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.

There are 244 cytochrome P450 genes (and 28 pseudogenes) in the Arabidopsis genome. P450s thus form one of the largest gene families in plants. Contrary to what was initially thought, this family diversification results in very limited functional redundancy and seems to mirror the complexity of plant metabolism. P450s sometimes share less than 20% identity and catalyze extremely diverse reactions leading to the precursors of structural macromolecules such as lignin, cutin, suberin and sporopollenin, or are involved in biosynthesis or catabolism of all hormone and signaling molecules, of pigments, odorants, flavors, antioxidants, allelochemicals and defense compounds, and in the metabolism of xenobiotics. The mechanisms of gene duplication and diversification are getting better understood and together with co-expression data provide leads to functional characterization.

Inventors in the field of mechanical and electronic engineering can access multitudes of components and, thanks to standardization, parts from different manufacturers can be used in combination with each other. The introduction of BioBrick standards for the assembly of characterized DNA sequences was a landmark in microbial engineering, shaping the field of synthetic biology. Here, we describe a standard for Type IIS restriction endonuclease-mediated assembly, defining a common syntax of 12 fusion sites to enable the facile assembly of eukaryotic transcriptional units. This standard has been developed and agreed by representatives and leaders of the international plant science and synthetic biology communities, including inventors, developers and adopters of Type IIS cloning methods. Our vision is of an extensive catalogue of standardized, characterized DNA parts that will accelerate plant bioengineering.

Metabolic highways may be orchestrated by the assembly of sequential enzymes into protein complexes, or metabolons, to facilitate efficient channeling of intermediates and to prevent undesired metabolic cross-talk while maintaining metabolic flexibility. Here we report the isolation of the dynamic metabolon that catalyzes the formation of the cyanogenic glucoside dhurrin, a defense compound produced in sorghum plants. The metabolon was reconstituted in liposomes, which demonstrated the importance of membrane surface charge and the presence of the glucosyltransferase for metabolic channeling. We used in planta fluorescence lifetime imaging microscopy and fluorescence correlation spectroscopy to study functional and structural characteristics of the metabolon. Understanding the regulation of biosynthetic metabolons offers opportunities to optimize synthetic biology approaches for efficient production of high-value products in heterologous hosts.

Abstract Salvia hispanica L. (Chia), a member of the Lamiaceae, is an economically important crop in Mesoamerica, with health benefits associated with its seed fatty acid composition. Chia varieties are distinguished based on seed color including mixed white and black (Chia pinta) and black (Chia negra). To facilitate research on Chia and expand on comparative analyses within the Lamiaceae, we generated a chromosome‐scale assembly of a Chia pinta accession and performed comparative genome analyses with a previously published Chia negra genome assembly. The Chia pinta and Chia negra genome sequences were highly similar as shown by a limited number of single nucleotide polymorphisms and extensive shared orthologous gene membership. However, there is an enrichment of terpene synthases in the Chia pinta genome relative to the Chia negra genome. We sequenced and analyzed the genomes of 20 Chia accessions with differing seed color and geographic origin revealing population structure within S. hispanica and interspecific introgressions of Salvia species. As the genus Salvia is polyphyletic, its evolutionary history remains unclear. Using large‐scale synteny analysis within the Lamiaceae and orthologous group membership, we resolved the phylogeny of Salvia species. This study and its collective resources further our understanding of genomic diversity in this food crop and the extent of interspecies hybridizations in Salvia .

SUMMARY The Lamiaceae (mint family) is the largest known source of furanoclerodanes, a subset of clerodane diterpenoids with broad bioactivities including insect antifeedant properties. The Ajugoideae subfamily, in particular, accumulates significant numbers of structurally related furanoclerodanes. The biosynthetic capacity for formation of these diterpenoids is retained across most Lamiaceae subfamilies, including the early-diverging Callicarpoideae which forms a sister clade to the rest of Lamiaceae. VacCYP76BK1 , a cytochrome P450 monooxygenase from Vitex agnus-castus , was previously found to catalyze the formation of the proposed precursor to furan and lactone-containing labdane diterpenoids. Through transcriptome-guided pathway exploration, we identified orthologs of VacCYP76BK1 in Ajuga reptans and Callicarpa americana. Functional characterization demonstrated that both could catalyze the oxidative cyclization of clerodane backbones to yield a furan ring. Subsequent investigation revealed a total of ten CYP76BK1 orthologs across six Lamiaceae subfamilies. Through analysis of available chromosome-scale genomes, we identified four CYP76BK1 members as syntelogs within a conserved syntenic block across divergent subfamilies. This suggests an evolutionary lineage that predates the speciation of the Lamiaceae. Functional characterization of the CYP76BK1 orthologs affirmed conservation of function, as all catalyzed furan ring formation. Additionally, some orthologs yielded two novel lactone ring moieties. The presence of the CYP76BK1 orthologs across Lamiaceae subfamilies closely overlaps with the distribution of reported furanoclerodanes. Together, the activities and distribution of the CYP76BK1 orthologs identified here support their central role in furanoclerodane biosynthesis within the Lamiaceae family. Our findings lay the groundwork for biotechnological applications to harness the economic potential of this promising class of compounds. Significance Statement The discovery and functional characterization of CYP76BK1 orthologs across diverse Lamiaceae subfamilies revealed novel chemistry and their central role in furanoclerodane biosynthesis, providing insights into the metabolic landscape and dynamic evolution of this plant family over approximately 50 million years. These findings pave the way for targeted biosynthetic engineering efforts and the sustainable production of furanoclerodane compounds, offering promising prospects for agricultural and pharmaceutical applications.

Salvia hispanica L. (Chia), a member of the Lamiaceae, is an economically important crop in Mesoamerica, with health benefits associated with its seed fatty acid composition. Chia varieties are distinguished based on seed color including mixed white and black (Chia pinta) and black (Chia negra). To facilitate research on Chia and expand on comparative analyses within the Lamiaceae, we generated a chromosome-scale assembly of a Chia pinta accession and performed comparative genome analyses with a previously published Chia negra genome assembly. The Chia pinta and negra genome sequences were highly similar as shown by a limited number of single nucleotide polymorphisms and extensive shared orthologous gene membership. There is an enrichment of terpene synthases in the Chia pinta genome relative to the Chia negra genome. We sequenced and analyzed the genomes of 20 Chia accessions with differing seed color and geographic origin revealing population structure within S. hispanica and interspecific introgressions of Salvia species. As the genus Salvia is polyphyletic, its evolutionary history remains unclear. Using large-scale synteny analysis within the Lamiaceae and orthologous group membership, we resolved the phylogeny of Salvia species. This study and its collective resources further our understanding of genomic diversity in this food crop and the extent of inter-species hybridizations in Salvia.

Inducible gene expression is crucial for regulating cellular processes and production of compounds within cellular pathways. Yet, inducing gene expression is only the first step to utilizing cellular processes for an applied purpose such as biosensors. Detecting when gene expression occurs is central to understanding the overall mechanism of the process as well as maximizing the process. Fluorescent proteins have been established as the primary tool for detecting gene expression in inducible systems. This study proposes electricity production as an alternate tool in reporting gene expression. Using a model organism for electricity production, Shewanella oneidensis MR-1, current was shown to be an efficient reporter for gene expression and comparable to superfolder green fluorescent protein (GFP). Through regulation of the lac operator and T7 promoter, current production was induced by isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) addition. IPTG addition induced translation of GFP and the MtrB protein, which complemented a ∆mtrB strain of S. oneidensis MR-1 and restored current production. This inducible system generated reproducible current in 18 minutes in both micro-oxic and anoxic conditions. These results show that current is a fast reporter for gene expression.