Switchgrass (Panicum virgatum L.) is a bioenergy and forage crop. Upland switchgrass exhibits superior cold tolerance than lowland ecotype, but the lack of a reference genome limits the exploration of genetic resources related to cold tolerance. Here, we presented a high-quality haplotype-resolved genome of the upland ecotype 'Jingji31' and conducted multi-omics analysis to understand its cold tolerance. The divergence between upland and lowland ecotypes of switchgrass occurred after the differentiation of the two subgenomes (K and N). Under cold stress, the K subgenome has more differentially expressed genes (DEGs). Transcriptome analysis revealed ecotype-specific differential expressions among members of the cold-responsive (COR) gene families. Specifically, certain members of the AFB1, ATL80, HOS10, and STRS2 gene families exhibited opposite expression changes between the two ecotypes, potentially contributing to their differential cold tolerance. By using haplotype-resolved genome, we identified more cold-induced allele-specific expressions (ASEs) in the upland ecotype, and these ASEs were significantly enriched in the COR gene families. Genome-wide association study detected an association signal on Chr3K related to overwintering rate, which overlapped with a selective sweep region and contained a cytochrome P450 (CYP450) gene highly expressed under cold stress. Heterologous overexpression of CYP450 in rice alleviated leaf wilting and improved cold tolerance. Our study provides a high-quality haplotype-resolved genome of upland switchgrass, to advance conceptual understanding of plant cold tolerance for breeding crops with enhanced cold adaptation.

Abstract Finetuning the progression of leaf senescence is important for plant’s fitness in nature, while ‘staygreen’ with delayed leaf senescence has been considered as a valuable agronomic trait in crop genetic improvement. In this study, a switchgrass CCCH-type Zinc finger gene, PvC3H29 , was characterized as a suppressor of leaf senescence that over-expressing or suppressing the gene led to delayed or accelerated leaf senescence, respectively. Transcriptomic analysis marked that chlorophyll catabolic pathway genes were involved in the PvC3H29-regulated leaf senescence. PvC3H29 was a nucleus-localized protein with no transcriptional activity. By Y2H screening, we identified its interacting proteins, including a pair of paralogous transcription factors, PvNAP1&2. Over-expressing the PvNAPs led to precocious leaf senescence at least partially by directly targeting and transactivating chlorophyll catabolic genes to promote chlorophyll degradation. PvC3H29, through protein-protein interaction, repressed the DNA-binding efficiency of PvNAPs and alleviated its transactivating effect on downstream genes, thereby functioned as a ‘brake’ in the progression of leaf senescence. Moreover, over-expressing PvC3H29 resulted in up to 47% higher biomass yield and improved biomass feedstock quality, reiterating the importance of leaf senescence regulation in the genetic improvement of switchgrass and other feedstock crops. One-sentence summary PvC3H29 interacts with transcription factors, PvNAP1&2, to inhibit their transactivation on chlorophyll catabolism and leaf senescence in switchgrass.

Abstract Chlorophyll (Chl) loss is one of the most visible symptoms of heat-induced leaf senescence, especially for cool-season grass species. Suppression of the Chl a Me-dechelatase gene, SGR (also named as nye1 ), blocked the degradation of Chl a and resulted in the ‘stay-green’ trait during leaf senescence. However, effect of Chl a catabolism on plant tolerance to long-term moderate heat stress (35-40°C) remains unclear. In this study, we suppressed the expression of Chl a catabolic gene, LpSGR , in both constitutive and inducible manners in perennial ryegrass. Constitutive suppression of LpSGR aggravated heat stress-induced chloroplast structure and photosystem damages, disrupted energy utilization/dissipation during photosynthesis, activated ROS generation with weakened ROS-scavenging enzyme activities. Transcriptome comparison among wildtype (WT) and transgenic RNAi plants under either the optimum or high temperature conditions also emphasized the effect of Chl a catabolism on expression of genes encoding photosynthesis system, ROS-generation and scavenging system, and heat shock transcription factors. Furthermore, making use of a modified ethanol-inducible system, we generated stable transgenic perennial ryegrass to suppress LpSGR in an inducible manner. Without ethanol induction, these transgenic lines exhibited the same growth and heat tolerance traits to WT, while under the induction of ethanol spray, the transgenic lines also showed compromised heat tolerance. Taken together, our data suggest that Chl a catabolism is critical for energy dissipation and electron transfer in photosynthesis, ROS-balancing and chloroplast membrane system stability upon long-term moderate heat stress.

Abstract The morphological variation in Schizothorax oconnori , Schizothorax waltoni , and their natural hybrids was examined using conventional and image‐based analysis approaches. In total, 38 specimens of S. oconnori , 35 of S. waltoni , and 37 natural hybrids were collected from the Shigatse to the Lhasa section of the Yarlung Zangbo River during June and July 2021. A total of 21 morphometric, 4 meristic, and 27 truss variables were employed for the classification of S. oconnori , S. waltoni , and natural hybrids. Principal component analysis (PCA) and factor analysis (FA), as well as discriminant function analysis (DFA) and cluster analysis (CA), were conducted to identify differences based on traditional and truss measurements. Four principal components explained 75.92% of the variation among the morphometric characters, while five principal components accounted for 79.69% of the variation among the truss distances. FA results showed that factor 1 was associated with head shape, and factor 2 was associated with fins based on morphometric characters. Among the truss characters, factor 1 was related to head shape, and factor 2 was related to chest shape. In DFA, morphometric measurements achieved higher accuracy (100%) compared to truss distances (94.55%). The head morphology of hybrids exhibited intermediate traits between S. oconnori and S. waltoni . Both morphometry‐based and truss‐based clustering indicated that the morphology of natural hybrids leaned toward S. oconnori . In conclusion, the combination of morphometric and truss analysis is beneficial for classifying S. oconnori , S. waltoni , and their natural hybrids. The presence of natural hybrids could be considered an evolutionary response to the differentiation of nutritional and spatial niches in the middle Yarlung Zangbo River.