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.

Chlamydomonas reinhardtii is a unicellular green alga whose lineage diverged from land plants over 1 billion years ago. It is a model system for studying chloroplast-based photosynthesis, as well as the structure, assembly, and function of eukaryotic flagella (cilia), which were inherited from the common ancestor of plants and animals, but lost in land plants. We sequenced the ∼120-megabase nuclear genome of Chlamydomonas and performed comparative phylogenomic analyses, identifying genes encoding uncharacterized proteins that are likely associated with the function and biogenesis of chloroplasts or eukaryotic flagella. Analyses of the Chlamydomonas genome advance our understanding of the ancestral eukaryotic cell, reveal previously unknown genes associated with photosynthetic and flagellar functions, and establish links between ciliopathy and the composition and function of flagella.

We attempted to overexpress chalcone synthase (CHS) in pigmented petunia petals by introducing a chimeric petunia CHS gene. Unexpectedly, the introduced gene created a block in anthocyanin biosynthesis. Forty-two percent of plants with the introduced CHS gene produced totally white flowers and/or patterned flowers with white or pale nonclonal sectors on a wild-type pigmented background; none of hundreds of transgenic control plants exhibited such phenotypes. Progeny testing of one plant demonstrated that the novel color phenotype co-segregated with the introduced CHS gene; progeny without this gene were phenotypically wild type. The somatic and germinal stability of the novel color patterns was variable. RNase protection analysis of petal RNAs isolated from white flowers showed that, although the developmental timing of mRNA expression of the endogenous CHS gene was not altered, the level of the mRNA produced by this gene was reduced 50-fold from wild-type levels. Somatic reversion of plants with white flowers to phenotypically parental violet flowers was associated with a coordinate rise in the steady-state levels of the mRNAs produced by both the endogenous and the introduced CHS genes. Thus, in the altered white flowers, the expression of both genes was coordinately suppressed, indicating that expression of the introduced CHS gene was not alone sufficient for suppression of endogenous CHS transcript levels. The mechanism responsible for the reversible co-suppression of homologous genes in trans is unclear, but the erratic and reversible nature of this phenomenon suggests the possible involvement of methylation.

Diatoms, a type of microscopic marine and freshwater alga, dominate the oceans and are responsible for about a fifth of the primary productivity on Earth. The complete genome sequence of Phaeodactylum tricornutum is reported in this issue, the second diatom to be sequenced. Comparisons with Thalassiosira pseudonana, the first, reveal that hundreds of diatom genes have been acquired by gene transfer from bacteria — or vice versa. Gene transfer appears to have been common during diatom evolution, creating unorthodox combinations of genes — including some from plants and animals — likely to play major roles in nutrient management and environmental signalling. Diatoms are photosynthetic secondary endosymbionts found throughout marine and freshwater environments, and are believed to be responsible for around one-fifth of the primary productivity on Earth1,2. The genome sequence of the marine centric diatom Thalassiosira pseudonana was recently reported, revealing a wealth of information about diatom biology3,4,5. Here we report the complete genome sequence of the pennate diatom Phaeodactylum tricornutum and compare it with that of T. pseudonana to clarify evolutionary origins, functional significance and ubiquity of these features throughout diatoms. In spite of the fact that the pennate and centric lineages have only been diverging for 90 million years, their genome structures are dramatically different and a substantial fraction of genes (∼40%) are not shared by these representatives of the two lineages. Analysis of molecular divergence compared with yeasts and metazoans reveals rapid rates of gene diversification in diatoms. Contributing factors include selective gene family expansions, differential losses and gains of genes and introns, and differential mobilization of transposable elements. Most significantly, we document the presence of hundreds of genes from bacteria. More than 300 of these gene transfers are found in both diatoms, attesting to their ancient origins, and many are likely to provide novel possibilities for metabolite management and for perception of environmental signals. These findings go a long way towards explaining the incredible diversity and success of the diatoms in contemporary oceans.

The genome of Ectocarpus, a model organism for brown algae, has been sequenced. Brown algae are complex photosynthetic organisms that have adapted to life in rocky coastal environments. Genome analysis sheds light on this adaptation and reveals an extended set of light-harvesting and pigment biosynthesis genes and novel metabolic processes such as halide metabolism. Comparative genomic analyses highlight the likely importance of a family of receptor kinases and related molecules in the evolution of multicellularity in plants, animals and brown algae. The genome of Ectocarpus siliculosis, a model for the study of brown algae, has been sequenced. These seaweeds are complex photosynthetic organisms that have adapted to rocky coastal environments. Genome analysis sheds light on this adaptation, revealing an extended set of light-harvesting and pigment biosynthesis genes, and new metabolic processes such as halide metabolism. Comparative analyses are also significant with respect to the evolution of multicellularity in plants, animals and brown algae. Brown algae (Phaeophyceae) are complex photosynthetic organisms with a very different evolutionary history to green plants, to which they are only distantly related1. These seaweeds are the dominant species in rocky coastal ecosystems and they exhibit many interesting adaptations to these, often harsh, environments. Brown algae are also one of only a small number of eukaryotic lineages that have evolved complex multicellularity (Fig. 1). We report the 214 million base pair (Mbp) genome sequence of the filamentous seaweed Ectocarpus siliculosus (Dillwyn) Lyngbye, a model organism for brown algae2,3,4,5, closely related to the kelps6,7 (Fig. 1). Genome features such as the presence of an extended set of light-harvesting and pigment biosynthesis genes and new metabolic processes such as halide metabolism help explain the ability of this organism to cope with the highly variable tidal environment. The evolution of multicellularity in this lineage is correlated with the presence of a rich array of signal transduction genes. Of particular interest is the presence of a family of receptor kinases, as the independent evolution of related molecules has been linked with the emergence of multicellularity in both the animal and green plant lineages. The Ectocarpus genome sequence represents an important step towards developing this organism as a model species, providing the possibility to combine genomic and genetic2 approaches to explore these and other4,5 aspects of brown algal biology further.

A wide-host-range cosmid cloning vector, pLAFR3, was constructed and used to make cosmid libraries of partially digested Sau3A DNA from race 0 and race 1 of Pseudomonas syringae pv. glycinea. Two avirulence genes, avrB0 and avrC, cloned from race 0, elicited the hypersensitivity reaction (HR) on specific cultivars of soybean. Race 4 transconjugants containing avrB0 induced a dark brown necrotic HR within 24 h on the soybean cultivars Harosoy and Norchief, whereas race 4 transconjugants containing avrC induced a light brown necrotic HR within 48 h on the soybean cultivars Acme, Peking, Norchief, and Flambeau. An additional avirulence gene, avrB1, cloned from race 1, appeared to be identical to avrB0 from race 0. The avrB0 and avrC genes from race 0 were characterized by restriction enzyme mapping, Southern blot analysis, Tn5 transposon mutagenesis, and site-directed gene replacements. The effects of these three genes on the in planta bacterial growth of race 4 transconjugants have also been examined. The identification and cloning of avrB1 provides genetic evidence for a gene-for-gene interaction in the bacterial blight disease of soybean, as avrB1 from race 1 interacts with the soybean disease resistance locus, Rpg1.

Sequence similarity and profile searching tools were used to analyze the genome sequences of Arabidopsis thaliana, Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe, Caenorhabditis elegans and Drosophila melanogaster for genes encoding three families of histone deacetylase (HDAC) proteins and three families of histone acetyltransferase (HAT) proteins. Plants, animals and fungi were found to have a single member of each of three subfamilies of the GNAT family of HATs, suggesting conservation of these functions. However, major differences were found with respect to sizes of gene families and multi‐domain protein structures within other families of HATs and HDACs, indicating substantial evolutionary diversification. Phylogenetic analysis identified a new class of HDACs within the RPD3/HDA1 family that is represented only in plants and animals. A similar analysis of the plant‐specific HD2 family of HDACs suggests a duplication event early in dicot evolution, followed by further diversification in the lineage leading to Arabidopsis. Of three major classes of SIR2‐type HDACs that are found in animals, fungi have representatives only in one class, whereas plants have representatives only in the other two. Plants possess five CREB‐binding protein (CBP)‐type HATs compared with one to two in animals and none in fungi. Domain and phylogenetic analyses of the CBP family proteins showed that this family has evolved three distinct types of CBPs in plants. The domain architecture of CBP and TAFII250 families of HATs show significant differences between plants and animals, most notably with respect to bromodomain occurrence and their number. Bromodomain‐containing proteins in Arabidopsis differ strikingly from animal bromodomain proteins with respect to the numbers of bromodomains and the other types of domains that are present. The substantial diversification of HATs and HDACs that has occurred since the divergence of plants, animals and fungi suggests a surprising degree of evolutionary plasticity and functional diversification in these core chromatin components.

Picoeukaryotes are a taxonomically diverse group of organisms less than 2 micrometers in diameter. Photosynthetic marine picoeukaryotes in the genus Micromonas thrive in ecosystems ranging from tropical to polar and could serve as sentinel organisms for biogeochemical fluxes of modern oceans during climate change. These broadly distributed primary producers belong to an anciently diverged sister clade to land plants. Although Micromonas isolates have high 18 S ribosomal RNA gene identity, we found that genomes from two isolates shared only 90% of their predicted genes. Their independent evolutionary paths were emphasized by distinct riboswitch arrangements as well as the discovery of intronic repeat elements in one isolate, and in metagenomic data, but not in other genomes. Divergence appears to have been facilitated by selection and acquisition processes that actively shape the repertoire of genes that are mutually exclusive between the two isolates differently than the core genes. Analyses of the Micromonas genomes offer valuable insights into ecological differentiation and the dynamic nature of early plant evolution.

The smallest known eukaryotes, at ≈1-μm diameter, are Ostreococcus tauri and related species of marine phytoplankton. The genome of Ostreococcus lucimarinus has been completed and compared with that of O. tauri . This comparison reveals surprising differences across orthologous chromosomes in the two species from highly syntenic chromosomes in most cases to chromosomes with almost no similarity. Species divergence in these phytoplankton is occurring through multiple mechanisms acting differently on different chromosomes and likely including acquisition of new genes through horizontal gene transfer. We speculate that this latter process may be involved in altering the cell-surface characteristics of each species. In addition, the genome of O. lucimarinus provides insights into the unique metal metabolism of these organisms, which are predicted to have a large number of selenocysteine-containing proteins. Selenoenzymes are more catalytically active than similar enzymes lacking selenium, and thus the cell may require less of that protein. As reported here, selenoenzymes, novel fusion proteins, and loss of some major protein families including ones associated with chromatin are likely important adaptations for achieving a small cell size.