chloroplast development, but to what extent they participate in photomorphogenesis is not clear. Here we show that ELONGATED HYPOCOTYL5 (HY5) binds to GLK promoters to activate their expression, and also interacts with GLK proteins. Chlorophyll content in the de-etiolating Arabidopsis seedlings of the hy5 glk2 double mutants was lower than that in hy5 single mutant. GLKs inhibited hypocotyl elongation, and the phenotype could superimpose on the hy5 phenotype. Correspondingly, GLK2 regulates the expression of photosynthesis and cell elongation genes partially independent of HY5. Before exposed to light, the accumulation of GLK proteins was regulated by DE-ETIOLATED 1 (DET1), while also affected (especially for GLK1) transcriptionally by HY5. The enhanced etioplast development and photosystem gene expression observed in det1 mutant were attenuated in det1 glk2 double mutant. Our study reveals that GLKs act down-stream of HY5 and likely cooperate with HY5 and DET1, to orchestrate multiple developmental traits during the light-induced skotomorphogenesis to photomorphogenesis transition in Arabidopsis. One-sentence summary GLK and GNC act downstream of HY5, and cooperate with HY5 and DET1, to regulate both chloroplast development and hypocotyl elongation during the transition from skotomorphogenesis to photomorphogenesis.

Summary Typical C 4 plants such as maize possess highly optimized Kranz-type leaf anatomy, whereby concentric wreaths of mesophyll and bundle sheath cells surround closely spaced veins. The veins and the cells that surround them are derived from the middle ground meristem (mGM) through processes that are as yet undefined. Here we distinguished the active zone of vascular development within early leaf primordia, and used comparative transcriptomics of sub-sectioned maize and rice primordia to identify cohorts of genes likely involved in early Kranz development. Leveraging single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) we then explored the cell heterogeneity and developmental trajectories within single maize leaf primordia. Assisted by in situ hybridization, cell clusters of mGM and procambium were identified, with candidate marker genes showing different yet inter-related expression patterns. Localization of the vascular marker ZmSHR1 was preceded by that of ZmEREB161 and ZmEREB114 in terms of procambium initiation. Potential subclusters of bundle sheath cells and different layer of mesophyll cells were depicted from developing cells toward the tip of sub-sectioned maize primordia. Collectively our results identify potential mGM derived or procambium localized Kranz regulators and provide resources for investigating leaf vein development in maize and rice, at sub-primordium and single-cell resolution.

Abstract Low CO 2 condition was considered a preconditioning or selection pressure for C 4 evolution. However, it remains elucidated how low CO 2 condition contribute to the evolutionary assembly of the C 4 pathway. We conducted a systematic transcriptomics and metabolomics analysis under short-term low CO 2 condition and found that Arabidopsis grown under this condition showed increased expression of most genes encoding C 4 - related enzymes and transporters. Low CO 2 condition increased NH 4 + content in leaves; as expected, photorespiratory and ammonia refixing pathways were enhanced. Furthermore, we found that compared to low CO 2 condition, in vitro treatment with NH 4 + induced a similar pattern of changes in C 4 related genes and genes involved in ammonia refixation. This supports that increased expression of C 4 genes induced by low CO 2 condition can supply carbon skeleton for ammonia recycling. This study provides new insight into the regulatory preconditioning which may have facilitated the evolution of C 4 photosynthesis under low atmospheric CO 2 environments.