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.

Forest trees display a perennial growth behavior characterized by a multiple-year delay in flowering and, in temperate regions, an annual cycling between growth and dormancy. We show here that the CO/FT regulatory module, which controls flowering time in response to variations in daylength in annual plants, controls flowering in aspen trees. Unexpectedly, however, it also controls the short-day–induced growth cessation and bud set occurring in the fall. This regulatory mechanism can explain the ecogenetic variation in a highly adaptive trait: the critical daylength for growth cessation displayed by aspen trees sampled across a latitudinal gradient spanning northern Europe.

Real-time reverse transcription PCR (RT-PCR) has greatly improved the ease and sensitivity of quantitative gene expression studies. However, accurate measurement of gene expression with this method relies on the choice of a valid reference for data normalization. Studies rarely verify that gene expression levels for reference genes are adequately consistent among the samples used, nor compare alternative genes to assess which are most reliable for the experimental conditions analyzed. Using real-time RT-PCR to study the expression of 10 poplar (genus Populus) housekeeping genes, we demonstrate a simple method for determining the degree of stability of gene expression over a set of experimental conditions. Based on a traditional method for analyzing the stability of varieties in plant breeding, it defines measures of gene expression stability from analysis of variance (ANOVA) and linear regression. We found that the potential internal control genes differed widely in their expression stability over the different tissues, developmental stages and environmental conditions studied. Our results support that quantitative comparisons of candidate reference genes are an important part of real-time RT-PCR studies that seek to precisely evaluate variation in gene expression. The method we demonstrated facilitates statistical and graphical evaluation of gene expression stability. Selection of the best reference gene for a given set of experimental conditions should enable detection of biologically significant changes in gene expression that are too small to be revealed by less precise methods, or when highly variable reference genes are unknowingly used in real-time RT-PCR experiments.

Annual plants grow vegetatively at early developmental stages and then transition to the reproductive stage, followed by senescence in the same year. In contrast, after successive years of vegetative growth at early ages, woody perennial shoot meristems begin repeated transitions between vegetative and reproductive growth at sexual maturity. However, it is unknown how these repeated transitions occur without a developmental conflict between vegetative and reproductive growth. We report that functionally diverged paralogs FLOWERING LOCUS T1 ( FT1 ) and FLOWERING LOCUS T2 ( FT2 ), products of whole-genome duplication and homologs of Arabidopsis thaliana gene FLOWERING LOCUS T ( FT ), coordinate the repeated cycles of vegetative and reproductive growth in woody perennial poplar ( Populus spp.). Our manipulative physiological and genetic experiments coupled with field studies, expression profiling, and network analysis reveal that reproductive onset is determined by FT1 in response to winter temperatures, whereas vegetative growth and inhibition of bud set are promoted by FT2 in response to warm temperatures and long days in the growing season. The basis for functional differentiation between FT1 and FT2 appears to be expression pattern shifts, changes in proteins, and divergence in gene regulatory networks. Thus, temporal separation of reproductive onset and vegetative growth into different seasons via FT1 and FT2 provides seasonality and demonstrates the evolution of a complex perennial adaptive trait after genome duplication.

Stephen DiFazio and colleagues report the genome sequences and population genomic analyses of 544 black cottonwood trees (Populus trichocarpa) along the Northwest coast of North America. They find evidence for climate-driven selection on adaptive traits, including genes related to drought, photoperiod and stress. Forest trees are dominant components of terrestrial ecosystems that have global ecological and economic importance. Despite distributions that span wide environmental gradients, many tree populations are locally adapted, and mechanisms underlying this adaptation are poorly understood. Here we use a combination of whole-genome selection scans and association analyses of 544 Populus trichocarpa trees to reveal genomic bases of adaptive variation across a wide latitudinal range. Three hundred ninety-seven genomic regions showed evidence of recent positive and/or divergent selection and enrichment for associations with adaptive traits that also displayed patterns consistent with natural selection. These regions also provide unexpected insights into the evolutionary dynamics of duplicated genes and their roles in adaptive trait variation.

Abstract Vegetative and reproductive phase change and phenology are economically and ecologically important traits. Trees typically require several years of growth before flowering and once mature, seasonal control of the transition to flowering and flower development is necessary to maintain vegetative meristems and for reproductive success. Members of two related gene subfamilies, FLOWERING LOCUST (FT) and TERMINAL FLOWER1 (TFL1)/CENTRORADIALIS (CEN)/BROTHER OF FT AND TFL1 (BFT) , have antagonistic roles in flowering in diverse species and roles in vegetative phenology in trees, but many details of their functions in trees have yet to be resolved. Here, we used CRISPR/Cas9 to generate single and double mutants involving the five Populus FT and TFL1/CEN/BFT genes. ft1 mutants exhibited wild-type-like phenotypes in long days and short days, but after chilling to release dormancy showed delayed bud flush and GA 3 could compensate for the ft1 mutation. After rooting and generating some phytomers in tissue culture, both cen1 and cen1ft1 mutants produced terminal as well as axillary flowers, indicating that the cen1 flowering phenotype is independent of FT1 . Some axillary meristems initially generated phytomers and in potted plants, the timing of flowering in these shoots correlated with upregulation of FT2 in maturing leaves, suggesting that, in long days, CEN1 antagonizes FT2 promotion of flowering but enables FT2 promotion of shoot growth by maintaining indeterminacy of the shoot apical meristem. CEN1 showed distinct circannual expression patterns in vegetative and reproductive tissues and comparison with the expression patterns of FT1 and FT2 suggest that the relative levels of CEN1 compared to FT1 and FT2 regulate multiple phases of vegetative and reproductive seasonal development.

Magnaporthe oryzae is placed first on a list of the world9s top ten plant pathogens with the highest scientific and economic importance. The pathogen is highly evolved to sense environmental changes quickly to invade different tissues of its host plant successfully. Here, we found alternative splicing (AS) as a previously unknown mechanism of how the pathogen may handle rapidly changing situations during in planta growth. The AS facilitates the production of multiple mRNAs and, consequently, protein isoforms with distinct biological functions from a single gene. The locus MGG_07173 occurs only once in the genome of M. oryzae and encodes the phosphotransfer protein MoYpd1p, which plays an important role in the high osmolarity glycerol (HOG) signaling pathway for osmoregulation. Originating from this locus, at least three MoYPD1 isoforms are produced in a signal-specific manner. The transcript levels of these MoYPD1-isoforms were individually affected by external stress, which is equally present in host plant tissues. Potassium salt (KCI) stress raised MoYPD1_T0 and MoYPD1_T2 abundance, whereas osmotic stress by sorbitol elevates MoYPD1_T1 levels. In line with this, signal-specific nuclear translocation of green fluorescent protein-fused MoYpd1p isoforms in response to stress was observed. The protein isoforms MoYpd1p_T0 and MoYpd1p_T2 were detected in the nucleus following KCl treatment, whereas MoYpd1p_T1 did likewise upon sorbitol stress. Mutant strains that produce only one of the MoYpd1p isoforms are less virulent, suggesting a combination thereof is required to invade the host successfully. Using in silico protein-protein interaction studies, we were able to assign different roles to respective isoforms in the HOG signaling pathway and predicted interactions with other signaling pathways. In summary, we demonstrate the signal-specific production of MoYpd1p isoforms that individually increase signal diversity and orchestrate virulence in the rice blast fungus M. oryzae.