It has been argued that the evolution of plant genome size is principally unidirectional and increasing owing to the varied action of whole-genome duplications (WGDs) and mobile element proliferation. However, extreme genome size reductions have been reported in the angiosperm family tree. Here we report the sequence of the 82-megabase genome of the carnivorous bladderwort plant Utricularia gibba. Despite its tiny size, the U. gibba genome accommodates a typical number of genes for a plant, with the main difference from other plant genomes arising from a drastic reduction in non-genic DNA. Unexpectedly, we identified at least three rounds of WGD in U. gibba since common ancestry with tomato (Solanum) and grape (Vitis). The compressed architecture of the U. gibba genome indicates that a small fraction of intergenic DNA, with few or no active retrotransposons, is sufficient to regulate and integrate all the processes required for the development and reproduction of a complex organism.

With growing populations and pressing environmental problems, future economies will be increasingly plant-based. Now is the time to reimagine plant science as a critical component of fundamental science, agriculture, environmental stewardship, energy, technology and healthcare. This effort requires a conceptual and technological framework to identify and map all cell types, and to comprehensively annotate the localization and organization of molecules at cellular and tissue levels. This framework, called the Plant Cell Atlas (PCA), will be critical for understanding and engineering plant development, physiology and environmental responses. A workshop was convened to discuss the purpose and utility of such an initiative, resulting in a roadmap that acknowledges the current knowledge gaps and technical challenges, and underscores how the PCA initiative can help to overcome them.

Abstract Phosphate (Pi) is a pivotal nutrient that constraints plant development and productivity in natural ecosystems. Land colonization by plants, more than 470 million years ago, evolved adaptive mechanisms to conquer Pi-scarce environments. However, little is known about the molecular basis underlying such adaptations at early branches of plant phylogeny. To shed light on how early divergent plants respond to Pi limitation, we analyzed the morpho-physiological and transcriptional dynamics of Marchantia polymorpha upon Pi starvation. Our phylogenomic analysis highlights some gene networks present since the Chlorophytes and others established in the Streptophytes (eg. PHR1-SPX1 and STOP1-ALMT1, respectively). At the morpho-physiological level, the response is characterized by the induction of phosphatase activity, media acidification, accumulation of auronidins, reduction of internal Pi concentration and developmental modifications of rhizoids. The transcriptional response involves the induction of Mp PHR1 , Pi transporters, lipid turnover enzymes and Mp MYB14 , an essential transcription factor for auronidins biosynthesis. Mp STOP2 up-regulation correlates with expression changes in genes related to organic acid biosynthesis and transport, suggesting preference for citrate exudation. Analysis of MpPHR1 binding sequences (P1BS) shows enrichment of this cis regulatory element in differentially expressed genes. Our study unravels the strategies, at diverse levels of organization, exerted by M. polymorpha to cope with low Pi availability. Significance Statement This study unravels the transcriptional and morphophysiological mechanisms executed by the non-vascular, and rootless, plant Marchantia polymorpha upon phosphate starvation conditions. The findings in this study shed light on the mechanisms that early land plants may have developed for the conquest of substrates poor in available phosphate, some of which are still conserved by current-day plants. Moreover, our results open several working hypotheses and novel perspectives for the study of Pi-starvation responses along plant evolution.

The soybean root system is complex. In addition to being composed of various cell types, the soybean root system includes the primary root, the lateral roots, and the nodule, an organ in which mutualistic symbiosis with N-fixing rhizobia occurs. A mature soybean root nodule is characterized by a central infection zone where atmospheric nitrogen is fixed and assimilated by the symbiont, resulting from the close cooperation between the plant cell and the bacteria. To date, the transcriptome of individual cells isolated from developing soybean nodules has been established, but the transcriptomic signatures of cells from the mature soybean nodule have not yet been characterized. Using single-nucleus RNA-seq and Molecular Cartography technologies, we precisely characterized the transcriptomic signature of soybean root and mature nodule cell types and revealed the co-existence of different sub-populations of B. diazoefficiens-infected cells in the mature soybean nodule, including those actively involved in nitrogen fixation and those engaged in senescence. Mining of the single-cell-resolution nodule transcriptome atlas and the associated gene co-expression network confirmed the role of known nodulation-related genes and identified new genes that control the nodulation process. For instance, we functionally characterized the role of GmFWL3, a plasma membrane microdomain-associated protein that controls rhizobial infection. Our study reveals the unique cellular complexity of the mature soybean nodule and helps redefine the concept of cell types when considering the infection zone of the soybean nodule.

Abstract Screening a transposon‐mutagenized soybean population led to the discovery of a recessively inherited chlorotic phenotype. This “y24” phenotype results in smaller stature, weaker stems, and a smaller root system. Genome sequencing identified 15 candidate genes with mutations likely to result in a loss of function. Amplicon sequencing of a segregating population was then used to narrow the list to a single candidate mutation, a single‐base change in Glyma.07G102300 that disrupts splicing of the second intron. Single cell transcriptomic profiling indicates that this gene is expressed primarily in mesophyll cells, and RNA sequencing data indicate that it is upregulated in germinating seedlings by cold stress. Previous studies have shown that mutations to Os05g34040 , the rice ortholog of Glyma.07G102300 , produced a chlorotic phenotype that was more pronounced in cool temperatures. Growing soybean y24 mutants at lower temperatures also resulted in a more severe phenotype. In addition, transgenic expression of wild‐type Glyma.07G102300 in the knockout mutant of the Arabidopsis ortholog At4930720 rescues the chlorotic phenotype, further supporting the hypothesis that the mutation in Glyma.07G102300 is causal of the y24 phenotype. The variant analysis strategy used to identify the genes underlying this phenotype provides a template for the study of other soybean mutants.

Abstract Screening a transposon-mutagenized soybean population led to the discovery of a recessively inherited chlorotic phenotype. This “vir1” phenotype results in smaller stature, weaker stems, and a smaller root system with smaller nodules. Genome sequencing identified 15 candidate genes with mutations likely to result in a loss of function. Amplicon sequencing of a segregating population was then used to narrow the list to a single candidate mutation, a single-base change in Glyma.07G102300 that disrupts splicing of the second intron. Single cell transcriptomic profiling indicates that this gene is expressed primarily in mesophyll cells and RNA sequencing data indicates it is upregulated in germinating seedlings by cold stress. Previous studies have shown that mutations to Os05g34040 , the rice homolog of Glyma.07G102300 , produced a chlorotic phenotype that was more pronounced in cool temperatures. Growing soybean vir1 mutants at lower temperatures also resulted in a more severe phenotype. In addition, transgenic expression of wild type Glyma.07G102300 in the knockout mutant of the Arabidopsis homolog At4930720 rescues the chlorotic phenotype, further supporting the hypothesis that the mutation in Glyma.07G102300 is causal of the vir1 phenotype.

Summary The most studied DNA methylation pathway in plants is the RNA Directed DNA Methylation (RdDM), which is a conserved mechanism that involves noncoding-RNAs to control the expansion of intergenic regions. However, little is known about relationship between plant genome size reductions and DNA methylation. Because the compact genome size of the carnivorous plant Utricularia gibba, we investigate in this plant the noncoding-RNA landscape and DNA methylation through a combination of cytological, evolutionary, and genome-wide transcriptomic and methylation approaches. We report an unusual distribution of noncoding RNAs in U. gibba in comparison with other characterized angiosperms, which correlated with a lower level of global genome methylation, as determined by a novel strategy based on long-read DNA sequencing and corroborated by whole-genome bisulfite analysis. Moreover, found that genes involved in the RdDM pathway may not be functionally active in U. gibba , including a truncated DICER-LIKE 3 (DCL3), involved in the production of 24-nt small-RNAs. Our findings suggest that selective pressure to conserve a fully functional RdDM pathway might be reduced in compact genomes and a defective DCL3 correlate with a decreased proportion of 24-nt small-RNAs and developmental alterations in U. gibba , which could represent an initial step in the evolution of apomixis.

Soybean (Glycine max) is an essential source of protein and oil with high nutritional value for human and animal consumption. To enhance our understanding of soybean biology, it is essential to have accurate information regarding the expression of each of its 55,897 protein-coding genes. Here, we present Tabula Glycine, the soybean single-cell resolution transcriptome atlas. This atlas is composed of single-nucleus RNA-sequencing data of nearly 120,000 nuclei isolated from 10 different Glycine max organs and morphological structures comprising the entire soybean plant. These nuclei are grouped into 157 different clusters based on their transcriptomic profiles. Among genes, the pattern of activity of transcription factor genes is sufficient to define most cell types and their organ and morphological structure of origin, suggesting that transcription factors are key determinants of cell identity and function. This unprecedented level of resolution makes the Tabula Glycine a unique resource for the plant and soybean communities.