We report the draft genome sequence of the model moss Physcomitrella patens and compare its features with those of flowering plants, from which it is separated by more than 400 million years, and unicellular aquatic algae. This comparison reveals genomic changes concomitant with the evolutionary movement to land, including a general increase in gene family complexity; loss of genes associated with aquatic environments (e.g., flagellar arms); acquisition of genes for tolerating terrestrial stresses (e.g., variation in temperature and water availability); and the development of the auxin and abscisic acid signaling pathways for coordinating multicellular growth and dehydration response. The Physcomitrella genome provides a resource for phylogenetic inferences about gene function and for experimental analysis of plant processes through this plant's unique facility for reverse genetics.

From Drips to Tubes In the evolutionary transition from aquatic to terrestrial habitats, plants acquired internal systems to transport water and provide structural support. Xu et al. (p. 1505 , published online 20 March) studied a family of genes and the cells they control to better understand the innovations required to adapt to dry land. In Arabidopsis , specific transcription factors regulate development of xylem—the plant tissue that transports water. The moss Physcomitrella patens has similar genes, which regulate development of hydroids and stereids, cells specialized in water transport and structural support. The similarity in the genes and their functions suggests the evolutionary origins of land-plant vascular systems.

Abstract Cell division is essential for growth and development and involves events such as spindle assembly, chromosome separation, and cell plate formation. In plants, the tools used to control these events at the desired time are still poor because the genetic approach is ineffective owing to a high redundancy and lethality, as well as harmful side effects. Accordingly, we screened cell division-affecting compounds, with a focus on Arabidopsis thaliana zygotes, which individually develop in maternal ovules; the cell division was reliably traceable without time-lapse observations. We then identified the target events of the identified compounds using tobacco BY-2 cells for live-cell imaging and proteomics. As a result, we isolated two compounds, PD-180970 and PP2. PD-180970 disrupts microtubule (MT) organization and, thus, nuclear separation, presumably by inhibiting MT-associated proteins (MAP70). PP2 affected class II Kinesin-12 localization at the phragmoplast emerging site and impaired cytokinesis. Moreover, neither chemical caused irreversible damage to viability but they were effective in multiple plant species such as cucumber ( Cucumis sativus ) and moss ( Physcomitrium patens ). We propose that the combination of chemical screening based on Arabidopsis zygotes and target event specification focusing on tobacco BY-2 cells can be used to effectively identify novel tools and transiently control specific cell division events that are conserved in diverse plant species.

Background: Next-generation sequencing technologies have made it possible to carry out transcriptome analysis at the single-cell level. Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) data provide insights into cellular dynamics, including intercellular heterogeneity as well as inter- and intra-cellular fluctuations in gene expression that cannot be studied using populations of cells. The utilization of scRNA-seq is, however, restricted to specific types of cells that can be isolated from their original tissues, and it can be difficult to obtain precise positional information for these cells in situ. Results: Here, we established single cell-digital gene expression (1cell-DGE), a method of scRNA-seq that uses micromanipulation to extract the contents of individual living cells in intact tissue while recording their positional information. Furthermore, we employed a unique molecular identifier to reduce amplification bias in the cDNA libraries. With 1cell-DGE, we could detect differentially expressed genes (DEGs) during the reprogramming of leaf cells into stem cells in excised tissues of the moss Physcomitrella patens, identifying 6,382 DEGs between cells at 0 h and 24 h after excision. We found substantial variations in both the transcript levels of previously reported reprogramming factors and the overall expression profiles between cells, which appeared to be related to their different reprogramming abilities or the estimated states of the cells according to the pseudotime based on the transcript profiles. Conclusions: We developed 1cell-DGE with microcapillary manipulation, a technique that can be used to analyze the gene expression of individual cells without detaching them from their tightly associated tissues, enabling us to retain positional information and investigate cell-cell interactions.