Sequencing and de novo assembly of seven wild relatives of soybean yields insights relevant to crop domestication and improvement. Wild relatives of crops are an important source of genetic diversity for agriculture, but their gene repertoire remains largely unexplored. We report the establishment and analysis of a pan-genome of Glycine soja, the wild relative of cultivated soybean Glycine max, by sequencing and de novo assembly of seven phylogenetically and geographically representative accessions. Intergenomic comparisons identified lineage-specific genes and genes with copy number variation or large-effect mutations, some of which show evidence of positive selection and may contribute to variation of agronomic traits such as biotic resistance, seed composition, flowering and maturity time, organ size and final biomass. Approximately 80% of the pan-genome was present in all seven accessions (core), whereas the rest was dispensable and exhibited greater variation than the core genome, perhaps reflecting a role in adaptation to diverse environments. This work will facilitate the harnessing of untapped genetic diversity from wild soybean for enhancement of elite cultivars.

NAC transcription factors play important roles in plant growth, development and stress responses. Previously, we identified multiple NAC genes in soybean (Glycine max). Here, we identify the roles of two genes, GmNAC11 and GmNAC20, in stress responses and other processes. The two genes were differentially induced by multiple abiotic stresses and plant hormones, and their transcripts were abundant in roots and cotyledons. Both genes encoded proteins that localized to the nucleus and bound to the core DNA sequence CGT[G/A]. In the protoplast assay system, GmNAC11 acts as a transcriptional activator, whereas GmNAC20 functions as a mild repressor; however, the C-terminal end of GmANC20 has transcriptional activation activity. Over-expression of GmNAC20 enhances salt and freezing tolerance in transgenic Arabidopsis plants; however, GmNAC11 over-expression only improves salt tolerance. Over-expression of GmNAC20 also promotes lateral root formation. GmNAC20 may regulate stress tolerance through activation of the DREB/CBF-COR pathway, and may control lateral root development by altering auxin signaling-related genes. GmNAC11 probably regulates DREB1A and other stress-related genes. The roles of the two GmNAC genes in stress tolerance were further analyzed in soybean transgenic hairy roots. These results provide a basis for genetic manipulation to improve the agronomic traits of important crops.

ABSTRACT WRKY‐type transcription factors are involved in multiple aspects of plant growth, development and stress response. WRKY genes have been found to be responsive to abiotic stresses; however, their roles in abiotic stress tolerance are largely unknown especially in crops. Here, we identified stress‐responsive WRKY genes from wheat ( Triticum aestivum L.) and studied their functions in stress tolerance. Forty‐three putative TaWRKY genes were identified and two multiple stress‐induced genes, TaWRKY2 and TaWRKY19 , were further characterized. TaWRKY2 and TaWRKY19 are nuclear proteins, and displayed specific binding to typical cis‐element W box. Transgenic Arabidopsis plants overexpressing TaWRKY2 exhibited salt and drought tolerance compared with controls. Overexpression of TaWRKY19 conferred tolerance to salt, drought and freezing stresses in transgenic plants. TaWRKY2 enhanced expressions of STZ and RD29B , and bound to their promoters. TaWRKY19 activated expressions of DREB2A , RD29A , RD29B and Cor6.6 , and bound to DREB2A and Cor6.6 promoters. The two TaWRKY proteins may regulate the downstream genes through direct binding to the gene promoter or via indirect mechanism. Manipulation of TaWRKY2 and TaWRKY19 in wheat or other crops should improve their performance under various abiotic stress conditions.

Receptor-like kinases (RLKs) play essential roles in plant growth, development and responses to environmental stresses. A putative RLK gene, OsSIK1, with extracellular leucine-rich repeats was cloned and characterized in rice (Oryza sativa). OsSIK1 exhibits kinase activity in the presence of Mn(2+), and the OsSIK1 kinase domain has the ability to autophosphorylate and phosphorylate myelin basic protein (MBP). OsSIK1 promoter-GUS analysis revealed that OsSIK1 is expressed mainly in the stem and spikelet in rice. The expression of OsSIK1 is mainly induced by salt, drought and H(2)O(2) treatments. Transgenic rice plants with overexpression of OsSIK1 show higher tolerance to salt and drought stresses than control plants. On the contrary, the knock-out mutants sik1-1 and sik1-2, as well as RNA interference (RNAi) plants, are sensitive to drought and salt stresses. The activities of peroxidase, superoxide dismutase and catalase are enhanced significantly in OsSIK1-overexpressing plants. Also, the accumulation of H(2)O(2) in leaves of OsSIK1-overexpressing plants is much less than that of the mutants, RNAi plants and control plants, as measured by 3,3'-diamino benzidine (DAB) staining. We also show that OsSIK1 affects stomatal density in the abaxial and adaxial leaf epidermis of rice. These results indicate that OsSIK1 plays important roles in salt and drought stress tolerance in rice, through the activation of the antioxidative system.

Abstract Background MicroRNAs (miRNAs) regulate gene expression by mediating gene silencing at transcriptional and post-transcriptional levels in higher plants. miRNAs and related target genes have been widely studied in model plants such as Arabidopsis and rice; however, the number of identified miRNAs in soybean ( Glycine max ) is limited, and global identification of the related miRNA targets has not been reported in previous research. Results In our study, a small RNA library and a degradome library were constructed from developing soybean seeds for deep sequencing. We identified 26 new miRNAs in soybean by bioinformatic analysis and further confirmed their expression by stem-loop RT-PCR. The miRNA star sequences of 38 known miRNAs and 8 new miRNAs were also discovered, providing additional evidence for the existence of miRNAs. Through degradome sequencing, 145 and 25 genes were identified as targets of annotated miRNAs and new miRNAs, respectively. GO analysis indicated that many of the identified miRNA targets may function in soybean seed development. Additionally, a soybean homolog of Arabidopsis SUPPRESSOR OF GENE SLIENCING 3 ( AtSGS3 ) was detected as a target of the newly identified miRNA Soy_25, suggesting the presence of feedback control of miRNA biogenesis. Conclusions We have identified large numbers of miRNAs and their related target genes through deep sequencing of a small RNA library and a degradome library. Our study provides more information about the regulatory network of miRNAs in soybean and advances our understanding of miRNA functions during seed development.

Thellungiella salsuginea, a close relative of Arabidopsis , represents an extremophile model for abiotic stress tolerance studies. We present the draft sequence of the T. salsuginea genome, assembled based on ∼134-fold coverage to seven chromosomes with a coding capacity of at least 28,457 genes. This genome provides resources and evidence about the nature of defense mechanisms constituting the genetic basis underlying plant abiotic stress tolerance. Comparative genomics and experimental analyses identified genes related to cation transport, abscisic acid signaling, and wax production prominent in T. salsuginea as possible contributors to its success in stressful environments.

Abstract The cell wall shapes plant cell morphogenesis and affects the plasticity of organ growth. However, the way in which cell wall establishment is regulated by ethylene remains largely elusive. Here, by analyzing cell wall patterns, cell wall composition and gene expression in rice (Oryza sativa, L.) roots, we found that ethylene induces cell wall thickening and the expression of cell wall synthesis-related genes, including CELLULOSE SYNTHASE-LIKE C1, 2, 7, 9, 10 (OsCSLC1, 2, 7, 9, 10) and CELLULOSE SYNTHASE A3, 4, 7, 9 (OsCESA3, 4, 7, 9). Overexpression and mutant analyses revealed that OsCSLC2 and its homologs function in ethylene-mediated induction of xyloglucan biosynthesis mainly in the cell wall of root epidermal cells. Moreover, OsCESA-catalyzed cellulose deposition in the cell wall was enhanced by ethylene. OsCSLC-mediated xyloglucan biosynthesis likely plays an important role in restricting cell wall extension and cell elongation during the ethylene response in rice roots. Genetically, OsCSLC2 acts downstream of ETHYLENE-INSENSITIVE3-LIKE1 (OsEIL1)-mediated ethylene signaling, and OsCSLC1, 2, 7, 9 are directly activated by OsEIL1. Furthermore, the auxin signaling pathway is synergistically involved in these regulatory processes. These findings link plant hormone signaling with cell wall establishment, broadening our understanding of root growth plasticity in rice and other crops.