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.

The fungus Laccaria bicolor — seen in its above-ground fruiting body presence as the 'bicoloured deceiver' mushroom — lives symbiotically on the roots of trees. Its genome has now been sequenced, and the key features of the genome characterized by transcript profiling. The study throws light on the mechanism of mycorrhizal symbiosis, the union of roots and soil fungi that is of vital important to plant productivity. And it will be of keen interest to evolutionary and plant biologists for its revelations about plant–fungus interactions shaping genomes over time. The genome of the fungus Laccaria bicolor is described; it is of keen interest to evolutionary and plant biologists for its revelations about plant–fungus interactions shaping genomes over time. Mycorrhizal symbioses—the union of roots and soil fungi—are universal in terrestrial ecosystems and may have been fundamental to land colonization by plants1,2. Boreal, temperate and montane forests all depend on ectomycorrhizae1. Identification of the primary factors that regulate symbiotic development and metabolic activity will therefore open the door to understanding the role of ectomycorrhizae in plant development and physiology, allowing the full ecological significance of this symbiosis to be explored. Here we report the genome sequence of the ectomycorrhizal basidiomycete Laccaria bicolor (Fig. 1) and highlight gene sets involved in rhizosphere colonization and symbiosis. This 65-megabase genome assembly contains ∼20,000 predicted protein-encoding genes and a very large number of transposons and repeated sequences. We detected unexpected genomic features, most notably a battery of effector-type small secreted proteins (SSPs) with unknown function, several of which are only expressed in symbiotic tissues. The most highly expressed SSP accumulates in the proliferating hyphae colonizing the host root. The ectomycorrhizae-specific SSPs probably have a decisive role in the establishment of the symbiosis. The unexpected observation that the genome of L. bicolor lacks carbohydrate-active enzymes involved in degradation of plant cell walls, but maintains the ability to degrade non-plant cell wall polysaccharides, reveals the dual saprotrophic and biotrophic lifestyle of the mycorrhizal fungus that enables it to grow within both soil and living plant roots. The predicted gene inventory of the L. bicolor genome, therefore, points to previously unknown mechanisms of symbiosis operating in biotrophic mycorrhizal fungi. The availability of this genome provides an unparalleled opportunity to develop a deeper understanding of the processes by which symbionts interact with plants within their ecosystem to perform vital functions in the carbon and nitrogen cycles that are fundamental to sustainable plant productivity.

The Périgord black truffle (Tuber melanosporum Vittad.) and the Piedmont white truffle dominate today's truffle market. The hypogeous fruiting body of T. melanosporum is a gastronomic delicacy produced by an ectomycorrhizal symbiont endemic to calcareous soils in southern Europe. The worldwide demand for this truffle has fuelled intense efforts at cultivation. Identification of processes that condition and trigger fruit body and symbiosis formation, ultimately leading to efficient crop production, will be facilitated by a thorough analysis of truffle genomic traits. In the ectomycorrhizal Laccaria bicolor, the expansion of gene families may have acted as a 'symbiosis toolbox'. This feature may however reflect evolution of this particular taxon and not a general trait shared by all ectomycorrhizal species. To get a better understanding of the biology and evolution of the ectomycorrhizal symbiosis, we report here the sequence of the haploid genome of T. melanosporum, which at approximately 125 megabases is the largest and most complex fungal genome sequenced so far. This expansion results from a proliferation of transposable elements accounting for approximately 58% of the genome. In contrast, this genome only contains approximately 7,500 protein-coding genes with very rare multigene families. It lacks large sets of carbohydrate cleaving enzymes, but a few of them involved in degradation of plant cell walls are induced in symbiotic tissues. The latter feature and the upregulation of genes encoding for lipases and multicopper oxidases suggest that T. melanosporum degrades its host cell walls during colonization. Symbiosis induces an increased expression of carbohydrate and amino acid transporters in both L. bicolor and T. melanosporum, but the comparison of genomic traits in the two ectomycorrhizal fungi showed that genetic predispositions for symbiosis-'the symbiosis toolbox'-evolved along different ways in ascomycetes and basidiomycetes.

Soil-borne mutualistic fungi, such as the ectomycorrhizal fungi, have helped shape forest communities worldwide over the last 180 million years through a mutualistic relationship with tree roots in which the fungal partner provides a large array of nutrients to the plant host in return for photosynthetically derived sugars [1Hibbett D.S. Matheny P.B. The relative ages of ectomycorrhizal mushrooms and their plant hosts estimated using Bayesian relaxed molecular clock analyses.BMC Biol. 2009; 7: 13Crossref PubMed Scopus (120) Google Scholar, 2Martin F. Kohler A. Murat C. Balestrini R. Coutinho P.M. Jaillon O. Montanini B. Morin E. Noel B. Percudani R. et al.Périgord black truffle genome uncovers evolutionary origins and mechanisms of symbiosis.Nature. 2010; 464: 1033-1038Crossref PubMed Scopus (508) Google Scholar]. This exchange is essential for continued growth and productivity of forest trees, especially in nutrient-poor soils. To date, the signals from the two partners that mediate this symbiosis have remained uncharacterized. Here we demonstrate that MYCORRHIZAL iNDUCED SMALL SECRETED PROTEIN 7 (MiSSP7), the most highly symbiosis-upregulated gene from the ectomycorrhizal fungus Laccaria bicolor [3Martin F. Aerts A. Ahrén D. Brun A. Danchin E.G.J. Duchaussoy F. Gibon J. Kohler A. Lindquist E. Pereda V. et al.The genome of Laccaria bicolor provides insights into mycorrhizal symbiosis.Nature. 2008; 452: 88-92Crossref PubMed Scopus (760) Google Scholar], encodes an effector protein indispensible for the establishment of mutualism. MiSSP7 is secreted by the fungus upon receipt of diffusible signals from plant roots, imported into the plant cell via phosphatidylinositol 3-phosphate-mediated endocytosis, and targeted to the plant nucleus where it alters the transcriptome of the plant cell. L. bicolor transformants with reduced expression of MiSSP7 do not enter into symbiosis with poplar roots. MiSSP7 resembles effectors of pathogenic fungi, nematodes, and bacteria that are similarly targeted to the plant nucleus to promote colonization of the plant tissues [4Marti M. Good R.T. Rug M. Knuepfer E. Cowman A.F. Targeting malaria virulence and remodeling proteins to the host erythrocyte.Science. 2004; 306: 1930-1933Crossref PubMed Scopus (712) Google Scholar, 5Gu K. Yang B. Tian D. Wu L. Wang D. Sreekala C. Yang F. Chu Z. Wang G.-L. White F.F. Yin Z. R gene expression induced by a type-III effector triggers disease resistance in rice.Nature. 2005; 435: 1122-1125Crossref PubMed Scopus (444) Google Scholar, 6He P. Shan L. Lin N.C. Martin G.B. Kemmerling B. Nürnberger T. Sheen J. Specific bacterial suppressors of MAMP signaling upstream of MAPKKK in Arabidopsis innate immunity.Cell. 2006; 125: 563-575Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (323) Google Scholar, 7Huang G. Dong R. Allen R. Davis E.L. Baum T.J. Hussey R.S. A root-knot nematode secretory peptide functions as a ligand for a plant transcription factor.Mol. Plant Microbe Interact. 2006; 19: 463-470Crossref PubMed Scopus (160) Google Scholar, 8Lee S.-W. Han S.W. Sririyanum M. Park C.J. Seo Y.S. Ronald P.C. A type I-secreted, sulfated peptide triggers XA21-mediated innate immunity.Science. 2009; 326: 850-853Crossref PubMed Scopus (213) Google Scholar, 9Doehlemann G. van der Linde K. Assmann D. Schwammbach D. Hof A. Mohanty A. Jackson D. Kahmann R. Pep1, a secreted effector protein of Ustilago maydis, is required for successful invasion of plant cells.PLoS Pathog. 2009; 5: e1000290Crossref PubMed Scopus (238) Google Scholar] and thus can be considered a mutualism effector.

Agaricus bisporus is the model fungus for the adaptation, persistence, and growth in the humic-rich leaf-litter environment. Aside from its ecological role, A. bisporus has been an important component of the human diet for over 200 y and worldwide cultivation of the “button mushroom” forms a multibillion dollar industry. We present two A. bisporus genomes, their gene repertoires and transcript profiles on compost and during mushroom formation. The genomes encode a full repertoire of polysaccharide-degrading enzymes similar to that of wood-decayers. Comparative transcriptomics of mycelium grown on defined medium, casing-soil, and compost revealed genes encoding enzymes involved in xylan, cellulose, pectin, and protein degradation are more highly expressed in compost. The striking expansion of heme-thiolate peroxidases and β-etherases is distinctive from Agaricomycotina wood-decayers and suggests a broad attack on decaying lignin and related metabolites found in humic acid-rich environment. Similarly, up-regulation of these genes together with a lignolytic manganese peroxidase, multiple copper radical oxidases, and cytochrome P450s is consistent with challenges posed by complex humic-rich substrates. The gene repertoire and expression of hydrolytic enzymes in A. bisporus is substantially different from the taxonomically related ectomycorrhizal symbiont Laccaria bicolor . A common promoter motif was also identified in genes very highly expressed in humic-rich substrates. These observations reveal genetic and enzymatic mechanisms governing adaptation to the humic-rich ecological niche formed during plant degradation, further defining the critical role such fungi contribute to soil structure and carbon sequestration in terrestrial ecosystems. Genome sequence will expedite mushroom breeding for improved agronomic characteristics.

Significance Plants use the hormone jasmonic acid (JA) to modulate plant:microbe interactions. Disease-causing microbes use proteins to alter host JA signaling to aid their growth in plant tissues. Beneficial symbiotic fungi, which colonize plant tissues and provide essential ecosystem services such as carbon sequestration and plant fertilization, can also alter JA signaling in plant cells to promote colonization. Here, we demonstrate that the MiSSP7 (Mycorrhiza-induced small secreted protein-7) protein of the beneficial fungus Laccaria bicolor interacts with host plant JA signaling repressors and, in contrast to biotrophic pathogens, promotes symbiosis by blocking JA action. These results shed new light on how beneficial and pathogenic microbes have evolutionarily diverged in the mechanisms by which they overcome plant defenses.