In the early 1990s an outbreak of papaya ringspot virus (PRSV) in the papaya groves in the Puna district of Hawaii caused severe damage to an important crop. Since then, the planting of two transgenic cultivars resistant to the virus — called 'SunUp' and 'Rainbow' — has helped to maintain yields. SunUp is a transgenic red-fleshed fruit that expresses the coat protein gene of a mild mutant of PRSV, conferring resistance via post-transcriptional gene silencing. Rainbow is a yellow-fleshed (and therefore more popular) F1 hybrid bred from SunUp. Now the draft genome sequence of the SunUp strain of papaya has been determined — a first for a commercial virus-resistant transgenic fruit tree. Comparison of this plant genome to those of Arabidopsis and others sheds light on the evolution of qualities such as biosynthesis, starch deposition, control of photosynthesis and pathways for creating the volatile compounds that contribute to the characteristic flavour of papaya. On the cover, the disease-free transgenic Rainbow and the severely infected, stunted and dying non-transgenic Sunrise grow in adjoining plots. Researchers from Hawaii and an international consortium have produced a draft genome assembly for 'SunUp', the first commercial virus-resistant transgenic fruit tree. Comparison of this plant genome to those of Arabidopsis and others sheds light on evolution of characteristics such as biosynthesis, starch deposition, control of photosynthesis and pathways for creating volatile compounds. Papaya, a fruit crop cultivated in tropical and subtropical regions, is known for its nutritional benefits and medicinal applications. Here we report a 3× draft genome sequence of ‘SunUp’ papaya, the first commercial virus-resistant transgenic fruit tree1 to be sequenced. The papaya genome is three times the size of the Arabidopsis genome, but contains fewer genes, including significantly fewer disease-resistance gene analogues. Comparison of the five sequenced genomes suggests a minimal angiosperm gene set of 13,311. A lack of recent genome duplication, atypical of other angiosperm genomes sequenced so far2,3,4,5, may account for the smaller papaya gene number in most functional groups. Nonetheless, striking amplifications in gene number within particular functional groups suggest roles in the evolution of tree-like habit, deposition and remobilization of starch reserves, attraction of seed dispersal agents, and adaptation to tropical daylengths. Transgenesis at three locations is closely associated with chloroplast insertions into the nuclear genome, and with topoisomerase I recognition sites. Papaya offers numerous advantages as a system for fruit-tree functional genomics, and this draft genome sequence provides the foundation for revealing the basis of Carica’s distinguishing morpho-physiological, medicinal and nutritional properties.

The herbicide glyphosate became widely used in the United States and other parts of the world after the commercialization of glyphosate-resistant crops. These crops have constitutive overexpression of a glyphosate-insensitive form of the herbicide target site gene, 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase ( EPSPS ). Increased use of glyphosate over multiple years imposes selective genetic pressure on weed populations. We investigated recently discovered glyphosate-resistant Amaranthus palmeri populations from Georgia, in comparison with normally sensitive populations. EPSPS enzyme activity from resistant and susceptible plants was equally inhibited by glyphosate, which led us to use quantitative PCR to measure relative copy numbers of the EPSPS gene. Genomes of resistant plants contained from 5-fold to more than 160-fold more copies of the EPSPS gene than did genomes of susceptible plants. Quantitative RT-PCR on cDNA revealed that EPSPS expression was positively correlated with genomic EPSPS relative copy number. Immunoblot analyses showed that increased EPSPS protein level also correlated with EPSPS genomic copy number. EPSPS gene amplification was heritable, correlated with resistance in pseudo-F 2 populations, and is proposed to be the molecular basis of glyphosate resistance. FISH revealed that EPSPS genes were present on every chromosome and, therefore, gene amplification was likely not caused by unequal chromosome crossing over. This occurrence of gene amplification as an herbicide resistance mechanism in a naturally occurring weed population is particularly significant because it could threaten the sustainable use of glyphosate-resistant crop technology.

Integrin receptors play an important role during cell migration by mediating linkages and transmitting forces between the extracellular matrix and the actin cytoskeleton. The mechanisms by which these linkages are regulated and released during migration are not well understood. We show here that cell-permeable inhibitors of the calcium-dependent protease calpain inhibit both beta1 and beta3 integrin-mediated cell migration. Calpain inhibition specifically stabilizes peripheral focal adhesions, increases adhesiveness, and decreases the rate of cell detachment. Furthermore, these inhibitors alter the fate of integrin receptors at the rear of the cell during migration. A Chinese hamster ovary cell line expressing low levels of calpain I also shows reduced migration rates with similar morphological changes, further implicating calpain in this process. Taken together, the data suggest that calpain inhibition modulates cell migration by stabilizing cytoskeletal linkages and decreasing the rate of retraction of the cell's rear. Inhibiting calpain-mediated proteolysis may therefore be a potential therapeutic approach to control pathological cell migration such as tumor metastasis.

Abstract Centromeres in most higher eukaryotes are composed of long arrays of satellite repeats. By contrast, most newly formed centromeres (neocentromeres) do not contain satellite repeats and instead include DNA sequences representative of the genome. An unknown question in centromere evolution is how satellite repeat-based centromeres evolve from neocentromeres. We conducted a genome-wide characterization of sequences associated with CENH3 nucleosomes in potato (Solanum tuberosum). Five potato centromeres (Cen4, Cen6, Cen10, Cen11, and Cen12) consisted primarily of single- or low-copy DNA sequences. No satellite repeats were identified in these five centromeres. At least one transcribed gene was associated with CENH3 nucleosomes. Thus, these five centromeres structurally resemble neocentromeres. By contrast, six potato centromeres (Cen1, Cen2, Cen3, Cen5, Cen7, and Cen8) contained megabase-sized satellite repeat arrays that are unique to individual centromeres. The satellite repeat arrays likely span the entire functional cores of these six centromeres. At least four of the centromeric repeats were amplified from retrotransposon-related sequences and were not detected in Solanum species closely related to potato. The presence of two distinct types of centromeres, coupled with the boom-and-bust cycles of centromeric satellite repeats in Solanum species, suggests that repeat-based centromeres can rapidly evolve from neocentromeres by de novo amplification and insertion of satellite repeats in the CENH3 domains.

Gene expression and regulation in eukaryotes is controlled by orchestrated binding of regulatory proteins, including both activators and repressors, to promoters and other cis-regulatory DNA elements. An increasing number of plant genomes have been sequenced; however, a similar effort to the ENCODE project, which aimed to identify all functional elements in the human genome, has yet to be initiated in plants. Here we report genome-wide high-resolution mapping of DNase I hypersensitive (DH) sites in the model plant Arabidopsis thaliana. We identified 38,290 and 41,193 DH sites in leaf and flower tissues, respectively. The DH sites were depleted of bulk nucleosomes and were tightly associated with RNA polymerase II binding sites. Approximately 90% of the binding sites of two well-characterized MADS domain transcription factors, APETALA1 and SEPALLATA3, were covered by the DH sites. We demonstrate that protein binding footprints within a specific genomic region can be revealed using the DH site data sets in combination with known or putative protein binding motifs and gene expression data sets. Thus, genome-wide DH site mapping will be an important tool for systematic identification of all cis-regulatory DNA elements in plants.

Abstract The success of common wheat as the global staple crop is derived from genome diversity and redundancy as a result of allopolyploidization [1-3], giving rise to the major question how the divergent and convergent transcription among different subgenomes are achieved and harmonized in a single cell. The regulatory information is largely encoded in DNA regulatory elements (REs) interpreted by sequence specific transcription factors (TFs). Here, we created a catalog of genome-wide TF-binding sites (TFBS) to assemble an extensive wheat regulatory network comprising connections among 189 TFs and 3,714,431 REs, which enhances the understanding of wheat regulatory mechanisms on an unprecedented scale. A significant fraction of subgenome-divergent TFBS are derived from recent subgenome-asymmetric expansion of particular transposable element (TE) families. In contrary, TFBS derived from ancient TE expansion largely underwent parallel purifying selection during independent evolution of each subgenome, despite extensive unbalanced turnover of flanking TEs. Altogether, the subgenome-convergent and -divergent regulation in common wheat is orchestrated via differential evolutionary selection on paleo- and neo-TEs.

An i-motif (iM) is a four-stranded (quadruplex) DNA structure that folds from cytosine (C)-rich sequences. iMs can fold under many different conditions in vitro, which paves the way for their formation in living cells. iMs are thought to play key roles in various DNA transactions, notably in the regulation of genome stability, gene transcription, mRNA translation, DNA replication, telomere and centromere functions, and human diseases. We summarize the different techniques used to assess the folding of iMs in vitro and provide an overview of the internal and external factors that affect their formation and stability in vivo. We describe the possible biological relevance of iMs and propose directions towards their use as target in biology.

Abstract Single-stranded DNA (ssDNA) is essential for various DNA-templated processes in both eukaryotes and prokaryotes. However, comprehensive characterizations of ssDNA still lag in plants compared to nonplant systems. Here, we conducted in situ S1-sequencing, with starting gDNA ranging from 5 µg to 250 ng, followed by comprehensive characterizations of ssDNA in rice (Oryza sativa L.). We found that ssDNA loci were substantially associated with a subset of non-B DNA structures and functional genomic loci. Subtypes of ssDNA loci had distinct epigenetic features. Importantly, ssDNA may act alone or partly coordinate with non-B DNA structures, functional genomic loci, or epigenetic marks to actively or repressively modulate gene transcription, which is genomic region dependent and associated with the distinct accumulation of RNA Pol II. Moreover, distinct types of ssDNA had differential impacts on the activities and evolution of transposable elements (TEs) (especially common or conserved TEs) in the rice genome. Our study showcases an antibody-independent technique for characterizing non-B DNA structures or functional genomic loci in plants. It lays the groundwork and fills a crucial gap for further exploration of ssDNA, non-B DNA structures, or functional genomic loci, thereby advancing our understanding of their biology in plants.