Large-scale population genomic surveys are essential to explore the phenotypic diversity of natural populations. Here we report the whole-genome sequencing and phenotyping of 1,011 Saccharomyces cerevisiae isolates, which together provide an accurate evolutionary picture of the genomic variants that shape the species-wide phenotypic landscape of this yeast. Genomic analyses support a single ‘out-of-China’ origin for this species, followed by several independent domestication events. Although domesticated isolates exhibit high variation in ploidy, aneuploidy and genome content, genome evolution in wild isolates is mainly driven by the accumulation of single nucleotide polymorphisms. A common feature is the extensive loss of heterozygosity, which represents an essential source of inter-individual variation in this mainly asexual species. Most of the single nucleotide polymorphisms, including experimentally identified functional polymorphisms, are present at very low frequencies. The largest numbers of variants identified by genome-wide association are copy-number changes, which have a greater phenotypic effect than do single nucleotide polymorphisms. This resource will guide future population genomics and genotype–phenotype studies in this classic model system. Whole-genome sequencing of 1,011 natural isolates of the yeast Saccharomyces cerevisiae reveals its evolutionary history, including a single out-of-China origin and multiple domestication events, and provides a framework for genotype–phenotype studies in this model organism.

SUMMARY As population genomics is transitioning from single reference genomes to pangenomes, major improvements in terms of genome contiguity, phylogenetic sampling, haplotype phasing and structural variant (SV) calling are required. Here, we generated the Saccharomyces cerevisiae Reference Assembly Panel (ScRAP) comprising 142 reference-quality genomes from strains of various geographic and ecological origins that faithfully represent the genomic diversity and complexity of the species. The ca. 4,800 non-redundant SVs we identified impact the expression of genes near the breakpoints and contribute to gene repertoire evolution through disruptions, duplications, fusions and horizontal transfers. We discovered frequent cases of complex aneuploidies, preferentially involving large chromosomes that underwent large SVs. We also characterized the evolutionary dynamics of complex genomic regions that classically remain unassembled in short read-based projects, including the 5 Ty families and the 32 individual telomeres. Overall, the ScRAP represents a crucial step towards establishing a high-quality, unified and complete S. cerevisiae pangenome.

Abstract Oxford Nanopore Technologies Ltd (Oxford, UK) have recently commercialized MinION, a small and low-cost single-molecule nanopore sequencer, that offers the possibility of sequencing long DNA fragments. The Oxford Nanopore technology is truly disruptive and can sequence small genomes in a matter of seconds. It has the potential to revolutionize genomic applications due to its portability, low-cost, and ease of use compared with existing long reads sequencing technologies. The MinION sequencer enables the rapid sequencing of small eukaryotic genomes, such as the yeast genome. Combined with existing assembler algorithms, near complete genome assemblies can be generated and comprehensive population genomic analyses can be performed. Here, we resequenced the genome of the Saccharomyces cerevisiae S288C strain to evaluate the performance of nanopore-only assemblers. Then we de novo sequenced and assembled the genomes of 21 isolates representative of the S. cerevisiae genetic diversity using the MinION platform. The contiguity of our assemblies was 14 times higher than the Illumina-only assemblies and we obtained one or two long contigs for 65% of the chromosomes. This high continuity allowed us to accurately detect large structural variations across the 21 studied genomes. Moreover, because of the high completeness of the nanopore assemblies, we were able to produce a complete cartography of transposable elements insertions and inspect structural variants that are generally missed using a short-read sequencing strategy.

Abstract In natural populations, the same mutation can lead to different phenotypic outcomes due to the genetic variation that exists among individuals. Such genetic background effects are commonly observed, including in the context of many human diseases. However, systematic characterization of these effects at the species level is still lacking to date. Here, we sought to comprehensively survey background-dependent traits associated with gene loss-of-function (LoF) mutations in 39 natural isolates of Saccharomyces cerevisiae using a transposon saturation strategy. By analyzing the modeled fitness variability of a total of 4,469 genes, we found that 15% of them, when impacted by a LoF mutation, exhibited a significant gain- or loss-of-fitness phenotype in certain natural isolates compared to the reference strain S288C. Out of these 632 genetic background-dependent fitness genes identified, a total of 2/3 show a continuous variation across the population while 1/3 are specific to a single genetic background. Genes related to mitochondrial function are significantly overrepresented in the set of genes showing a continuous variation and display a potential functional rewiring with other genes involved in transcription and chromatin remodeling as well as in nuclear-cytoplasmic transport. Such rewiring effects are likely modulated by both the genetic background and the environment. While background-specific cases are rare and span diverse cellular processes, they can be functionally related at the individual level. All background-dependent fitness genes tend to have an intermediate connectivity in the global genetic interaction network and have shown relaxed selection pressure at the population level, highlighting their potential evolutionary characteristics.

Abstract While genome sequencing and assembly are now routine, we still do not have a full and precise picture of polyploid genomes. Phasing these genomes, i.e. deducing haplotypes from genomic data, remains a challenge. Despite numerous attempts, no existing polyploid phasing method provides accurate and contiguous haplotype predictions. To address this need, we developed nPhase, a ploidy agnostic pipeline and algorithm that leverage the accuracy of short reads and the length of long reads to solve reference alignment-based phasing for samples of unspecified ploidy ( https://github.com/nPhasePipeline/nPhase ). nPhase was validated on virtually constructed polyploid genomes of the model species Saccharomyces cerevisiae , generated by combining sequencing data of homozygous isolates. nPhase obtained on average >95% accuracy and a contiguous 1.25 haplotigs per haplotype to cover >90% of each chromosome (heterozygosity rate ≥0.5%). This new phasing method opens the door to explore polyploid genomes through applications such as population genomics and hybrid studies.

Abstract The identification of natural allelic variations controlling quantitative traits could contribute to decipher metabolic adaptation mechanisms within different populations of the same species. Such variations could result from man-mediated selection pressures and participate to the domestication. In this study, the genetic causes of the phenotypic variability of the central carbon metabolism Saccharomyces cerevisiae were investigated in the context of the enological fermentation. Carbon dioxide and glycerol production as well as malic acid consumption modulate the fermentation yield revealing a high level of genetic complexity. Their genetic determinism was found out by a multi environment QTL mapping approach allowing the identification of 14 quantitative trait loci from which 8 of them were validated down to the gene level by genetic engineering. Most of the validated genes had allelic variations involving flor yeast specific alleles. Those alleles were brought in the offspring by one parental strain that is closely related to the flor yeast genetic group while the second parental strain is part of the wine group. The causative genes identified are functionally linked to quantitative proteomic variations that would explain divergent metabolic features of wine and flor yeasts involving the tricarboxylic acid cycle (TCA), the glyoxylate shunt and the homeostasis of proton and redox cofactors. Overall, this work led to the identification of genetic factors that are hallmarks of adaptive divergence between flor yeast and wine yeast in the wine biotope. These alleles can also be used in the context of yeast selection to improve oenological traits linked to fermentation yield.

Summary Despite bread being one of the most historically and culturally important fermented products, its history and influence on the evolution of associated microbial species remains largely unknown. The first evidence of leavened bread dates to the second millenium BCE in Egypt and since, the art of bread-making developed and spread worldwide. Nowadays, leavened bread is made either by using a pure commercial culture of the yeast Saccharomyces cerevisiae or by propagating a sourdough, which is a mix of flour and water spontaneously fermented by yeast and bacteria. We studied the domestication of S. cerevisiae populations originating from industry and sourdough and tested whether these different bread-making processes led to population divergence. We found that the origin of S. cerevisiae bakery strains is polyphyletic with 67 % of strains clustering in two main clades: most commercial strains were tetraploid and clustered with strains having diverse origins, including beer. By contrast, most sourdough strains were diploids and found in a second clade of strains having mosaic genomes and diverse origins including fruits, or clinical and wild environments. When compared to the others, sourdough strains harboured in average a higher copy number of genes involved in maltose utilization, a common sugar produced from dough starch. Overall, a high level of gene flow from multiple contributors was detected. Phenotyping of bakery and non bakery strains further showed that sourdough and industrial bakery populations have undergone human selection for rapidly starting fermentations and for high CO 2 production. Interestingly, sourdough strains also showed a better adaptation to a sourdough mimicking environment, suggesting that natural selection occurred as well. In summary, our results revealed that the domestication of bakery yeast populations has been accompanied by dispersion, hybridization and divergent selection through industrial and artisanal bakery processes. In addition, they unveiled for the first time a case of fungus domestication where species divergence occurred through autotetraploidisation.

Abstract Transposable elements (TE) are an important source of genetic variation with a dynamic and content that greatly differ in a wide range of species. The origin of the intraspecific content variation is not always clear and little is known about the precise nature of it. Here, we surveyed the species-wide content of the Ty LTR-retrotransposons in a broad collection of 1,011 Saccharomyces cerevisiae natural isolates to understand what can stand behind the variation of the repertoire, i.e. the type and number of Ty elements. We have compiled an exhaustive catalog of all TE variants present in the S. cerevisiae species by identifying a large set of new variants. The characterization of the TE content in each isolate clearly highlighted that each subpopulation exhibits a unique and specific repertoire, retracing the evolutionary history of the species. Most interestingly, we have shown that ancient interspecific hybridization events had a major impact in the birth of new variants and therefore in the shaping of the TE repertoires. We also investigated the transpositional activity of these elements in a large set of natural isolates, and we found a broad variability related to the level of ploidy as well as the genetic background. Overall, our results pointed out that the evolution of the Ty content is deeply impacted by clade-specific events such as introgressions and therefore follows the population structure. In addition, our study lays the foundation for future investigations to better understand the transpositional regulation and more broadly the TE-host interactions. Authors summary Mobile DNA elements are widely distributed in the genomes of many eukaryotes, but their contents greatly vary between species, populations and even individuals. In fact, little is known about the origin of this variation of transposable element (TE) content across individuals of the same species. Here, we surveyed the Ty LTR-retrotransposon content in a broad collection of 1,011 Saccharomyces cerevisiae yeast natural isolates. We have defined an exhaustive and precise catalog of the TE variants present in the S. cerevisiae species. We found that the TE content follows the evolutionary history of the species because each subpopulation has a unique and specific content. Interestingly, our results highlighted that ancient interspecific hybridization events led to the appearance of new TE variants and therefore had a strong impact on the variation of the TE repertoires in this species. We also investigated the transpositional activity of these elements and found a wide variability related to the genetic background diversity. Altogether, our results have led to a better understanding of the variability of TE content at a species level.

Abstract Meiotic recombination shows broad variations across species and along chromosomes, and is often suppressed at and around genomic regions determining sexual compatibility such as mating type loci in fungi. Here we show that the absence of Spo11-DSBs and meiotic recombination on Lakl0C-left, the chromosome arm containing the sex locus of the Lachancea kluyveri budding yeast, results from the absence of recruitment of the two chromosome axis proteins Red1 and Hop1, essential for proper Spo11-DSBs formation. Furthermore, cytological observation of spread pachytene meiotic chromosomes reveals that Lakl0C-left does not undergo synapsis. However, we show that the behavior of Lakl0C-left is independent of its particularly early replication timing and is not accompanied by any peculiar chromosome structure as detectable by Hi-C in this yet poorly studied yeast. Finally, we observed an accumulation of heterozygous mutations on Lakl0C-left and a sexual dimorphism of the haploid meiotic offspring, supporting a direct effect of this absence of meiotic recombination on L. kluyveri genome evolution and fitness. Because suppression of meiotic recombination on sex chromosomes is widely observed across eukaryotes, the novel mechanism for recombination suppression described here may apply to other species, with the potential to impact sex chromosome evolution.

Abstract Unraveling the genetic sources of gene expression variation is essential to better understand the origins of phenotypic diversity in natural populations. Genome-wide association studies identified thousands of variants involved in gene expression variation, however, variants detected only explain part of the heritability. In fact, variants such as low-frequency and structural variants (SVs) are poorly captured in association studies. To assess the impact of these variants on gene expression variation, we explored a half-diallel panel composed of 323 hybrids originated from pairwise crosses of 26 natural Saccharomyces cerevisiae isolates. Using short- and long-read sequencing strategies, we established an exhaustive catalog of single nucleotide polymorphisms (SNPs) and SVs for this panel. Combining this dataset with the transcriptomes of all hybrids, we comprehensively mapped SNPs and SVs associated with gene expression variation. While SVs impact gene expression variation, SNPs exhibit a higher effect size with an overrepresentation of low-frequency variants compared to common ones. These results reinforce the importance of dissecting the heritability of complex traits with a comprehensive catalog of genetic variants at the population level.