Diatoms, a type of microscopic marine and freshwater alga, dominate the oceans and are responsible for about a fifth of the primary productivity on Earth. The complete genome sequence of Phaeodactylum tricornutum is reported in this issue, the second diatom to be sequenced. Comparisons with Thalassiosira pseudonana, the first, reveal that hundreds of diatom genes have been acquired by gene transfer from bacteria — or vice versa. Gene transfer appears to have been common during diatom evolution, creating unorthodox combinations of genes — including some from plants and animals — likely to play major roles in nutrient management and environmental signalling. Diatoms are photosynthetic secondary endosymbionts found throughout marine and freshwater environments, and are believed to be responsible for around one-fifth of the primary productivity on Earth1,2. The genome sequence of the marine centric diatom Thalassiosira pseudonana was recently reported, revealing a wealth of information about diatom biology3,4,5. Here we report the complete genome sequence of the pennate diatom Phaeodactylum tricornutum and compare it with that of T. pseudonana to clarify evolutionary origins, functional significance and ubiquity of these features throughout diatoms. In spite of the fact that the pennate and centric lineages have only been diverging for 90 million years, their genome structures are dramatically different and a substantial fraction of genes (∼40%) are not shared by these representatives of the two lineages. Analysis of molecular divergence compared with yeasts and metazoans reveals rapid rates of gene diversification in diatoms. Contributing factors include selective gene family expansions, differential losses and gains of genes and introns, and differential mobilization of transposable elements. Most significantly, we document the presence of hundreds of genes from bacteria. More than 300 of these gene transfers are found in both diatoms, attesting to their ancient origins, and many are likely to provide novel possibilities for metabolite management and for perception of environmental signals. These findings go a long way towards explaining the incredible diversity and success of the diatoms in contemporary oceans.

Abstract The CDPK-SnRK superfamily consists of seven types of serine-threonine protein kinases: calcium-dependent protein kinase (CDPKs), CDPK-related kinases (CRKs), phosphoenolpyruvate carboxylase kinases (PPCKs), PEP carboxylase kinase-related kinases (PEPRKs), calmodulin-dependent protein kinases (CaMKs), calcium and calmodulin-dependent protein kinases (CCaMKs), and SnRKs. Within this superfamily, individual isoforms and subfamilies contain distinct regulatory domains, subcellular targeting information, and substrate specificities. Our analysis of the Arabidopsis genome identified 34 CDPKs, eight CRKs, two PPCKs, two PEPRKs, and 38 SnRKs. No definitive examples were found for a CCaMK similar to those previously identified in lily (Lilium longiflorum) and tobacco (Nicotiana tabacum) or for a CaMK similar to those in animals or yeast. CDPKs are present in plants and a specific subgroup of protists, but CRKs, PPCKs, PEPRKs, and two of the SnRK subgroups have been found only in plants. CDPKs and at least one SnRK have been implicated in decoding calcium signals in Arabidopsis. Analysis of intron placements supports the hypothesis that CDPKs, CRKs, PPCKs and PEPRKs have a common evolutionary origin; however there are no conserved intron positions between these kinases and the SnRK subgroup. CDPKs and SnRKs are found on all five Arabidopsis chromosomes. The presence of closely related kinases in regions of the genome known to have arisen by genome duplication indicates that these kinases probably arose by divergence from common ancestors. The PlantsP database provides a resource of continuously updated information on protein kinases from Arabidopsis and other plants.

In plants, potassium serves an essential role as an osmoticum and charge carrier. Its uptake by roots occurs by poorly defined mechanisms. To determine the role of potassium channels in planta, we performed a reverse genetic screen and identified an Arabidopsis thaliana mutant in which the AKT1 channel gene was disrupted. Roots of this mutant lacked inward-rectifying potassium channels and displayed reduced potassium (rubidium-86) uptake. Compared with wild type, mutant plants grew poorly on media with a potassium concentration of 100 micromolar or less. These results and membrane potential measurements suggest that the AKT1 channel mediates potassium uptake from solutions that contain as little as 10 micromolar potassium.

Plant cells are immobile; thus, plant growth and development depend on cell expansion rather than cell migration. The molecular mechanism by which the plasma membrane initiates changes in the cell expansion rate remains elusive. We found that a secreted peptide, RALF (rapid alkalinization factor), suppresses cell elongation of the primary root by activating the cell surface receptor FERONIA in Arabidopsis thaliana. A direct peptide-receptor interaction is supported by specific binding of RALF to FERONIA and reduced binding and insensitivity to RALF-induced growth inhibition in feronia mutants. Phosphoproteome measurements demonstrate that the RALF-FERONIA interaction causes phosphorylation of plasma membrane H(+)-adenosine triphosphatase 2 at Ser(899), mediating the inhibition of proton transport. The results reveal a molecular mechanism for RALF-induced extracellular alkalinization and a signaling pathway that regulates cell expansion.

Since their discovery as cell-division factors in plant tissue culture about five decades ago, cytokinins have been hypothesized to play a central role in the regulation of cell division and differentiation in plants. To test this hypothesis in planta , we isolated Arabidopsis plants lacking one, two, or three of the genes encoding a subfamily of histidine kinases ( CRE1 , AHK2 , and AHK3 ) that function as cytokinin receptors. Seeds were obtained for homozygous plants containing mutations in all seven genotypes, namely single, double, and triple mutants, and the responses of germinated seedlings in various cytokinin assays were compared. Both redundant and specific functions for the three different cytokinin receptors were observed. Plants carrying mutations in all three genes did not show cytokinin responses, including inhibition of root elongation, inhibition of root formation, cell proliferation in and greening of calli, and induction of cytokinin primary-response genes. The triple mutants were small and infertile, with a reduction in meristem size and activity, yet they possessed basic organs: roots, stems, and leaves. These results confirm that cytokinins are a pivotal class of plant growth regulators but provide no evidence that cytokinins are required for the processes of gametogenesis and embryogenesis.

The gibberellin class of plant hormones has been implicated in the control of flowering in several species. In Arabidopsis, severe reduction of endogenous gibberellins delays flowering in long days and prevents flowering in short days. We have investigated how the differential effects of gibberellins on flowering correlate with expression of LEAFY, a floral meristem identity gene. We have found that the failure of gibberellin-deficient ga1-3 mutants to flower in short days was paralleled by the absence of LEAFY promoter induction. A causal connection between these two events was confirmed by the ability of a constitutively expressed LEAFY transgene to restore flowering to ga1-3 mutants in short days. In contrast to short days, impairment of gibberellin biosynthesis caused merely a reduction of LEAFY expression when plants were grown in long days or with sucrose in the dark. As a first step toward identifying other small molecules that might regulate flowering, we have developed a rapid in vitro assay for LEAFY promoter activity.

Abstract The plant hormone auxin promotes cell expansion. Forty years ago, the acid growth theory was proposed, whereby auxin promotes proton efflux to acidify the apoplast and facilitate the uptake of solutes and water to drive plant cell expansion. However, the underlying molecular and genetic bases of this process remain unclear. We have previously shown that the SAUR19-24 subfamily of auxin-induced SMALL AUXIN UP-RNA (SAUR) genes promotes cell expansion. Here, we demonstrate that SAUR proteins provide a mechanistic link between auxin and plasma membrane H+-ATPases (PM H+-ATPases) in Arabidopsis thaliana. Plants overexpressing stabilized SAUR19 fusion proteins exhibit increased PM H+-ATPase activity, and the increased growth phenotypes conferred by SAUR19 overexpression are dependent upon normal PM H+-ATPase function. We find that SAUR19 stimulates PM H+-ATPase activity by promoting phosphorylation of the C-terminal autoinhibitory domain. Additionally, we identify a regulatory mechanism by which SAUR19 modulates PM H+-ATPase phosphorylation status. SAUR19 as well as additional SAUR proteins interact with the PP2C-D subfamily of type 2C protein phosphatases. We demonstrate that these phosphatases are inhibited upon SAUR binding, act antagonistically to SAURs in vivo, can physically interact with PM H+-ATPases, and negatively regulate PM H+-ATPase activity. Our findings provide a molecular framework for elucidating auxin-mediated control of plant cell expansion.

Calcium can function as a second messenger through stimulation of calcium-dependent protein kinases. A protein kinase that requires calcium but not calmodulin or phospholipids for activity has been purified from soybean. The kinase itself binds calcium with high affinity. A complementary DNA clone for this kinase has been identified; it encodes a protein with a predicted molecular mass of 57,175 daltons. This protein contains a catalytic domain similar to that of calmodulin-dependent kinases and a calmodulin-like region with four calcium binding domains (EF hands). The predicted structure of this kinase explains its direct regulation via calcium binding and establishes it as a prototype for a new family of calcium-regulated protein kinases.

Sodium (Na + ) is toxic to most plants, but the molecular mechanisms of plant Na + uptake and distribution remain largely unknown. Here we analyze Arabidopsis lines disrupted in the Na + transporter AtHKT1 . AtHKT1 is expressed in the root stele and leaf vasculature. athkt1 null plants exhibit lower root Na + levels and are more salt resistant than wild‐type in short‐term root growth assays. In shoot tissues, however, athkt1 disruption produces higher Na + levels, and athkt1 and athkt1 / sos3 shoots are Na + ‐hypersensitive in long‐term growth assays. Thus wild‐type AtHKT1 controls root/shoot Na + distribution and counteracts salt stress in leaves by reducing leaf Na + accumulation.