ABSTRACT Gene functional descriptions, which are typically derived from sequence similarity to experimentally validated genes in a handful of model species, offer a crucial line of evidence when searching for candidate genes that underlie trait variation. Plant responses to environmental cues, including gene expression regulatory variation, represent important resources for understanding gene function and crucial targets for plant improvement through gene editing and other biotechnologies. However, even after years of effort and numerous large-scale functional characterization studies, biological roles of large proportions of protein coding genes across the plant phylogeny are poorly annotated. Here we describe the Joint Genome Institute (JGI) Plant Gene Atlas, a public and updateable data resource consisting of transcript abundance assays from 2,090 samples derived from 604 tissues or conditions across 18 diverse species. We integrated across these diverse conditions and genotypes by analyzing expression profiles, building gene clusters that exhibited tissue/condition specific expression, and testing for transcriptional modulation in response to environmental queues. For example, we discovered extensive phylogenetically constrained and condition-specific expression profiles across many gene families and genes without any functional annotation. Such conserved expression patterns and other tightly co-expressed gene clusters let us assign expression derived functional descriptions to 64,620 genes with otherwise unknown functions. The ever-expanding Gene Atlas resource is available at JGI Plant Gene Atlas ( https://plantgeneatlas.jgi.doe.gov ) and Phytozome ( https://phytozome-next.jgi.doe.gov ), providing bulk access to data and user-specified queries of gene sets. Combined, these web interfaces let users access differentially expressed genes, track orthologs across the Gene Atlas plants, graphically represent co-expressed genes, and visualize gene ontology and pathway enrichments.

Abstract Plant regeneration is an important dimension of plant propagation, and a key step in the production of transgenic plants. However, regeneration capacity varies widely among genotypes and species, the molecular basis of which is largely unknown. While association mapping methods such as genome-wide association studies (GWAS) have long demonstrated abilities to help uncover the genetic basis of trait variation in plants, the power of these methods relies on the accuracy and scale of phenotypic data used. To enable a largescale GWAS of in planta regeneration in model tree Populus , we implemented a workflow involving semantic segmentation to quantify regenerating plant tissues (callus and shoot) over time. We found the resulting statistics are of highly non-normal distributions, which necessitated transformations or permutations to avoid violating assumptions of linear models used in GWAS. While transformations can lead to a loss of statistical power, we demonstrate that this can be mitigated by the application of the Augmented Rank Truncation method, or avoided altogether using the Multi-Threaded Monte Carlo SNP-set (Sequence) Kernel Association Test to compute empirical p -values in GWAS. We report over 200 statistically supported candidate genes, with top candidates including regulators of cell adhesion, stress signaling, and hormone signaling pathways, as well as other diverse functions. We demonstrate that sensitive genetic discovery for complex developmental traits can be enabled by a workflow based on computer vision and adaptation of several statistical approaches necessitated by to the complexity of regeneration trait expression and distribution.

Abstract Sphagnum peat mosses is a major genus that is common to peatland ecosystems, where the species contribute to key biogeochemical processes including the uptake and long-term storage of atmospheric carbon. Warming threatens Sphagnum mosses and the peatland ecosystems in which they reside, potentially affecting the fate of vast global carbon stores. The competitive success of Sphagnum species is attributed in part to their symbiotic interactions with microbial associates. These microbes have the potential to rapidly respond to environmental change, thereby helping their host plants survive under changing environmental conditions. To investigate the importance of microbiome thermal origin on host plant thermotolerance, we mechanically separated the microbiome from Sphagnum plants residing in a whole-ecosystem warming study, transferred the component microbes to germ-free plants, and exposed the new hosts to temperature stress. Although warming decreased plant photosynthesis and growth in germ-free plants, the addition of a microbiome from a thermal origin that matched the experimental temperature completely restored plants to their pre-warming growth rates. Metagenome and metatranscriptome analyses revealed that warming altered microbial community structure, including the composition of key cyanobacteria symbionts, in a manner that induced the plant heat shock response, especially the Hsp70 family and jasmonic acid production. The plant heat shock response could be induced even without warming, suggesting that the warming-origin microbiome provided the host plant with thermal preconditioning. Together, our findings show that the microbiome can transmit thermotolerant phenotypes to host plants, providing a valuable strategy for rapidly responding to environmental change.

Abstract Woody biomass is an important feedstock for biofuel production. Manipulation of wood properties that enable efficient conversion of biomass to biofuel reduces cost of biofuel production. Wood cell wall composition is regulated at several levels that involve expression of transcription factors such as wood-/secondary cell wall-associated NAC domains (WND or SND). In Arabidopsis thaliana, SND1 regulates cell wall composition through activation of its down-stream targets such as MYBs. The functional aspects of SND1 homologs in the woody Populus have been studied through transgenic manipulation. In this study, we investigated the role of PdWND1B, Populus SND1 sequence ortholog, in wood formation using transgenic manipulation through over-expression or silencing under the control of a vascular-specific 4 -coumarate- CoA ligase ( 4CL ) promoter. As compared to control plants, PdWND1B -RNAi plants were shorter in height, with significantly reduced stem diameter and dry biomass, whereas there were no significant differences in growth and productivity of PdWND1B over-expression plants. Conversely, PdWND1B over-expression lines showed a significant reduction in cellulose and increase in lignin content, whereas there was no significant impact on lignin content of down-regulated lines. Stem carbohydrate composition analysis revealed a decrease in glucose, mannose, arabinose, and galactose, but an increase in xylose in the over-expression lines. Transcriptome analysis revealed upregulation of several downstream transcription factors and secondary cell wall related structural genes in the PdWND1B over-expression lines that corresponded to significant phenotypic changes in cell wall chemistry observed in PdWND1B overexpression lines. Relative to the control, glucose release and ethanol production from stem biomass was significantly reduced in over-expression lines but appeared enhanced in the RNAi lines. Our results show that PdWND1B is an important factor determining biomass productivity, cell wall chemistry and its conversion to biofuels in Populus .

Horizontal gene transfer (HGT) is a fundamental evolutionary process that plays a key role in bacterial evolution. The likelihood of a successful transfer event is expected to depend on the precise balance of costs and benefits resulting from pathway acquisition. Most experimental analyses of HGT have focused on phenotypes that have large fitness benefits under appropriate selective conditions, such as antibiotic resistance. However, many examples of HGT involve phenotypes that are predicted to provide smaller benefits, such as the ability to catabolize additional carbon sources. We have experimentally reproduced one such HGT event in the laboratory, studying the effects of transferring a pathway for catabolism of the plant-derived aromatic compound salicyl alcohol into soil isolates from the Pseudomonas genus. We find that pathway acquisition enables rapid catabolism of salicyl alcohol with only minor disruptions to existing metabolic and regulatory networks of the new host. However, this new catabolic potential does not confer a measurable fitness advantage during competitive growth in the rhizosphere. We conclude that the phenotype of salicyl alcohol catabolism is readily transferred by HGT but is selectively neutral under environmentally-relevant conditions. We propose that this condition is common and that HGT of many pathways will be self-limiting, because the selective benefits are small and negative frequency-dependent.

Abstract Populus trichocarpa (poplar) is a fast-growing model tree whose lignocellulosic biomass is a promising biofuel feedstock. Enhancing its viability and yield in non-arable drought-prone lands can reduce biomass costs and accelerate adoption as a biofuel crop. Data from extensive -omics and phenotypic studies were leveraged herein to reconstruct a multi-tissue (root, stem and leaf) genome-scale model (GSM) of poplar, iPotri3463, encompassing 14 360 reactions, 12 402 metabolites and 3463 genes. Two condition-specific GSMs were extracted from iPotri3463: iPotri3016C (control) and iPotri2999D (drought), supported by condition-specific transcript levels and reaction essentiality for growth. Physiological constraints consistent with experimental measurements of drought-stressed plants were imposed on growth, photorespiration and carbon assimilation rates. Calculated increased flux capacity through the violaxanthin cycle and GABA biosynthetic pathways agree with established key strategies for improving drought tolerance. Differential gene expression analysis was performed on existing transcriptomes of poplar under different watering regimes. Computational flux knockdown was applied to reactions with increased flux capacity under drought that were associated with at least one downregulated gene. Several such reactions were essential for maintaining observed biomass yield and their associated genes are candidates for overexpression to improve drought tolerance. Glutamine synthetase is one whose overexpression in poplar confirms in silico predictions. However, the two most promising candidates are genes encoding ferulate-5-hydroxylase, Potri.007G016400 and Potri.005G117500, as their overexpression in other plant species led to demonstrably improved drought tolerance while previous overexpression in poplar reduced biomass recalcitrance. iPotri3463 is the first poplar-specific whole-plant GSM and the second one available for a woody plant.

Summary Our study utilized genome‐wide association studies (GWAS) to link nucleotide variants to traits in Populus trichocarpa , a species with rapid linkage disequilibrium decay. The aim was to overcome the challenge of interpreting statistical associations at individual loci without sufficient biological context, which often leads to reliance solely on gene annotations from unrelated model organisms. We employed an integrative approach that included GWAS targeting multiple traits using three individual techniques for lignocellulose phenotyping, expression quantitative trait loci (eQTL) analysis to construct transcriptional regulatory networks around each candidate locus and co‐expression analysis to provide biological context for these networks, using lignocellulose biosynthesis in Populus trichocarpa as a case study. The research identified three candidate genes potentially involved in lignocellulose formation, including one previously recognized gene (Potri.005G116800/VND1, a critical regulator of secondary cell wall formation) and two genes (Potri.012G130000/AtSAP9 and Potri.004G202900/BIC1) with newly identified putative roles in lignocellulose biosynthesis. Our integrative approach offers a framework for providing biological context to loci associated with trait variation, facilitating the discovery of new genes and regulatory networks.

Suppression of immune response is a phenomenon that enables biological processes such as gamete fertilization, cell growth, cell proliferation, endophyte recruitment, parasitism, and pathogenesis. Here, we show for the first time that the Plasminogen-Apple-Nematode (PAN) domain present in G-type lectin receptor-like kinases is essential for immunosuppression in plants. Defense pathways involving jasmonic acid and ethylene are critical for plant immunity against microbes, necrotrophic pathogens, parasites, and insects. Using two Salix purpurea G-type lectin receptor kinases, we demonstrated that intact PAN domains suppress jasmonic acid and ethylene signaling in Arabidopsis and tobacco. Variants of the same receptors with mutated residues in this domain could trigger induction of both defense pathways. Assessment of signaling processes revealed significant differences between receptors with intact and mutated PAN domain in MAPK phosphorylation, global transcriptional reprogramming, induction of downstream signaling components, hormone biosynthesis and resistance to Botrytis cinerea . Further, we demonstrated that the domain is required for oligomerization, ubiquitination, and proteolytic degradation of these receptors. These processes were completely disrupted when conserved residues in the domain were mutated. Additionally, we have tested the hypothesis in recently characterized Arabidopsis mutant which has predicted PAN domain and negatively regulates plant immunity against root nematodes. ern1.1 mutant complemented with mutated PAN shows triggered immune response with elevated WRKY33 expression, hyperphosphorylation of MAPK and resistant to necrotrophic fungus Botrytis cinerea . Collectively, our results suggest that ubiquitination and proteolytic degradation mediated by the PAN domain plays a role in receptor turn-over to suppress jasmonic acid and ethylene defense signaling in plants.