We report the draft genome of the black cottonwood tree, Populus trichocarpa . Integration of shotgun sequence assembly with genetic mapping enabled chromosome-scale reconstruction of the genome. More than 45,000 putative protein-coding genes were identified. Analysis of the assembled genome revealed a whole-genome duplication event; about 8000 pairs of duplicated genes from that event survived in the Populus genome. A second, older duplication event is indistinguishably coincident with the divergence of the Populus and Arabidopsis lineages. Nucleotide substitution, tandem gene duplication, and gross chromosomal rearrangement appear to proceed substantially more slowly in Populus than in Arabidopsis. Populus has more protein-coding genes than Arabidopsis , ranging on average from 1.4 to 1.6 putative Populus homologs for each Arabidopsis gene. However, the relative frequency of protein domains in the two genomes is similar. Overrepresented exceptions in Populus include genes associated with lignocellulosic wall biosynthesis, meristem development, disease resistance, and metabolite transport.

Because lignin limits the use of wood for fiber, chemical, and energy production, strategies for its downregulation are of considerable interest. We have produced transgenic aspen (Populus tremuloides Michx.) trees in which expression of a lignin biosynthetic pathway gene Pt4CL1 encoding 4-coumarate:coenzyme A ligase (4CL) has been downregulated by antisense inhibition. Trees with suppressed Pt4CL1 expression exhibited up to a 45% reduction of lignin, but this was compensated for by a 15% increase in cellulose. As a result, the total lignin-cellulose mass remained essentially unchanged. Leaf, root, and stem growth were substantially enhanced, and structural integrity was maintained both at the cellular and whole-plant levels in the transgenic lines. Our results indicate that lignin and cellulose deposition could be regulated in a compensatory fashion, which may contribute to metabolic flexibility and a growth advantage to sustain the long-term structural integrity of woody perennials.

ABSTRACT As the focus for CRISPR edited plants moves from proof-of-concept to real world applications, precise gene manipulation will increasingly require concurrent multiplex editing for polygenic traits. A common approach for editing across multiple sites is to design one gRNA per target; however, this complicates construct assembly and increases the possibility of off-target mutations. In this study, we utilized one gRNA to target MYB186 , a known positive trichome regulator, as well as its paralogs MYB138 and MYB38 at a consensus site for mutagenesis in Populus tremula × P. alba INRA 717-1B4. Unexpected duplications of MYB186 and MYB138 resulted in a total of eight alleles for the three targeted genes in the hybrid poplar. Deep sequencing and PCR analyses confirmed editing across all eight targets in nearly all of the resultant glabrous mutants, ranging from small indels to large genomic dropouts, with no off-target activity detected at four potential sites. This highlights the effectiveness of a single gRNA targeting conserved exonic regions for multiplex editing. Additionally, cuticular wax and whole leaf analyses showed a complete absence of triterpenes in the trichomeless mutants, hinting at a previously undescribed role for the non-glandular trichomes of poplar. ONE SENTENCE SUMMARY Targeting conserved sequences with a single gRNA allowed efficient mutagenesis of a multigene family and the recovery of trichomeless and triterpene-free poplar mutants.

Abstract Nonstructural carbohydrate reserves of stems and roots underpin overall tree fitness and productivity under short-rotation management practices such as coppicing for bioenergy. While sucrose and starch comprise the predominant stem carbohydrate reserves of Populus, utilization for fitness and agricultural productivity is understood primarily in terms of starch turnover. The tonoplast sucrose transport protein SUT4 modulates sucrose export from source leaves to distant sinks during photoautotrophic growth, but the possibility of its involvement in remobilizing carbohydrates from storage organs during heterotrophic growth has not been explored. Here, we used PtaSUT4-knockout mutants of Populus tremula × P. alba (INRA 717-1B4) in winter (cool) and summer (warm) glasshouse coppicing experiments to assess SUT4 involvement in reserve utilization. Conditions preceding and supporting summer sprouting were considered favorable for growth, while those preceding and supporting cool temperature sprouting were suboptimal akin to conditions associated with coppicing as generally practiced. Epicormic bud emergence was delayed in sut4 mutants following lower temperature ‘winter’ but not summer coppicing. Winter xylem hexose increases were observed in control but not in sut4 stumps after coppicing. The magnitude of starch and sucrose reserve depletion was similar in control and sut4 stumps during the winter and did not explain the sprouting and xylem hexose differences. However, winter maintenance costs appeared higher in sut4 based partly on Krebs cycle intermediate levels. In control plants, bark accrual of abundant defense metabolites, including salicinoids and condensed tannins, was higher in summer than in winter, but this increase of summer defense allocations was attenuated in sut4 mutants. Temperature-sensitive trade-offs between growth and other priorities may therefore depend on SUT4 in Populus.

Summary Woody perennials including Populus spp. (poplars) have a juvenile phase that ranges from several years to decades in length. This and the year-long floral development process are major impediments to breeding and to fundamental research of reproductive traits. Here we report a CRISPR-empowered in vitro flowering system and demonstrate its application using three reproductive traits: sex, seed trichomes, and a previously undescribed potential for trimonoecy in poplar.

Crassulacean acid metabolism (CAM) is a carbon-concentrating mechanism that has evolved numerous times across flowering plants and is thought to be an adaptation to water limited environments. CAM has been investigated from physiological and biochemical perspectives but little is known about how plants evolve from C3 to CAM at the genetic or metabolic level. Here we take a comparative approach in analyzing time-course data of C3, CAM, and C3-CAM intermediate Yucca (Asparagaceae) species. RNA samples were collected over a 24-hour period from both well-watered and drought-stressed plants and were clustered based on time-dependent expression patterns. Metabolomic comparisons of the C3 and CAM species link gene expression to carbohydrate metabolism and gene network co-expression analyses revealed compositional and functional changes to networks containing canonical CAM genes. Observed differences in carbohydrate metabolism and antioxidant response between the CAM and C3 species reveal alternative sugar and starch degradation pathways, underscoring the need for more comparative metabolomic analyses to understand the evolution of CAM from C3. Despite many differences in transcript and metabolite profiles between the C3 and CAM species, shared time-structured expression of CAM genes in the C3 species suggests ancestral expression patterns required for CAM may have predated its origin in Yucca.

The lignin biosynthetic pathway is highly conserved in angiosperms, yet pathway manipulations give rise to a variety of taxon-specific outcomes. Knockout of lignin-associated 4-coumarate:CoA ligases (4CLs) in herbaceous species mainly reduces guaiacyl (G) lignin and enhances cell wall saccharification. Here we show that CRISPR-knockout of 4CL1 in Populus tremula × alba preferentially reduced syringyl (S) lignin, with negligible effects on biomass recalcitrance. Concordant with reduced S-lignin was downregulation of ferulate 5-hydroxylases (F5Hs). Lignification was largely sustained by 4CL5, a low-affinity paralog of 4CL1 typically with only minor xylem expression or activity. Levels of caffeate, the preferred substrate of 4CL5, increased in line with significant upregulation of caffeoyl shikimate esterase1. Upregulation of caffeoyl-CoA O-methyltransferase1 and downregulation of F5Hs are consistent with preferential funneling of 4CL5 products toward G-lignin biosynthesis at the expense of S-lignin. Thus, transcriptional and metabolic adaptations to 4CL1-knockout appear to have enabled 4CL5 catalysis at a level sufficient to sustain lignification. Finally, genes involved in sulfur assimilation, the glutathione-ascorbate cycle and various antioxidant systems were upregulated in the mutants, suggesting cascading responses to perturbed thioesterification in lignin biosynthesis.

Abstract The CRISPR-Cas9 system has been deployed for precision mutagenesis in an ever-growing number of species, including agricultural crops and forest trees. Its application to closely linked genes with extremely high sequence similarities has been less explored. Here, we used CRISPR-Cas9 to mutagenize a tandem array of seven Nucleoredoxin1 (NRX1 ) genes spanning ~100 kb in Populus tremula × alba . We demonstrated efficient multiplex editing with one single gRNA in 42 transgenic lines. The mutation profiles ranged from small indels and local deletions in individual genes to large genomic dropouts and rearrangements spanning tandem genes. We also detected complex rearrangements including translocations and inversions resulting from multiple cleavage and repair events. Target capture sequencing was instrumental for unbiased assessments of repair outcomes to reconstruct unusual mutant alleles. The work highlights the power of CRISPR-Cas9 for multiplex editing of tandemly duplicated genes to generate diverse mutants with structural and copy number variations to aid functional characterization.

Organelle-to-nucleus DNA transfer is an ongoing process playing an important role in the evolution of eukaryotic life. Here, genome-wide association studies (GWAS) of non-photochemical quenching parameters in 743 Populus trichocarpa accessions identified a nuclear-encoded genomic region associated with variation in photosynthesis under fluctuating light. The identified gene, BOOSTER (BSTR), comprises three exons, two with apparent endophytic origin and the third containing a large fragment of plastid-encoded Rubisco large subunit. Higher expression of BSTR facilitated anterograde signaling between nucleus and plastid, which corresponded to enhanced expression of Rubisco, increased photosynthesis, and up to 35% greater plant height and 88% biomass in poplar accessions under field conditions. Overexpression of BSTR in Populus tremula × P. alba achieved up to a 200% in plant height. Similarly, Arabidopsis plants heterologously expressing BSTR gained up to 200% in biomass and up to 50% increase in seed.

Phylloquinone (PhQ) is found predominantly in thylakoid membranes of photosynthetic tissues where it functions in photosystem I electron transport. PhQ has also been detected in plasma membranes, but neither the molecular basis nor the significance of this non-canonical pathway has been elucidated. Here we provide evidence of plasma membrane PhQ biosynthesis in a non-photosynthetic holoparasite Phelipanche aegyptiaca. A non-photosynthetic role is supported by transcription of the entire suite of PhQ biosynthetic genes, plasma membrane-localization of the terminal enzymes, and detection of PhQ in Phelipanche seeds. Analysis of PhQ-coexpressed genes in the holoparasite revealed increased cellular commitment to oxidation-reduction and defense relative to photosynthetic parasites. Coexpression network inference identified oxidoreductases involved in plasma membrane electron transport, implicating PhQ in a transmembrane redox relay associated with parasitism. Plasma membrane PhQ biosynthesis is also predicted to occur in photoautotrophic taxa via alternative splicing, suggesting non-plastidial PhQ is evolutionarily conserved.