We report the draft genome of the black cottonwood tree, Populus trichocarpa . Integration of shotgun sequence assembly with genetic mapping enabled chromosome-scale reconstruction of the genome. More than 45,000 putative protein-coding genes were identified. Analysis of the assembled genome revealed a whole-genome duplication event; about 8000 pairs of duplicated genes from that event survived in the Populus genome. A second, older duplication event is indistinguishably coincident with the divergence of the Populus and Arabidopsis lineages. Nucleotide substitution, tandem gene duplication, and gross chromosomal rearrangement appear to proceed substantially more slowly in Populus than in Arabidopsis. Populus has more protein-coding genes than Arabidopsis , ranging on average from 1.4 to 1.6 putative Populus homologs for each Arabidopsis gene. However, the relative frequency of protein domains in the two genomes is similar. Overrepresented exceptions in Populus include genes associated with lignocellulosic wall biosynthesis, meristem development, disease resistance, and metabolite transport.

Lignin is the generic term for a large group of aromatic polymers resulting from the oxidative combinatorial coupling of 4-hydroxyphenylpropanoids ([Boerjan et al., 2003][1]; [Ralph et al., 2004][2]). These polymers are deposited predominantly in the walls of secondarily thickened cells, making them

Because lignin limits the use of wood for fiber, chemical, and energy production, strategies for its downregulation are of considerable interest. We have produced transgenic aspen (Populus tremuloides Michx.) trees in which expression of a lignin biosynthetic pathway gene Pt4CL1 encoding 4-coumarate:coenzyme A ligase (4CL) has been downregulated by antisense inhibition. Trees with suppressed Pt4CL1 expression exhibited up to a 45% reduction of lignin, but this was compensated for by a 15% increase in cellulose. As a result, the total lignin-cellulose mass remained essentially unchanged. Leaf, root, and stem growth were substantially enhanced, and structural integrity was maintained both at the cellular and whole-plant levels in the transgenic lines. Our results indicate that lignin and cellulose deposition could be regulated in a compensatory fashion, which may contribute to metabolic flexibility and a growth advantage to sustain the long-term structural integrity of woody perennials.

Lignin, one of the most abundant terrestrial biopolymers, is indispensable for plant structure and defense. With the availability of the full genome sequence, large collections of insertion mutants, and functional genomics tools, Arabidopsis constitutes an excellent model system to profoundly unravel the monolignol biosynthetic pathway. In a genome-wide bioinformatics survey of the Arabidopsis genome, 34 candidate genes were annotated that encode genes homologous to the 10 presently known enzymes of the monolignol biosynthesis pathway, nine of which have not been described before. By combining evolutionary analysis of these 10 gene families with in silico promoter analysis and expression data (from a reverse transcription-polymerase chain reaction analysis on an extensive tissue panel, mining of expressed sequence tags from publicly available resources, and assembling expression data from literature), 12 genes could be pinpointed as the most likely candidates for a role in vascular lignification. Furthermore, a possible novel link was detected between the presence of the AC regulatory promoter element and the biosynthesis of G lignin during vascular development. Together, these data describe the full complement of monolignol biosynthesis genes in Arabidopsis, provide a unified nomenclature, and serve as a basis for further functional studies.

A new generation lignocellulose biorefinery uses heterogeneous catalysis for the high-yield production of a handful of chemicals from wood.

We have isolated seven allelic recessive Arabidopsis mutants, designated superroot (sur1-1 to sur1-7), displaying several abnormalities reminiscent of auxin effects. These characteristics include small and epinastic cotyledons, an elongated hypocotyl in which the connection between the stele and cortical and epidermal cells disintegrates, the development of excess adventitious and lateral roots, a reduced number of leaves, and the absence of an inflorescence. When germinated in the dark, sur1 mutants did not develop the apical hook characteristic of etiolated seedlings. We were able to phenocopy the Sur1- phenotype by supplying auxin to wild-type seedlings, to propagate sur1 explants on phytohormone-deficient medium, and to regenerate shoots from these explants by the addition of cytokinins alone to the culture medium. Analysis by gas chromatography coupled to mass spectrometry indicated increased levels of both free and conjugated indole-3-acetic acid. sur1 was crossed to the mutant axr2 and the altered-auxin response mutant ctr1. The phenotype of both double mutants was additive. The sur1 gene was mapped on chromosome 2 at 0.5 centimorgans from the gene encoding phytochrome B.

The growth of perennial plants in the temperate zone alternates with periods of dormancy that are typically initiated during bud development in autumn. In a systems biology approach to unravel the underlying molecular program of apical bud development in poplar (Populus tremula x Populus alba), combined transcript and metabolite profiling were applied to a high-resolution time course from short-day induction to complete dormancy. Metabolite and gene expression dynamics were used to reconstruct the temporal sequence of events during bud development. Importantly, bud development could be dissected into bud formation, acclimation to dehydration and cold, and dormancy. To each of these processes, specific sets of regulatory and marker genes and metabolites are associated and provide a reference frame for future functional studies. Light, ethylene, and abscisic acid signal transduction pathways consecutively control bud development by setting, modifying, or terminating these processes. Ethylene signal transduction is positioned temporally between light and abscisic acid signals and is putatively activated by transiently low hexose pools. The timing and place of cell proliferation arrest (related to dormancy) and of the accumulation of storage compounds (related to acclimation processes) were established within the bud by electron microscopy. Finally, the identification of a large set of genes commonly expressed during the growth-to-dormancy transitions in poplar apical buds, cambium, or Arabidopsis thaliana seeds suggests parallels in the underlying molecular mechanisms in different plant organs.

A rapidly growing area of genome research is the generation of expressed sequence tags (ESTs) in which large numbers of randomly selected cDNA clones are partially sequenced. The collection of ESTs reflects the level and complexity of gene expression in the sampled tissue. To date, the majority of plant ESTs are from nonwoody plants such as Arabidopsis , Brassica , maize, and rice. Here, we present a large-scale production of ESTs from the wood-forming tissues of two poplars, Populus tremula L. × tremuloides Michx. and Populus trichocarpa ‘Trichobel.’ The 5,692 ESTs analyzed represented a total of 3,719 unique transcripts for the two cDNA libraries. Putative functions could be assigned to 2,245 of these transcripts that corresponded to 820 protein functions. Of specific interest to forest biotechnology are the 4% of ESTs involved in various processes of cell wall formation, such as lignin and cellulose synthesis, 5% similar to developmental regulators and members of known signal transduction pathways, and 2% involved in hormone biosynthesis. An additional 12% of the ESTs showed no significant similarity to any other DNA or protein sequences in existing databases. The absence of these sequences from public databases may indicate a specific role for these proteins in wood formation. The cDNA libraries and the accompanying database are valuable resources for forest research directed toward understanding the genetic control of wood formation and future endeavors to modify wood and fiber properties for industrial use.

Lignin Biosynthesis Complications Lignin is a polymer that lends its sturdy properties to wood and makes plant cell walls tougher, which creates problems for chemists converting cellulosic plant biomass into biofuels. Vanholme et al. (p. 1103 , published online 15 August; see the cover) have identified a new step in the biosynthetic pathway of lignin in Arabidopsis in which caffeoyl shikimate esterase catalyzes synthesis of caffeate. Cellulose from mutant plants, which had reduced amounts of lignin, was more efficiently processed into glucose.