The Sol Genomics Network (SGN, http://solgenomics.net) is a web portal with genomic and phenotypic data, and analysis tools for the Solanaceae family and close relatives. SGN hosts whole genome data for an increasing number of Solanaceae family members including tomato, potato, pepper, eggplant, tobacco and Nicotiana benthamiana. The database also stores loci and phenotype data, which researchers can upload and edit with user-friendly web interfaces. Tools such as BLAST, GBrowse and JBrowse for browsing genomes, expression and map data viewers, a locus community annotation system and a QTL analysis tools are available. A new tool was recently implemented to improve Virus-Induced Gene Silencing (VIGS) constructs called the SGN VIGS tool. With the growing genomic and phenotypic data in the database, SGN is now advancing to develop new web-based breeding tools and implement the code and database structure for other species or clade-specific databases.

Abstract Petunia hybrida is a popular bedding plant that has a long history as a genetic model system. We report the whole-genome sequencing and assembly of inbred derivatives of its two wild parents, P. axillaris N and P. inflata S6. The assemblies include 91.3% and 90.2% coverage of their diploid genomes (1.4 Gb; 2 n = 14) containing 32,928 and 36,697 protein-coding genes, respectively. The genomes reveal that the Petunia lineage has experienced at least two rounds of hexaploidization: the older gamma event, which is shared with most Eudicots, and a more recent Solanaceae event that is shared with tomato and other solanaceous species. Transcription factors involved in the shift from bee to moth pollination reside in particularly dynamic regions of the genome, which may have been key to the remarkable diversity of floral colour patterns and pollination systems. The high-quality genome sequences will enhance the value of Petunia as a model system for research on unique biological phenomena such as small RNAs, symbiosis, self-incompatibility and circadian rhythms.

Tobacco (Nicotiana tabacum) is an important plant model system that has played a key role in the early development of molecular plant biology. The tobacco genome is large and its characterisation challenging because it is an allotetraploid, likely arising from hybridisation between diploid N. sylvestris and N. tomentosiformis ancestors. A draft assembly was recently published for N. tabacum, but because of the aforementioned genome complexities it was of limited utility due to a high level of fragmentation. Here we report an improved tobacco genome assembly, which, aided by the application of optical mapping, achieves an N50 size of 2.17 Mb and enables anchoring of 64% of the genome to pseudomolecules; a significant increase from the previous value of 19%. We use this assembly to identify two homeologous genes that explain the differentiation of the burley tobacco market class, with potential for greater understanding of Nitrogen Utilization Efficiency and Nitrogen Use Efficiency in plants; an important trait for future sustainability of agricultural production. Development of an improved genome assembly for N. tabacum enables what we believe to be the first successful map-based gene discovery for the species, and demonstrates the value of an improved assembly for future research in this model and commercially-important species.

Tomato (Solanum lycopersicum) is an established model for studying fruit biology; however, most studies of tomato fruit growth and ripening are based on homogenized pericarp, and do not consider the internal tissues, or the expression signatures of individual cell and tissue types. We present a spatiotemporally resolved transcriptome analysis of tomato fruit ontogeny, using laser microdissection (LM) or hand dissection coupled with RNA-Seq analysis. Regulatory and structural gene networks, including families of transcription factors and hormone synthesis and signaling pathways, are defined across tissue and developmental spectra. The ripening program is revealed as comprising gradients of gene expression, initiating in internal tissues then radiating outward, and basipetally along a latitudinal axis. We also identify spatial variations in the patterns of epigenetic control superimposed on ripening gradients. Functional studies elucidate previously masked regulatory phenomena and relationships, including those associated with fruit quality traits, such as texture, color, aroma, and metabolite profiles.

Abstract Hornworts comprise a bryophyte lineage that diverged from other extant land plants >400 million years ago and bears unique biological features, including a distinct sporophyte architecture, cyanobacterial symbiosis and a pyrenoid-based carbon-concentrating mechanism (CCM). Here, we provide three high-quality genomes of Anthoceros hornworts. Phylogenomic analyses place hornworts as a sister clade to liverworts plus mosses with high support. The Anthoceros genomes lack repeat-dense centromeres as well as whole-genome duplication, and contain a limited transcription factor repertoire. Several genes involved in angiosperm meristem and stomatal function are conserved in Anthoceros and upregulated during sporophyte development, suggesting possible homologies at the genetic level. We identified candidate genes involved in cyanobacterial symbiosis and found that LCIB , a Chlamydomonas CCM gene, is present in hornworts but absent in other plant lineages, implying a possible conserved role in CCM function. We anticipate that these hornwort genomes will serve as essential references for future hornwort research and comparative studies across land plants.

Abstract Non-recombining sex chromosomes, like the mammalian Y, often lose genes and accumulate transposable elements, a process termed degeneration 1,2 . The correlation between suppressed recombination and degeneration is clear in animal XY systems 1,2 , but the absence of recombination is confounded with other asymmetries between the X and Y. In contrast, UV sex chromosomes, like those found in bryophytes, experience symmetrical population genetic conditions 3,4 . Here we test for degeneration in the bryophyte UV sex chromosome system through genomic comparisons with new female and male chromosome-scale reference genomes of the moss Ceratodon purpureus . We show that the moss sex chromosomes evolved over 300 million years ago and expanded via two chromosomal fusions. Although the sex chromosomes show signs of weaker purifying selection than autosomes, we find suppressed recombination alone is insufficient to drive gene loss on sex-specific chromosomes. Instead, the U and V sex chromosomes harbor thousands of broadly-expressed genes, including numerous key regulators of sexual development across land plants.

Abstract Plants in habitats with unpredictable conditions are often characterized by diversifying their bet-hedging strategies that ensure fitness over a wider range of variable environmental factors. A striking example is the diaspore (seed and fruit) heteromorphism that evolved to maximize species survival in Aethionema arabicum (Brassicaceae) in which external and endogenous triggers allow the production of two distinct diaspores on the same plant. Using this dimorphic diaspore model, we identified contrasting molecular, biophysical, and ecophysiological mechanisms in the germination responses to different temperatures of the mucilaginous seeds (M + seed morphs), the dispersed indehiscent fruits (IND fruit morphs), and the bare non-mucilaginous M − seeds obtained by pericarp (fruit coat) removal from IND fruits. Large-scale comparative transcriptome and hormone analyses of M + seeds, IND fruits, and M − seeds provided comprehensive datasets for their distinct thermal responses. Morph-specific differences in co-expressed gene modules in seeds, as well as seed and pericarp hormone contents identified a role of the IND pericarp in imposing coat dormancy by generating hypoxia affecting ABA sensitivity. This involved expression of morph-specific transcription factors, hypoxia response and cell wall-remodeling genes, as well as altered abscisic acid (ABA) metabolism, transport, and signaling. Parental temperature affected ABA contents and ABA-related gene expression and altered IND pericarp biomechanical properties. Elucidating the molecular framework underlying the diaspore heteromorphism can provide insight into developmental responses to globally changing temperatures. IN A NUTSHELL Background Heteromorphic diaspores (fruits and seeds) are an adaptive bet-hedging strategy to ensure survival in spatiotemporally variable environments. The stone cress Aethionema arabicum , an annual plant native to semi-arid habitats in Anatolia (Turkey), one of the world’s hotspots of biodiversity. It is a close relative of Arabidopsis, rapeseed, cabbage and other Brassica crops, but in contrast to these Ae. arabicum disperses two distinct diaspores from the same plant. These dimorphic diaspores are the mucilaginous seeds (dispersed by pod shatter) and indehiscent fruits (dispersed by abscission). The wing-like pericarp (fruit coat) of the single-seeded indehiscent fruit allows wind dispersal over large distances. The amounts and ratios of the dimorphic diaspores are variable and depend on the environmental conditions. The dimorphic diaspores differ in morphology, dormancy and germination properties and thereby make Ae. arabicum an excellent model for the comparative investigation of the underpinning molecular mechanisms. Question We asked how temperature during fruit and seed formation and during seed germination affect dormancy release and germination speed, and how the morphology, hormonal regulation, and the expression of genes differ between the dimorphic diaspores. Findings Large-scale comparative transcriptome and hormone analyses of the mucilaginous seeds and the indehiscent fruits, as well as the seeds artificially extracted from indehiscent fruits by pericarp (fruit coat) removal, provided comprehensive datasets for their distinct thermal responses. Material obtained from plants grown at different temperatures during reproduction was imbibed at different temperatures for germination. This altered the abscisic acid (ABA) metabolism and the pericarp biomechanical properties. Diaspore-specific differences in response to distinct imbibition temperatures identified distinct gene expression patterns in seeds, distinct seed and pericarp hormone contents, and a role of the pericarp in generating hypoxia inside the fruit and imposing coat dormancy. This revealed distinct combinations of specific transcription factors, hypoxia responses and cell wall-remodeling genes, as well as altered signaling pathway genes. Next steps Our large-scale comparative transcriptome datasets are easily and publicly accessible via the Aethionema arabicum web portal ( https://plantcode.cup.uni-freiburg.de/aetar_db/index.php ). We plan to expand this by future work on seedlings derived from the dimorphic diaspores, by comparing different Ae. arabicum genotypes, and by studying responses to specific stresses. Understanding the molecular basis of this fascinating example of developmental diversity and plasticity and its regulation by temperature is expected to add insight how plants respond to changing environmental conditions.

The filamentous and unicellular algae of the class Zygnematophyceae are the closest algal relatives of land plants. Inferring the properties of the last common ancestor shared by these algae and land plants allows us to identify decisive traits that enabled the conquest of land by plants. We sequenced four genomes of filamentous Zygnematophyceae (three strains of Zygnema circumcarinatum and one strain of Z. cylindricum) and generated chromosome-scale assemblies for all strains of the emerging model system Z. circumcarinatum. Comparative genomic analyses reveal expanded genes for signaling cascades, environmental response, and intracellular trafficking that we associate with multicellularity. Gene family analyses suggest that Zygnematophyceae share all the major enzymes with land plants for cell wall polysaccharide synthesis, degradation, and modifications; most of the enzymes for cell wall innovations, especially for polysaccharide backbone synthesis, were gained more than 700 million years ago. In Zygnematophyceae, these enzyme families expanded, forming co-expressed modules. Transcriptomic profiling of over 19 growth conditions combined with co-expression network analyses uncover cohorts of genes that unite environmental signaling with multicellular developmental programs. Our data shed light on a molecular chassis that balances environmental response and growth modulation across more than 600 million years of streptophyte evolution.

Secondary dormancy is an adaptive trait that increases reproductive success by aligning seed germination with permissive conditions for seedling establishment. Aethionema arabicum is an annual plant and member of the Brassicaceae that grows in environments characterized by hot and dry summers. Aethionema arabicum seeds may germinate in early spring when seedling establishment is permissible. We demonstrate that long-day light regimes induce secondary dormancy in seed of Aethionema arabicum (CYP accession) repressing germination in summer when seedling establishment is riskier. Characterization of mutants screened for defective secondary dormancy demonstrated that RGL2 mediates repression of genes involved in GA signalling. Exposure to high temperature alleviates secondary dormancy, restoring germination potential. These data are consistent with the hypothesis that long-day-induced secondary dormancy and its alleviation by high temperatures, may be part of an adaptive response limiting germination to conditions permissive for seedling establishment in spring and autumn.

Secondary dormancy is an adaptive trait that increases reproductive success by aligning seed germination with permissive conditions for seedling establishment. Aethionema arabicum is an annual plant and member of the Brassicaceae that grows in environments characterized by hot and dry summers. Aethionema arabicum seeds may germinate in early spring when seedling establishment is permissible. We demonstrate that long-day light regimes induce secondary dormancy in the seeds of Aethionema arabicum (CYP accession), repressing germination in summer when seedling establishment is riskier. Characterization of mutants screened for defective secondary dormancy demonstrated that RGL2 mediates repression of genes involved in gibberellin (GA) signaling. Exposure to high temperature alleviates secondary dormancy, restoring germination potential. These data are consistent with the hypothesis that long-day-induced secondary dormancy and its alleviation by high temperatures may be part of an adaptive response limiting germination to conditions permissive for seedling establishment in spring and autumn.