Abstract Advances in genomics have expedited the improvement of several agriculturally important crops but similar efforts in wheat ( Triticum spp.) have been more challenging. This is largely owing to the size and complexity of the wheat genome 1 , and the lack of genome-assembly data for multiple wheat lines 2,3 . Here we generated ten chromosome pseudomolecule and five scaffold assemblies of hexaploid wheat to explore the genomic diversity among wheat lines from global breeding programs. Comparative analysis revealed extensive structural rearrangements, introgressions from wild relatives and differences in gene content resulting from complex breeding histories aimed at improving adaptation to diverse environments, grain yield and quality, and resistance to stresses 4,5 . We provide examples outlining the utility of these genomes, including a detailed multi-genome-derived nucleotide-binding leucine-rich repeat protein repertoire involved in disease resistance and the characterization of Sm1 6 , a gene associated with insect resistance. These genome assemblies will provide a basis for functional gene discovery and breeding to deliver the next generation of modern wheat cultivars.

Abstract Background Differential expression analysis based on “next-generation” sequencing technologies is a fundamental means of studying RNA expression. We recently developed a multi-step normalization method (called TbT) for two-group RNA-seq data with replicates and demonstrated that the statistical methods available in four R packages ( edgeR , DESeq , baySeq , and NBPSeq ) together with TbT can produce a well-ranked gene list in which true differentially expressed genes (DEGs) are top-ranked and non-DEGs are bottom ranked. However, the advantages of the current TbT method come at the cost of a huge computation time. Moreover, the R packages did not have normalization methods based on such a multi-step strategy. Results TCC (an acronym for Tag Count Comparison) is an R package that provides a series of functions for differential expression analysis of tag count data. The package incorporates multi-step normalization methods, whose strategy is to remove potential DEGs before performing the data normalization. The normalization function based on this DEG elimination strategy (DEGES) includes (i) the original TbT method based on DEGES for two-group data with or without replicates, (ii) much faster methods for two-group data with or without replicates, and (iii) methods for multi-group comparison. TCC provides a simple unified interface to perform such analyses with combinations of functions provided by edgeR , DESeq , and baySeq . Additionally, a function for generating simulation data under various conditions and alternative DEGES procedures consisting of functions in the existing packages are provided. Bioinformatics scientists can use TCC to evaluate their methods, and biologists familiar with other R packages can easily learn what is done in TCC . Conclusion DEGES in TCC is essential for accurate normalization of tag count data, especially when up- and down-regulated DEGs in one of the samples are extremely biased in their number. TCC is useful for analyzing tag count data in various scenarios ranging from unbiased to extremely biased differential expression. TCC is available at http://www.iu.a.u-tokyo.ac.jp/~kadota/TCC/ and will appear in Bioconductor ( http://bioconductor.org/ ) from ver. 2.13.

Abstract As sessile organisms, plants are subjected to fluctuating sunlight including potentially detrimental ultraviolet-B radiation (UV-B). In Arabidopsis thaliana , experiments under controlled conditions have shown that UV RESISTANCE LOCUS 8 ( UVR8 ) controls photomorphogenic responses for acclimation and tolerance to UV-B; however, its long-term impacts on plant performance remain poorly understood in naturally fluctuating environments. Here we quantified the survival and reproduction of different Arabidopsis mutant genotypes in diverse field and laboratory conditions. We found that uvr8 mutants produced more fruits than wild type in growth chambers with artificial low UV-B conditions but not in natural field conditions. Importantly, independent double mutants of UVR8 and the blue-light photoreceptor gene CRYPTOCHROME 1 ( CRY1 ) in two genetic backgrounds showed a drastic reduction in fitness in the field. UV-B attenuation experiments in field conditions and supplemental UV-B in growth chambers demonstrated that UV-B caused the conditional cry1 uvr8 lethality phenotype. RNA sequencing in different conditions revealed a large number of genes with statistical interaction of UVR8 and CRY1 mutations in the presence of UV-B in the field. Among them, Gene Ontology analysis identified enrichment of categories related to UV-B response, oxidative stress, photoprotection and DNA damage repair. Our study demonstrates the functional importance of the UVR8 -mediated response across life stages in natura , which is partially redundant with CRY1 , and provides an integral picture of gene expression associated with plant environmental responses under diverse environmental conditions.

Abstract Polyploidization, or whole genome duplication, is one of the major mechanisms of plant speciation. Allopolyploids (species that harbor polyploid genomes originating from hybridization of different diploid species) have been hypothesized to occupy a niche with intermediate, broader, or fluctuating environmental conditions compared with parental diploids. It remains unclear whether empirical data support this hypothesis and whether specialization of expression patterns of the homeologs (paralogous gene copies resulting from allopolyploidization) relates to habitat environments. Here, we studied the ecology and transcriptomics of a wild allopolyploid Cardamine flexuosa and its diploid parents C. hirsuta and C. amara at a fine geographical scale in their native area in Switzerland. We found that the diploid parents favored opposite extremes in terms of soil moisture, soil carbon-to-nitrogen ratios, and light availability. The habitat of the allopolyploid C. flexuosa was broader compared with those of its parental species and overlapped with those of the parents, but not at its extremes. In C. flexuosa , the genes related to water availability were overrepresented among those at both the expression level and the expression ratio of homeolog pairs, which varied among habitat environments. These findings provide empirical evidence for niche differentiation between an allopolyploid and its diploid parents at a fine scale, where both ecological and transcriptomic data indicated water availability to be the key environmental factor for niche differentiation. Significance statement Polyploidization, or whole genome duplication, is common in plants and may contribute to their ecological diversification. However, little is known about the niche differentiation of wild allopolyploids relative to their diploid parents and the gene expression patterns that may underlie such ecological divergence. We detected niche differentiation between the allopolyploid Cardamine flexuosa and its diploid parents C. amara and C. hirsuta along water availability gradient at a fine scale. The ecological differentiation was mirrored by the dynamic control of water availability-related gene expression patterns according to habitat environments. Thus, both ecological and transcriptomic data revealed niche differentiation between an allopolyploid species and its diploid parents.

Summary Background and Aims Although metabolic dysfunction‐associated steatotic liver disease (MASLD) patients with a Fib‐4 index >1.3 are recommended for fibrosis evaluation via elastography or biopsy, a more convenient method identifying high‐risk populations requiring follow‐up is needed. We explored the utility of serum levels of growth differentiation factor‐15 (GDF15), a cell stress‐responsive cytokine related to metabolic syndrome, for stratifying the risk of clinical events in MASLD patients. Methods Serum GDF15 levels were measured in 518 biopsy‐performed MASLD patients, 216 MASLD patients for validation, and 361 health checkup recipients with MASLD. Results In the biopsy‐MASLD cohort, multivariate analysis indicated that the serum GDF15 level was a risk factor for liver cancer, independent of the fibrosis stage or Fib‐4 index. Using a GDF15 cutoff of 1.75 ng/mL based on the Youden index, high‐GDF15 patients, regardless of fibrosis status, had a higher liver cancer incidence rate. While patients with a Fib‐4 index <1.3 or low‐GDF15 rarely developed liver cancer, high‐GDF15 patients with a Fib‐4 index >1.3 developed liver cancer and decompensated liver events at significantly higher rates and had poorer prognoses. In the validation cohort, high‐GDF15 patients had significantly higher incidences of liver cancer and decompensated liver events and poorer prognoses than low‐GDF15 patients, whether limited to high‐Fib‐4 patients. Among health checkup recipients with MASLD, 23.0% had a Fib‐4 index >1.3, 2.7% had a Fib‐4 index >1.3 and >1.75 ng/mL GDF15. Conclusions Serum GDF15 is a biomarker for liver cancer with high predictive capability and is useful for identifying MASLD patients requiring regular surveillance.

Abstract Strigolactones (SLs) are plant apocarotenoids with diverse functions and structures. The widespread canonical SLs, with distinctive structural variations in their tricyclic lactone known as the ABC-ring, are classified into two types based on the C-ring configurations. The steric C-ring configuration arises during the BC-ring closure downstream of carlactonoic acid (CLA), a biosynthetic intermediate. Most plants stereoselectively produce either type of canonical SLs, e.g., tomato ( Solanum lycopersicum ) produces orobanchol with α-oriented C-ring. The mechanisms governing SL structural diversification are partly understood, with limited insight into the functional implications. Moreover, the precise molecular mechanism for the stereoselective BC-ring closure reaction remains unknown. Herein, we identified an enzyme called the stereoselective BC-ring-forming factor (SRF) from the dirigent protein (DIR) family, especially the DIR-f subfamily, whose biochemical function was previously unidentified, making it a pivotal enzyme in stereoselective canonical SL biosynthesis with the α-oriented C-ring. We begin by confirming the exact catalytic function of the tomato cytochrome P450 SlCYP722C, which we previously demonstrated to be involved in the orobanchol biosynthesis [Wakabayashi et al., Sci. Adv. 5 , eaax9067 (2019)], to convert CLA to 18-oxocarlactonoic acid. Subsequently, we demonstrate that SRF catalyzes the stereoselective BC-ring closure reaction of 18-oxocarlactonoic acid to form orobanchol. Our approach integrates experimental and computational methods, including SRF structure prediction and molecular dynamics simulations, to propose a catalytic mechanism based on the conrotatory 4π-electrocyclic reaction for stereoselective BC-ring formation in orobanchol. The present study provides insight into the molecular basis of how plants produce SLs with specific stereochemistry in a controlled manner.

Although genome duplication is widespread in wild and crop plants, little is known about genome-wide selection due to the complexity of polyploid genomes. In allopolyploid species, the patterns of purifying selection and adaptive substitutions would be affected by masking owing to duplicated genes or homeologs as well as by effective population size. We resequenced 25 distribution-wide accessions of the allotetraploid Arabidopsis kamchatica, which has a relatively small genome size (450 Mb) derived from the diploid species A. halleri and A. lyrata. The level of nucleotide polymorphism and linkage disequilibrium decay were comparable to A. thaliana, indicating the feasibility of association studies. A reduction in purifying selection compared with parental species was observed. Interestingly, the proportion of adaptive substitutions (α) was significantly positive in contrast to the majority of plant species. A recurrent pattern observed in both frequency and divergence-based neutrality tests is that the genome-wide distributions of both subgenomes were similar, but the correlation between homeologous pairs was low. This may increase the opportunity of different evolutionary trajectories such as in the HMA4 gene involved in heavy metal hyperaccumulation.

Background: Genetic variation in plants alters insect abundance and community structure in the field; however, little is known about the importance of a single gene among diverse plant genotypes. In this context, Arabidopsis trichomes provide an excellent system to discern the roles of natural variation and a key gene, GLABRA1, in shaping insect communities. In this study, we transplanted two independent glabrous mutants (gl1-1 and gl1-2) and 17 natural accessions of Arabidopsis thaliana to two localities in Switzerland and Japan. Results: Fifteen insect species inhabited plant accessions, with 10-30% broad-sense heritability of community indices being detected, such as species richness and diversity. The total abundance of leaf-chewing herbivores was negatively correlated with trichome density at both the field sites, while glucosinolates had variable effects on leaf chewers between the two sites. Interestingly, there was a parallel tendency for the abundance of leaf chewers to be higher on gl1-1 and gl1-2 than for their different parental accessions, Ler-1 and Col-0, respectively. Furthermore, the loss of function in the GLABRA1 gene significantly decreased the resistance of plants to the two predominant chewers, flea beetles and turnip sawflies. Conclusions: Overall, our results indicate that insect community composition on A. thaliana is heritable across two distant field sites, with GLABRA1 playing a key role in altering the abundance of leaf-chewing herbivores. Given that such a trichome variation is widely observed in Brassicaceae plants, the present study exemplifies the community-wide impact of a single plant gene on crucifer-feeding insects in the field.

Little empirical evidence is available whether allopolyploid species combine or merge adaptations of parental species. The allopolyploid species Arabidopsis kamchatica is a natural hybrid of the diploid parents A. halleri, a heavy metal hyperaccumulator, and A. lyrata, a non-hyperaccumulating species. Zinc and cadmium were measured in native soils and leaf tissues in natural populations, and in hydroponic cultures of A. kamchatica and A. halleri. Pyrosequencing was used to estimate homeolog expression ratios. Soils from human modified sites showed significantly higher Zn concentrations than non-modified sites. Leaf samples of A. kamchatica collected from 40 field localities had > 1,000 μg g-1 Zn in over half of the populations, with significantly higher amounts of Zn concentrations in plants from human modified sites. In addition, serpentine soils were found in two populations. Most genotypes accumulated >3000 μg g-1 of Zn in hydroponic culture with high variability among them. Genes involved in hyperaccumulation showed a bias in the halleri-derived homeolog. A. kamchatica has retained constitutive hyperaccumulation ability inherited from A. halleri. Our field and experimental data provides a compelling example in which the inheritance of genetic toolkits for soil adaptations likely contributed to the habitat expansion of an allopolyploid species.

An increasing number of field studies show that the phenotype of an individual plant depends not only on its genotype but also on neighboring plants; however, this fact is not taken into consideration in genome-wide association studies (GWAS). Based on the Ising model of ferromagnetism, we incorporated neighbor genotypic identity into a regression model. The proposed method, named “neighbor GWAS,” was applied to simulated and real phenotypes using Arabidopsis thaliana accessions. Our simulations showed that phenotypic variation explained by neighbor effects approached a plateau when an effective spatial scale became narrow. Thus, the effective scale of neighbor effects could be estimated by patterns of the phenotypic variation explained. The power to detect causal variants of neighbor effects was moderate to strong when a trait was governed by tens of variants. In contrast, the power decreased when hundreds of variants underlay a single trait. We applied the neighbor GWAS to field herbivory data on 199 accessions of A. thaliana , and found a significant contribution of the neighbor effects to the observed damage variation. Interestingly, a locus responsive to methyl jasmonate (AT2G34810 called BBE16 ) was located near the second top-scoring single nucleotide polymorphism (SNP) of the neighbor effects on the herbivory, while self-genotype effects had the third top-scoring SNP near a locus encoding flavin-monooxygenase glucosinolate S-oxygenase 2 (FMO GS-OX2). Overall, the neighbor GWAS highlights the overlooked role of plant neighborhood effects in shaping phenotypic variation, thereby providing a novel and powerful tool to analyze complex traits in spatially structured environments.