Three subfamilies of grasses, the Ehrhartoideae, Panicoideae and Pooideae, provide the bulk of human nutrition and are poised to become major sources of renewable energy. Here we describe the genome sequence of the wild grass Brachypodium distachyon (Brachypodium), which is, to our knowledge, the first member of the Pooideae subfamily to be sequenced. Comparison of the Brachypodium, rice and sorghum genomes shows a precise history of genome evolution across a broad diversity of the grasses, and establishes a template for analysis of the large genomes of economically important pooid grasses such as wheat. The high-quality genome sequence, coupled with ease of cultivation and transformation, small size and rapid life cycle, will help Brachypodium reach its potential as an important model system for developing new energy and food crops.

Plants attacked by pathogens rapidly deposit callose, a β-1,3-glucan, at wound sites. Traditionally, this deposition is thought to reinforce the cell wall and is regarded as a defense response. Surprisingly, here we found that powdery mildew resistant 4 ( pmr4 ), a mutant lacking pathogen-induced callose, became resistant to pathogens, rather than more susceptible. This resistance was due to mutation of a callose synthase, resulting in a loss of the induced callose response. Double-mutant analysis indicated that blocking the salicylic acid (SA) defense signaling pathway was sufficient to restore susceptibility to pmr4 mutants. Thus, callose or callose synthase negatively regulates the SA pathway.

In the fungal phylum Ascomycota, the ability to cause disease in plants and animals has been gained and lost repeatedly during phylogenesis. In monocotyledonous barley, loss-of-function mlo alleles result in effective immunity against the Ascomycete Blumeria graminis f. sp. hordei, the causal agent of powdery mildew disease. However, mlo-based disease resistance has been considered a barley-specific phenomenon to date. Here, we demonstrate a conserved requirement for MLO proteins in powdery mildew pathogenesis in the dicotyledonous plant species Arabidopsis thaliana. Epistasis analysis showed that mlo resistance in A. thaliana does not involve the signaling molecules ethylene, jasmonic acid or salicylic acid, but requires a syntaxin, glycosyl hydrolase and ABC transporter. These findings imply that a common host cell entry mechanism of powdery mildew fungi evolved once and at least 200 million years ago, suggesting that within the Erysiphales (powdery mildews) the ability to cause disease has been a stable trait throughout phylogenesis.

While prokaryotic pan-genomes have been shown to contain many more genes than any individual organism, the prevalence and functional significance of differentially present genes in eukaryotes remains poorly understood. Whole-genome de novo assembly and annotation of 54 lines of the grass Brachypodium distachyon yield a pan-genome containing nearly twice the number of genes found in any individual genome. Genes present in all lines are enriched for essential biological functions, while genes present in only some lines are enriched for conditionally beneficial functions (e.g., defense and development), display faster evolutionary rates, lie closer to transposable elements and are less likely to be syntenic with orthologous genes in other grasses. Our data suggest that differentially present genes contribute substantially to phenotypic variation within a eukaryote species, these genes have a major influence in population genetics, and transposable elements play a key role in pan-genome evolution.

Root systems develop different root types that individually sense cues from their local environment and integrate this information with systemic signals. This complex multi-dimensional amalgam of inputs enables continuous adjustment of root growth rates, direction, and metabolic activity that define a dynamic physical network. Current methods for analyzing root biology balance physiological relevance with imaging capability. To bridge this divide, we developed an integrated-imaging system called Growth and Luminescence Observatory for Roots (GLO-Roots) that uses luminescence-based reporters to enable studies of root architecture and gene expression patterns in soil-grown, light-shielded roots. We have developed image analysis algorithms that allow the spatial integration of soil properties, gene expression, and root system architecture traits. We propose GLO-Roots as a system that has great utility in presenting environmental stimuli to roots in ways that evoke natural adaptive responses and in providing tools for studying the multi-dimensional nature of such processes.

Abstract Community assembly of crop-associated fungi is thought to be strongly influenced by deterministic selection exerted by the plant host, rather than stochastic processes. Here we use a simple, sorghum system with abundant sampling to show that stochastic forces (drift or stochastic dispersal) act on fungal community assembly in leaves and roots early in host development and when sorghum is drought stressed, conditions when mycobiomes are small. Unexpectedly, we find no signal for stochasticity when drought stress is relieved, likely due to renewed selection by the host. In our experimental system, the host compartment exerts the strongest effects on mycobiome assembly, followed by the timing of plant development and lastly by plant genotype. Using a dissimilarity-overlap approach, we find a universality in the forces of community assembly of the mycobiomes of the different sorghum compartments and in functional guilds of fungi.

Over the past several years, Brachypodium distachyon (Brachypodium) has emerged as a tractable model system to study biological questions relevant to the grasses. To place its relevance in the larger context of plant biology, we outline here the expanding adoption of Brachypodium as a model grass and compare this to the early history of another plant model, Arabidopsis thaliana. In this context, Brachypodium has followed an accelerated path in which the development of genomic resources, most notably a whole genome sequence, occurred concurrently with the generation of other experimental tools (e.g. highly efficient transformation and large collections of natural accessions). This update provides a snapshot of available and upcoming Brachypodium resources and an overview of the community including the trajectory of Brachypodium as a model grass.

Plants optimize carbon assimilation while limiting water loss by adjusting stomatal aperture. In grasses, a developmental innovation-the addition of subsidiary cells (SCs) flanking two dumbbell-shaped guard cells (GCs)-is linked to improved stomatal physiology. Here, we identify a transcription factor necessary and sufficient for SC formation in the wheat relative Brachypodium distachyon. Unexpectedly, the transcription factor is an ortholog of the stomatal regulator AtMUTE, which defines GC precursor fate in Arabidopsis The novel role of BdMUTE in specifying lateral SCs appears linked to its acquisition of cell-to-cell mobility in Brachypodium Physiological analyses on SC-less plants experimentally support classic hypotheses that SCs permit greater stomatal responsiveness and larger range of pore apertures. Manipulation of SC formation and function in crops, therefore, may be an effective approach to enhance plant performance.

ABSTRACT Rapid environmental change can lead to extinction of populations or evolutionary rescue via genetic adaptation. In the past several years, smallholder and commercial cultivation of sorghum ( Sorghum bicolor ), a global cereal and forage crop, has been threatened by a global outbreak of an aggressive new biotype of sugarcane aphid (SCA; Melanaphis sacchari ). Here we characterized genomic signatures of adaptation in a Haitian sorghum breeding population, which had been recently founded from admixed global germplasm, extensively intercrossed, and subjected to intense selection under SCA infestation. We conducted evolutionary population genomics analyses of 296 post-selection Haitian lines compared to 767 global accessions at 159,683 single nucleotide polymorphisms. Despite intense selection, the Haitian population retains high nucleotide diversity through much of the genome due to diverse founders and an intercrossing strategy. A genome-wide fixation ( F ST ) scan and geographic analyses suggests that adaptation to SCA in Haiti is conferred by a globally-rare East African allele of RMES1 , which has also spread to other breeding programs in Africa, Asia, and the Americas. De novo genome sequencing data for SCA resistant and susceptible lines revealed putative causative variants at RMES1 . Convenient low-cost markers were developed from the RMES1 selective sweep and successfully predicted resistance in independent U.S. × African breeding lines and eight U.S. commercial and public breeding programs, demonstrating the global relevance of the findings. Together, the findings highlight the potential of evolutionary genomics to develop adaptive trait breeding technology and the value of global germplasm exchange to facilitate evolutionary rescue.

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.