Abstract The liverwort Marchantia polymorpha is equipped with a wide range of molecular and genetic tools and resources that have led to its wide use to explore the evo-devo aspects of land plants. Although its diverse transcriptome data are rapidly accumulating, there is no extensive yet user-friendly tool to exploit such a compilation of data and to summarize results with the latest annotations. Here, we have developed a web-based suite of tools, MarpolBase Expression (MBEX, https://marchantia.info/mbex/ ), where users can visualize gene expression profiles, identify differentially expressed genes, perform co-expression and functional enrichment analyses, and summarize their comprehensive output in various portable formats. Using oil body biogenesis as an example, we demonstrated that the results generated by MBEX were consistent with the published experimental evidence and also revealed a novel transcriptional network in this process. MBEX should facilitate the exploration and discovery of the genetic and functional networks behind various biological processes in M. polymorpha, and promote our understanding of the evolution of land plants.

Genome packaging by nucleosomes is a hallmark of eukaryotes. Histones and the pathways that deposit, remove, and read histone modifications are deeply conserved. Yet, we lack information regarding chromatin landscapes in extant representatives of ancestors of the main groups of eukaryotes and our knowledge of the evolution of chromatin related processes is limited. We used the bryophyte Marchantia polymorpha , which diverged from vascular plants 400 Mya, to obtain a whole chromosome genome assembly and explore the chromatin landscape and three-dimensional organization of the genome of early land plants. Based on genomic profiles of ten chromatin marks, we conclude that the relationship between active marks and gene expression is conserved across land plants. In contrast, we observed distinctive features of transposons and repeats in Marchantia compared with flowering plants. Silenced transposons and repeats did not accumulate around centromeres, and a significant proportion of transposons were marked by H3K27me3, which is otherwise dedicated to the transcriptional repression of protein coding genes in flowering plants. Chromatin compartmentalization analyses of Hi-C data revealed that chromatin regions belonging to repressed heterochromatin were densely decorated with H3K27me3 but not H3K9 or DNA methylation as reported in flowering plants. We conclude that in early plants, H3K27me3 played an essential role in heterochromatin function, suggesting an ancestral role of this mark in transposon silencing.

Abstract Perilla frutescens (Lamiaceae) is an important herbal plant with hundreds of bioactive chemicals, among which perillaldehyde and rosmarinic acid are the two major bioactive compounds in the plant. The leaves of red perilla are used as traditional Kampo medicine or food ingredients. However, the medicinal and nutritional uses of this plant could be improved by enhancing the production of valuable metabolites through the manipulation of key enzymes or regulatory genes using genome editing technology. Here, we generated a high-quality genome assembly of red perilla domesticated in Japan. A near-complete chromosome level assembly of P. frutescens was generated contigs with N50 of 41.5 Mb from PacBio HiFi reads. 99.2% of the assembly was anchored into 20 pseudochromosomes, among which seven pseudochromosomes consisted of one contig, while the rest consisted of less than six contigs. Gene annotation and prediction of the sequences successfully predicted 86,258 gene models, including 76,825 protein-coding genes. Further analysis showed that potential targets of genome editing for the engineering of anthocyanin pathways in P. frutescens are located on the late-stage pathways. Overall, our genome assembly could serve as a valuable reference for selecting target genes for genome editing of P. frutescens .

Abstract Secondary loss of photosynthesis is observed across almost all plastid-bearing branches of the eukaryotic tree of life. However, genome-based insights into the transition from a phototroph into a secondary heterotroph have so far only been revealed for parasitic species. Free-living organisms can yield unique insights into the evolutionary consequence of the loss of photosynthesis, as the parasitic lifestyle requires specific adaptations to host environments. Here we report on the diploid genome of the free-living diatom Nitzschia putrida (35 Mbp), a non-photosynthetic osmotroph whose photosynthetic relatives contribute ca. 40% of net oceanic primary production. Comparative analyses with photosynthetic diatoms revealed that a combination of genes loss, the horizontal acquisition of genes involved in organic carbon degradation, a unique secretome and the rapid divergence of conserved gene families involved in cell wall and extracellular metabolism appear to have facilitated the lifestyle of a non-parasitic, free-living secondary heterotroph.