Completion of genome sequences for the diploid Setaria italica reveals features of C4 photosynthesis that could enable improvement of the polyploid biofuel crop switchgrass (Panicum virgatum). The genetic basis of biotechnologically relevant traits, including drought tolerance, photosynthetic efficiency and flowering control, is also highlighted. We generated a high-quality reference genome sequence for foxtail millet (Setaria italica). The ∼400-Mb assembly covers ∼80% of the genome and >95% of the gene space. The assembly was anchored to a 992-locus genetic map and was annotated by comparison with >1.3 million expressed sequence tag reads. We produced more than 580 million RNA-Seq reads to facilitate expression analyses. We also sequenced Setaria viridis, the ancestral wild relative of S. italica, and identified regions of differential single-nucleotide polymorphism density, distribution of transposable elements, small RNA content, chromosomal rearrangement and segregation distortion. The genus Setaria includes natural and cultivated species that demonstrate a wide capacity for adaptation. The genetic basis of this adaptation was investigated by comparing five sequenced grass genomes. We also used the diploid Setaria genome to evaluate the ongoing genome assembly of a related polyploid, switchgrass (Panicum virgatum).

Eucalypts are the world’s most widely planted hardwood trees. Their outstanding diversity, adaptability and growth have made them a global renewable resource of fibre and energy. We sequenced and assembled >94% of the 640-megabase genome of Eucalyptus grandis. Of 36,376 predicted protein-coding genes, 34% occur in tandem duplications, the largest proportion thus far in plant genomes. Eucalyptus also shows the highest diversity of genes for specialized metabolites such as terpenes that act as chemical defence and provide unique pharmaceutical oils. Genome sequencing of the E. grandis sister species E. globulus and a set of inbred E. grandis tree genomes reveals dynamic genome evolution and hotspots of inbreeding depression. The E. grandis genome is the first reference for the eudicot order Myrtales and is placed here sister to the eurosids. This resource expands our understanding of the unique biology of large woody perennials and provides a powerful tool to accelerate comparative biology, breeding and biotechnology. The Eucalyptus grandis genome has been sequenced, revealing the greatest number of tandem duplications of any plant genome sequenced so far, and the highest diversity of genes for specialized metabolites that act as chemical defence and provide unique pharmaceutical oils; genome sequencing of the sister species E. globulus and a set of inbred E. grandis tree genomes reveals dynamic genome evolution and hotspots of inbreeding depression. Fast-growing Eucalyptus trees form the basis of an international pulp, paper and chemical cellulose industry and they are also seen as potential biomass feedstocks for bioenergy and biomaterials. The genome of Eucalyptus grandis has now been sequenced. It contains the greatest number of tandem duplications so far found in a plant genome, as well as the highest diversity of genes for specialized metabolites that act as chemical defence and provide unique pharmaceutical oils. Comparison with the sister species E. globulus and with other E. grandis lines reveals dynamic genome evolution and hotspots of inbreeding depression. The availability of comprehensive genomic data will be of use in work on accelerating breeding cycles for productivity and wood quality and developing eucalypt strains suited to a variety of habitats.

Summary A large number of noncoding circular RNA s (circ RNA s) with regulatory potency have been identified in animals, but little attention has been given to plant circ RNA s. We performed genome‐wide identification of circ RNA s in Oryza sativa and Arabidopsis thaliana using publically available RNA ‐Seq data, analyzed and compared features of plant and animal circ RNA s. circ RNA s (12037 and 6012) were identified in Oryza sativa and Arabidopsis thaliana , respectively, with 56% (10/18) of the sampled rice exonic circ RNA s validated experimentally. Parent genes of over 700 exonic circ RNA s were orthologues between rice and Arabidopsis , suggesting conservation of circ RNA s in plants. The introns flanking plant circ RNA s were much longer than introns from linear genes, and possessed less repetitive elements and reverse complementary sequences than the flanking introns of animal circ RNA s. Plant circ RNA s showed diverse expression patterns, and 27 rice exonic circ RNA s were found to be differentially expressed under phosphate‐sufficient and ‐starvation conditions. A significantly positive correlation was observed for the expression profiles of some circ RNA s and their parent genes. Our results demonstrated that circ RNA s are widespread in plants, revealed the common and distinct features of circ RNA s between plants and animals, and suggested that circ RNA s could be a critical class of noncoding regulators in plants.

Protein-coding genes are considered to be a dominant component of the eukaryotic transcriptome; however, many studies have shown that intergenic, non-coding transcripts also play an important role. Long intergenic non-coding RNAs (lincRNAs) were found to play a vital role in human and Arabidopsis. However, lincRNAs and their regulatory roles remain poorly characterized in woody plants, especially Populus trichocarpa (P. trichocarpa). A large set of Populus RNA-Seq data were examined with high sequencing depth under control and drought conditions and a total of 2542 lincRNA candidates were identified. In total, 51 lincRNAs and 20 lincRNAs were identified as putative targets and target mimics of known Populus miRNAs, respectively. A total of 504 lincRNAs were found to be drought responsive, eight of which were confirmed by RT-qPCR. These findings provide a comprehensive view of Populus lincRNAs, which will enable in-depth functional analysis.

Abstract Momilactone A, an important plant labdane-related diterpenoid, functions as a phytoalexin against pathogens and an allelochemical against neighboring plants. The genes involved in biosynthesis of momilactone A are found in clusters, i.e., MABGCs (Momilactone A biosynthetic gene clusters), in the rice and barnyardgrass genomes. How MABGCs originate and evolve is still not clear. Here, we integrated results from comprehensive phylogeny and comparative genomic analyses of the core genes of MABGC-like clusters and MABGCs in 40 monocot plant genomes, providing convincing evidence for the birth and evolution of MABGCs in grass species. The MABGCs found in the PACMAD clade of the core grass lineage (including Panicoideae and Chloridoideae) originated from a MABGC-like cluster in Triticeae (BOP clade) via horizontal gene transfer (HGT) and followed by recruitment of MAS and CYP76L1 genes. The MABGCs in Oryzoideae originated from PACMAD through another HGT event and lost CYP76L1 afterwards. The Oryza MABGC and another Oryza diterpenoid cluster c2BGC are two distinct clusters, with the latter being originated from gene duplication and relocation within Oryzoideae. Further comparison of the expression patterns of the MABGC genes between rice and barnyardgrass in response to pathogen infection and allelopathy provides novel insights into the functional innovation of MABGCs in plants. Our results demonstrate HGT-mediated origination of MABGCs in grass and shed lights into the evolutionary innovation and optimization of plant biosynthetic pathways.

Abstract Asian rice is one of the world’s most widely cultivated crops. Large-scale resequencing analyses have been undertaken to explore the domestication and de-domestication genomic history of Asian rice, but the evolution of rice is still under debate. Here, we construct a syntelog-based rice pan-genome by integrating and merging 74 high-accuracy genomes based on long-read sequencing, encompassing all ecotypes and taxa of Oryza sativa and Oryza rufipogon . Analyses of syntelog groups illustrate subspecies divergence in gene presence-and-absence and haplotype composition and identify massive genomic regions putatively introgressed from ancient Geng/ japonica to ancient Xian/ indica or its wild ancestor, including almost all well-known domestication genes and a 4.5-Mb centromere-spanning block, supporting a single domestication event in rice. Genomic comparisons between weedy and cultivated rice highlight the contribution from wild introgression to the emergence of de-domestication syndromes in weedy rice. This work highlights the significance of inter-taxa introgression in shaping diversification and divergence in rice evolution and provides an exploratory attempt by utilizing the advantages of pan-genomes in evolutionary studies.

Abstract Benzoxazinoids are a class of protective and allelopathic plant secondary metabolites, first identified in maize ( Zea mays ) and subsequently shown to be encoded by a biosynthetic gene cluster (BGC), the Bx cluster. Data mining of mining 40 high-quality grass genomes identified complete Bx clusters (containing genes Bx1 to Bx5 and Bx8 ) in three genera ( Zea, Echinochloa and Dichanthelium ) in the Panicoideae and partial clusters in the Triticeae. The Bx cluster originated from gene duplication of native analogues of Bx genes and chromosomal translocation. An ancient Bx cluster including additional Bx genes (e.g., Bx6 ) is found in ancestral Panicoideae. The ancient Bx cluster was gained by the Triticeae ancestor via a horizontal transfer (HT) event from the ancestral Panicoideae and later separated into three parts on different chromosomes. Bx6 appears to have been under less constrained selection during evolution of the Panicoideae as evidenced by the fact that was translocated ∼1.31-Mb away from the Bx cluster in Z. mays , moved to other chromosomes in Echinochloa , and even lost in Dichanthelium . Further investigation indicated that intense selection and polyploidization shaped the evolutionary trajectory of the Bx cluster in the grass family. This study provides the first case of HT of BGCs among plants and sheds new insights on the evolution of BGCs. Significance Biosynthetic gene clustering and horizontal gene transfer are two evolutionary inventions for rapid adaption by organisms. Horizontal transfer of a gene cluster has been reported in fungi and bacteria, but not in plants up to now. By mining the genomes of 40 monocot species, we deciphered the organization of Bx gene cluster, a biosynthetic gene cluster for benzoxazinoids in grasses. We found that the Bx cluster was formed by gene duplication of native analogues of individual Bx genes and directional translocation. More importantly, the Bx cluster in Triticeae was inherited from the Panicoideae via horizontal transfer. Compared with the native analogues, Bx clusters in grasses show constrained purifying selection underscoring their significance in environmental adaption.

Brassica napus (AACC, 2n=38), is an important oilseed crop grown worldwide. However, little is known about the population evolution of this species, the genomic difference between its major genetic clusters, such as European and Asian rapeseed, and impacts of historical large-sale introgression events in this young tetraploid. In this study, we reported the de novo assembly of the genome sequences of an Asian rapeseed (B. napus), Ningyou 7 and its four progenitors and carried out de novo assembly-based comparison, pedigree and population analysis with other available genomic data from diverse European and Asian cultivars. Our results showed that Asian rapeseed originally derived from European rapeseed, but it had subsequently significantly diverged, with rapid genome differentiation after intensive local breeding selection. The first historical introgression of B. rapa dramatically broadened the allelic pool of Asian B. napus, but decreased their deleterious variations. The secondary historical introgression of European rapeseed (canola-quality) has reshaped Asian rapeseed into two groups, accompanied by an increase in genetic load. This study demonstrates distinctive genomic footprints by recent intra- and inter-species introgression events for local adaptation, and provide novel insights for understanding the rapid genome evolution of a young allopolyploid crop.