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.

Abstract The interface between plants and the environment plays a dual role as a protective barrier as well as a medium for the exchange of gases, water, and nutrients. The primary aerial plant surfaces are covered by a cuticle, acting as the essential permeability barrier toward the atmosphere. It is a heterogeneous layer composed mainly of lipids, namely cutin and intracuticular wax with epicuticular waxes deposited on the surface. We identified an Arabidopsis thaliana activation tag gain-of-function mutant shine (shn) that displayed a brilliant, shiny green leaf surface with increased cuticular wax compared with the leaves of wild-type plants. The gene responsible for the phenotype encodes one member of a clade of three proteins of undisclosed function, belonging to the plant-specific family of AP2/EREBP transcription factors. Overexpression of all three SHN clade genes conferred a phenotype similar to that of the original shn mutant. Biochemically, such plants were altered in wax composition (very long fatty acid derivatives). Total cuticular wax levels were increased sixfold in shn compared with the wild type, mainly because of a ninefold increase in alkanes that comprised approximately half of the total waxes in the mutant. Chlorophyll leaching assays and fresh weight loss experiments indicated that overexpression of the SHN genes increased cuticle permeability, probably because of changes in its ultrastructure. Likewise, SHN gene overexpression altered leaf and petal epidermal cell structure, trichome number, and branching as well as the stomatal index. Interestingly, SHN overexpressors displayed significant drought tolerance and recovery, probably related to the reduced stomatal density. Expression analysis using promoter-β-glucuronidase fusions of the SHN genes provides evidence for the role of the SHN clade in plant protective layers, such as those formed during abscission, dehiscence, wounding, tissue strengthening, and the cuticle. We propose that these diverse functions are mediated by regulating metabolism of lipid and/or cell wall components.

Fruit ripening is characterized by dramatic changes in gene expression, enzymatic activities and metabolism. Although the process of ripening has been studied extensively, we still lack valuable information on how the numerous metabolic pathways are regulated and co-ordinated. In this paper we describe the characterization of FaMYB1, a ripening regulated strawberry gene member of the MYB family of transcription factors. Flowers of transgenic tobacco lines overexpressing FaMYB1 showed a severe reduction in pigmentation. A reduction in the level of cyanidin 3-rutinoside (an anthocyanin) and of quercetin-glycosides (flavonols) was observed. Expression of late flavonoid biosynthesis genes and their enzyme activities were adversely affected by FaMYB1 overexpression. Two-hybrid assays in yeast showed that FaMYB1 could interact with other known anthocyanin regulators, but it does not act as a transcriptional activator. Interestingly, the C-terminus of FaMYB1 contains the motif pdLNL(D)/(E)Lxi(G)/S. This motif is contained in a region recently proposed to be involved in the repression of transcription by AtMYB4, an Arabidopsis MYB protein. Our results suggest that FaMYB1 may play a key role in regulating the biosynthesis of anthocyanins and flavonols in strawberry. It may act to repress transcription in order to balance the levels of anthocyanin pigments produced at the latter stages of strawberry fruit maturation, and/or to regulate metabolite levels in various branches of the flavonoid biosynthetic pathway.

Abstract Volatile components, such as terpenoids, are emitted from aerial parts of plants and play a major role in the interaction between plants and their environment. Analysis of the composition and emission pattern of volatiles in the model plant Arabidopsis showed that a range of volatile components are released, primarily from flowers. Most of the volatiles detected were monoterpenes and sesquiterpenes, which in contrast to other volatiles showed a diurnal emission pattern. The active terpenoid metabolism in wild-type Arabidopsis provoked us to conduct an additional set of experiments in which transgenic Arabidopsis overexpressing two different terpene synthases were generated. Leaves of transgenic plants constitutively expressing a dual linalool/nerolidol synthase in the plastids (FaNES1) produced linalool and its glycosylated and hydroxylated derivatives. The sum of glycosylated components was in some of the transgenic lines up to 40- to 60-fold higher than the sum of the corresponding free alcohols. Surprisingly, we also detected the production and emission of nerolidol, albeit at a low level, suggesting that a small pool of its precursor farnesyl diphosphate is present in the plastids. Transgenic lines with strong transgene expression showed growth retardation, possibly as a result of the depletion of isoprenoid precursors in the plastids. In dual-choice assays with Myzus persicae, the FaNES1-expressing lines significantly repelled the aphids. Overexpression of a typical cytosolic sesquiterpene synthase resulted in the production of only trace amounts of the expected sesquiterpene, suggesting tight control of the cytosolic pool of farnesyl diphosphate, the precursor for sesquiterpenoid biosynthesis. This study further demonstrates the value of Arabidopsis for studies of the biosynthesis and ecological role of terpenoids and provides new insights into their metabolism in wild-type and transgenic plants.

Herbivore-damaged plants release complex mixtures of volatiles that attract natural enemies of the herbivore. To study the relevance of individual components of these mixtures for predator attraction, we manipulated herbivory-induced volatiles through genetic engineering. Metabolic engineering of terpenoids, which dominate the composition of many induced plant volatile bouquets, holds particular promise. By switching the subcellular localization of the introduced sesquiterpene synthase to the mitochondria, we obtained transgenic Arabidopsis thaliana plants emitting two new isoprenoids. These altered plants attracted carnivorous predatory mites ( Phytoseiulus persimilis ) that aid the plants' defense mechanisms.

From Nasty to Tasty Some of our favorite food crops derive from wild relatives that were distasteful or even toxic. Domestication over many years selected for variants with reduced levels of antinutritional compounds. The wild relatives remain valuable, however, for other traits such as resistance to pathogens, but their use in crop development is complicated by the continued presence of unpalatable compounds. Itkin et al. (p. 175 , published online 20 June) elucidate the metabolic pathways and genes directing synthesis of some of these antinutritionals in potato and tomato.

Fruit flavor is a result of a complex mixture of numerous compounds. The formation of these compounds is closely correlated with the metabolic changes occurring during fruit maturation. Here, we describe the use of DNA microarrays and appropriate statistical analyses to dissect a complex developmental process. In doing so, we have identified a novel strawberry alcohol acyltransferase (SAAT) gene that plays a crucial role in flavor biogenesis in ripening fruit. Volatile esters are quantitatively and qualitatively the most important compounds providing fruity odors. Biochemical evidence for involvement of the SAAT gene in formation of fruity esters is provided by characterizing the recombinant protein expressed in Escherichia coli. The SAAT enzyme showed maximum activity with aliphatic medium-chain alcohols, whose corresponding esters are major components of strawberry volatiles. The enzyme was capable of utilizing short- and medium-chain, branched, and aromatic acyl-CoA molecules as cosubstrates. The results suggest that the formation of volatile esters in fruit is subject to the availability of acyl-CoA molecules and alcohol substrates and is dictated by the temporal expression pattern of the SAAT gene(s) and substrate specificity of the SAAT enzyme(s).

The blends of flavor compounds produced by fruits serve as biological perfumes used to attract living creatures, including humans. They include hundreds of metabolites and vary in their characteristic fruit flavor composition. The molecular mechanisms by which fruit flavor and aroma compounds are gained and lost during evolution and domestication are largely unknown. Here, we report on processes that may have been responsible for the evolution of diversity in strawberry (Fragaria spp) fruit flavor components. Whereas the terpenoid profile of cultivated strawberry species is dominated by the monoterpene linalool and the sesquiterpene nerolidol, fruit of wild strawberry species emit mainly olefinic monoterpenes and myrtenyl acetate, which are not found in the cultivated species. We used cDNA microarray analysis to identify the F. ananassa Nerolidol Synthase1 (FaNES1) gene in cultivated strawberry and showed that the recombinant FaNES1 enzyme produced in Escherichia coli cells is capable of generating both linalool and nerolidol when supplied with geranyl diphosphate (GPP) or farnesyl diphosphate (FPP), respectively. Characterization of additional genes that are very similar to FaNES1 from both the wild and cultivated strawberry species (FaNES2 and F. vesca NES1) showed that only FaNES1 is exclusively present and highly expressed in the fruit of cultivated (octaploid) varieties. It encodes a protein truncated at its N terminus. Green fluorescent protein localization experiments suggest that a change in subcellular localization led to the FaNES1 enzyme encountering both GPP and FPP, allowing it to produce linalool and nerolidol. Conversely, an insertional mutation affected the expression of a terpene synthase gene that differs from that in the cultivated species (termed F. ananassa Pinene Synthase). It encodes an enzyme capable of catalyzing the biosynthesis of the typical wild species monoterpenes, such as alpha-pinene and beta-myrcene, and caused the loss of these compounds in the cultivated strawberries. The loss of alpha-pinene also further influenced the fruit flavor profile because it was no longer available as a substrate for the production of the downstream compounds myrtenol and myrtenyl acetate. This phenomenon was demonstrated by cloning and characterizing a cytochrome P450 gene (Pinene Hydroxylase) that encodes the enzyme catalyzing the C10 hydroxylation of alpha-pinene to myrtenol. The findings shed light on the molecular evolutionary mechanisms resulting in different flavor profiles that are eventually selected for in domesticated species.

Freshwater is a limited and dwindling global resource; therefore, efficient water use is required for food crops that have high water demands, such as rice, or for the production of sustainable energy biomass. We show here that expression of the Arabidopsis HARDY ( HRD ) gene in rice improves water use efficiency, the ratio of biomass produced to the water used, by enhancing photosynthetic assimilation and reducing transpiration. These drought-tolerant, low-water-consuming rice plants exhibit increased shoot biomass under well irrigated conditions and an adaptive increase in root biomass under drought stress. The HRD gene, an AP2/ERF-like transcription factor, identified by a gain-of-function Arabidopsis mutant hrd-D having roots with enhanced strength, branching, and cortical cells, exhibits drought resistance and salt tolerance, accompanied by an enhancement in the expression of abiotic stress associated genes. HRD overexpression in Arabidopsis produces thicker leaves with more chloroplast-bearing mesophyll cells, and in rice, there is an increase in leaf biomass and bundle sheath cells that probably contributes to the enhanced photosynthesis assimilation and efficiency. The results exemplify application of a gene identified from the model plant Arabidopsis for the improvement of water use efficiency coincident with drought resistance in the crop plant rice.

Advanced functional genomic tools now allow the parallel and high-throughput analyses of gene and protein expression. Although this information is crucial to our understanding of gene function, it offers insufficient insight into phenotypic changes associated with metabolism. Here we introduce a high-capacity Fourier Transform Ion Cyclotron Mass Spectrometry (FTMS)-based method, capable of nontargeted metabolic analysis and suitable for rapid screening of similarities and dissimilarities in large collections of biological samples (e.g., plant mutant populations). Separation of the metabolites was achieved solely by ultra-high mass resolution; Identification of the putative metabolite or class of metabolites to which it belongs was achieved by determining the elemental composition of the metabolite based upon the accurate mass determination; and relative quantitation was achieved by comparing the absolute intensities of each mass using internal calibration. Crude plant extracts were introduced via direct (continuous flow) injection and ionized by either electrospray ionization (ESI) or atmospheric pressure chemical ionization (APCI) in both positive or negative ionization modes. We first analyzed four consecutive stages of strawberry fruit development and identified changes in the levels of a large range of masses corresponding to known fruit metabolites. The data also revealed novel information on the metabolic transition from immature to ripe fruit. In another set of experiments, the method was used to track changes in metabolic profiles of tobacco flowers overexpressing a strawberry MYB transcription factor and altered in petal color. Only nine masses appeared different between transgenic and control plants, among which was the mass corresponding to cyanidin-3-rhamnoglucoside, the main flower pigment. The results demonstrate the feasibility and utility of the FTMS approach for a nontargeted and rapid metabolic "fingerprinting," which will greatly speed up current efforts to study the metabolome and derive gene function in any biological system.