Potato (Solanum tuberosum L.) is the world’s most important non-grain food crop and is central to global food security. It is clonally propagated, highly heterozygous, autotetraploid, and suffers acute inbreeding depression. Here we use a homozygous doubled-monoploid potato clone to sequence and assemble 86% of the 844-megabase genome. We predict 39,031 protein-coding genes and present evidence for at least two genome duplication events indicative of a palaeopolyploid origin. As the first genome sequence of an asterid, the potato genome reveals 2,642 genes specific to this large angiosperm clade. We also sequenced a heterozygous diploid clone and show that gene presence/absence variants and other potentially deleterious mutations occur frequently and are a likely cause of inbreeding depression. Gene family expansion, tissue-specific expression and recruitment of genes to new pathways contributed to the evolution of tuber development. The potato genome sequence provides a platform for genetic improvement of this vital crop. The genome of the potato (Solanum tuberosum L.), a staple crop vital to food security, has been sequenced. The Potato Genome Sequencing Consortium sequenced a homozygous doubled-monoploid potato clone as well as a heterozygous diploid clone. Genome analysis reveals traces of at least two genome duplication events and genes specific to Asterids, a large clade of flowering plants of which the potato is the first to be sequenced. Gene presence/absence variants and other potentially deleterious mutations are frequent and may be the cause of inbreeding depression. The genome sequence will facilitate genetic improvements in the potato with a view to improving yield and to increasing disease and stress resistance of this crop, which is a now a significant component of worldwide food production and is becoming increasingly important in the developing world.

Brassinosteroids (BRs) are phytosteroid hormones controlling various physiological processes critical for normal growth and development. BRs are perceived by a protein complex containing two transmembrane receptor kinases, BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1 (BRI1) and BRI1-ASSOCIATED RECEPTOR KINASE 1 (BAK1) [1-3]. BRI1 null mutants exhibit a dwarfed stature with epinastic leaves, delayed senescence, reduced male fertility, and altered light responses. BAK1 null mutants, however, only show a subtle phenotype, suggesting that functionally redundant proteins might be present in the Arabidopsis genome. Here we report that BAK1-LIKE 1 (BKK1) functions redundantly with BAK1 in regulating BR signaling. Surprisingly, rather than the expected bri1-like phenotype, bak1 bkk1 double mutants exhibit a seedling-lethality phenotype due to constitutive defense-gene expression, callose deposition, reactive oxygen species (ROS) accumulation, and spontaneous cell death even under sterile growing conditions. Our detailed analyses demonstrate that BAK1 and BKK1 have dual physiological roles: positively regulating a BR-dependent plant growth pathway, and negatively regulating a BR-independent cell-death pathway. Both BR signaling and developmentally controlled cell death are critical to optimal plant growth and development, but the mechanisms regulating early events in these pathways are poorly understood. This study provides novel insights into the initiation and crosstalk of the two signaling cascades.

The Arabidopsis thaliana somatic embryogenesis receptor kinases (SERKs) consist of five members, SERK1 to SERK5, of the leucine-rich repeat receptor-like kinase subfamily II (LRR-RLK II). SERK3 was named BRI1-Associated Receptor Kinase 1 (BAK1) due to its direct interaction with the brassinosteroid (BR) receptor BRI1 in vivo, while SERK4 has also been designated as BAK1-Like 1 (BKK1) for its functionally redundant role with BAK1. Here we provide genetic and biochemical evidence to demonstrate that SERKs are absolutely required for early steps in BR signaling. Overexpression of four of the five SERKs-SERK1, SERK2, SERK3/BAK1, and SERK4/BKK1-suppressed the phenotypes of an intermediate BRI1 mutant, bri1-5. Overexpression of the kinase-dead versions of these four genes in the bri1-5 background, on the other hand, resulted in typical dominant negative phenotypes, resembling those of null BRI1 mutants. We isolated and generated single, double, triple, and quadruple mutants and analyzed their phenotypes in detail. While the quadruple mutant is embryo-lethal, the serk1 bak1 bkk1 triple null mutant exhibits an extreme de-etiolated phenotype similar to a null bri1 mutant. While overexpression of BRI1 can drastically increase hypocotyl growth of wild-type plants, overexpression of BRI1 does not alter hypocotyl growth of the serk1 bak1 bkk1 triple mutant. Biochemical analysis indicated that the phosphorylation level of BRI1 in serk1 bak1 bkk1 is incapable of sensing exogenously applied BR. As a result, the unphosphorylated level of BES1 has lost its sensitivity to the BR treatment in the triple mutant, indicating that the BR signaling pathway has been completely abolished in the triple mutant. These data clearly demonstrate that SERKs are essential to the early events of BR signaling.

ABSTRACT Mitosis is monitored by the spindle assembly checkpoint (SAC) which remains active until all chromosomes have their kinetochores attached to microtubules originated from opposite spindle poles. Plants produce both highly conserved and sequence-diverged SAC components, so it has been largely unknown how SAC activation leads to the assembly of these proteins at the unattached kinetochores to prevent anaphase onset in plants. In Arabidopsis thaliana , the noncanonical BUB3.3 protein was detected at kinetochores throughout mitosis, unlike MAD1 and the plant specific BUB1/MAD3 family protein BMF3 that associated with unattached chromosomes only. However, BUB3.3 was required to arrest mitotic progression when one or more chromosomes did not congress at the metaphase plate. Nevertheless, BUB3.3 was not required for the kinetochore localization of other SAC components and vice versa . BUB3.3 specifically interacted with BMF3 in a novel region containing two internal repeats that were not required for the kinetochore localization of BMF3. This interaction was important for BMF3 to recruit the CDC20 protein to the unattached kinetochores. Our results showed that the Arabidopsis BUB3.3 protein functioned in the activation of BMF3 for CDC20 recruitment, rather than the recruitment of BMF proteins as what has been found in fungi and animals, in order to arrest mitosis at prometaphase. Therefore, activated SAC resulted in BUB3.3-independent localization of BMF3 and MAD1 to kinetochores and BUB3.3-dependent licensing of BMF3 for CDC20 recruitment in A . thaliana . SIGNIFICANCE STATEMENT Mitotic progression into anaphase is monitored by spindle assembly checkpoint that is poorly understood in plants. Using Arabidopsis thaliana as a reference system, we discovered a novel interaction pattern centered at the BUB1 and MAD3 protein BMF3 at kinetochores. A noncanonical isoform of the evolutionarily conserved BUB3 family protein BUB3.3 interacted with two novel internal repeats in BMF3 for recruiting the CDC20 protein to unattached kinetochores in order to inhibit its function in anaphase onset. Hence, our work sheds light on how spindle assembly checkpoint operates in flowering plants that produce the highly conserved BUB3.3 protein but highly divergent BMF proteins.

Abstract Clathrin-mediated vesicular formation and trafficking are highly conserved in eukaryotic cells and are responsible for molecular cargo transport and signal transduction among organelles. It remains largely unknown whether clathrin-coated vesicles can be generated from chloroplasts. CHLOROPLAST VESICULATION ( CV )-containing vesicles (CVVs) generate from chloroplasts and mediate chloroplast degradation under abiotic stress. In this study, we showed that CV interacted with the clathrin heavy chain (CHC) and induced vesicle budding from the chloroplast inner envelope membrane. Defects on CHC2 and the dynamin-encoding DRP1A gene affected CVV budding and releasing from chloroplast. CHC2 is also required for CV-induced chloroplast degradation and hypersensitivity to water stress. Moreover, GLYCERALDEHYDE-3-PHOSPHATE DEHYDROGENASE (GAPC) interacts with CV and impairs the CV-CHC2 interaction. GAPC1 overexpression inhibited CV-mediated chloroplast degradation and hypersensitivity to water stress. CV silencing alleviated the hypersensitivity of gapc1gapc2 plant to water stress. Together, our work revealed a pathway of clathrin-assisted CVV budding from the chloroplast inner envelope membrane, which mediated the stress-induced chloroplast degradation and stress response.

Aurora kinases are key regulators of mitosis. Multicellular eukaryotes generally possess two functionally diverged types. In plants like Arabidopsis, these are termed α versus β Auroras. As the functional specification of Aurora kinases is determined by their specific interaction partners, we initiated interactomics analyses using both α Aurora kinases (AUR1 and AUR2). Proteomics results revealed the TPX2-Like proteins 2 and 3 (TPXL2/3) prominently associating with α Auroras, as did the conserved TPX2 to a lower degree. Like TPX2, TPXL2 and TPXL3 strongly activated AUR1 kinase but exhibited cell cycle-dependent localization differences on microtubule arrays. The separate functions of TPX2 and TPXL2/3 were also suggested by their different influences on AUR1 localization upon ectopic expressions. Furthermore, genetic analyses disclosed that TPXL3, but not TPX2 and TPXL2, acts non-redundantly to secure proper embryo development. In contrast to vertebrates, plants expanded the TPX2 family for both redundant and unique functions among its members.

The outcome of certain plant-virus interaction is symptom recovery, which is accompanied with the emergence of asymptomatic tissues in which the virus accumulation decreased dramatically. This phenomenon shows the potential to reveal critical molecular factors for controlling viral disease. MicroRNAs act as master regulators in plant growth, development, and immunity. However, the mechanism by which miRNA participates in regulating symptom recovery remains largely unknown. Here, we reported that miR172 was scavenged in the recovered tissue of tobacco mosaic virus (TMV)-infected Nicotiana tabacum plants. Overexpression of miR172 promoted TMV infection, whereas silencing of miR172 inhibited TMV infection. Then, TARGET OF EAT3 (TOE3), an APETALA2 transcription factor, was identified as a downstream target of miR172. Overexpression of NtTOE3 significantly improved plant resistance to TMV infection, while knockout of NtTOE3 facilitated virus infection. Furthermore, transcriptome analysis indicated that TOE3 promoted the expression of defense-related genes, such as KL1 and MLP43. Overexpression of these genes conferred resistance of plant against TMV infection. Importantly, results of dual-luciferase assay, chromatin immunoprecipitation-quantitative PCR, and electrophoretic mobility shift assay proved that TOE3 activated the transcription of KL1 and MLP43 by binding their promoters. Moreover, overexpression of rTOE3 (the miR172-resistant form of TOE3) significantly reduced TMV accumulation compared to the overexpression of TOE3 (the normal form of TOE3) in miR172 overexpressing Nicotiana benthamiana plants. Taken together, our study reveals the pivotal role of miR172/TOE3 module in regulating plant immunity and in the establishment of recovery in virus-infected tobacco plants, elucidating a regulatory mechanism integrating plant growth, development, and immune response.