SUMMARY Sex chromosomes fall into three classes: XX/XY, ZW/ZZ and U/V systems. The rise, evolution and demise of U/V systems have remained enigmatic to date. Here, we analyze genomes spanning the entire brown algal phylogeny to decipher their sex-determination evolutionary history. The birth of U/V sex chromosomes evolved more than 250 million years ago, when a pivotal male-determinant located in a discrete region in proto-U and proto-V chromosomes ceased recombining. Over time, nested inversions led to step-wise expansions, accompanying increasing morphological complexity and sexual differentiation of brown seaweeds. Unlike XX/XY and ZW/ZZ, U/V evolve mainly by gene gain, showing minimal degeneration. They are structurally dynamic, and act as genomic ’cradles’ fostering the birth of new genes. Our analyses show that hermaphroditism arose from ancestral males that acquired U-specific genes by ectopic recombination, and that in the transition from a U/V to an XX/XY system, V-specific genes moved down the genetic hierarchy of sex determination. Both events lead to the demise of U and V and erosion of their specific genomic characteristics. Taken together, our findings offer a comprehensive model of U/V sex chromosome evolution. HIGHLIGHTS Sexes arose in brown algae due to ceased recombination of a male-determining gene-containing region U/V sex chromosomes evolve via gene gain and act as ‘cradles’ of genomic novelty Emergence of XX/XY chromosomes involved demotion of the V-master sex-determining gene Introgression of female-specific genes into a male background allowed hermaphroditism to arise

SUMMARY Brown seaweeds are keystone species of coastal ecosystems, often forming extensive underwater forests, that are under considerable threat from climate change. Despite their ecological and evolutionary importance, this phylogenetic group, which is very distantly related to animals and land plants, is still poorly characterised at the genome level. Here we analyse 60 new genomes that include species from all the major brown algal orders. Comparative analysis of these genomes indicated the occurrence of several major events coinciding approximately with the emergence of the brown algal lineage. These included marked gain of new orthologous gene families, enhanced protein domain rearrangement, horizontal gene transfer events and the acquisition of novel signalling molecules and metabolic pathways. The latter include enzymes implicated in processes emblematic of the brown algae such as biosynthesis of the alginate-based extracellular matrix, and halogen and phlorotannin biosynthesis. These early genomic innovations enabled the adaptation of brown algae to their intertidal habitats. The subsequent diversification of the brown algal orders tended to involve loss of gene families, and genomic features were identified that correlated with the emergence of differences in life cycle strategy, flagellar structure and halogen metabolism. We show that integration of large viral genomes has had a significant impact on brown algal genome content and propose that this process has persisted throughout the evolutionary history of the lineage. Finally, analysis of microevolutionary patterns within the genus Ectocarpus indicated that deep gene flow between species may be an important factor in genome evolution on more recent timescales.

Abstract Characterizing the phenotypic and genetic variation among populations of crop wild relatives help understanding the ecological and evolutionary processes involved in population divergence, and better harness their diversity to mitigate the impact of climate change on crops. We assessed genetic and phenotypic diversity of the European crabapple, Malus sylvestris , a main contributor to the cultivated apple genome ( Malus domestica ), and investigated for ecological divergence. We assessed variation in growth rate and traits related to carbon uptake between seedlings measured in a common garden, and related it to the genetic ancestry of the seedlings, assessed using 13 microsatellite loci and Bayesian clustering method. The occurrence of patterns of isolation-by-distance, -by-climate and -by-adaptation that might have caused genetic and phenotypic differentiation among M. sylvestris populations was also tested. Seedlings belonged to seven M. sylvestris populations in Europe, with 11.6% of seedlings introgressed by M. domestica . Significant trait variation among M. sylvestris populations was observed, which for some was of moderate to high heritability. Lack of association between trait and genetic divergence suggests that this significant phenotypic variation is not adaptive, but strong association between genetic variation and the climate during the last glacial maximum suggests local adaptation of M. sylvestris to past climates. This study provides an insight into the ecological and evolutionary drivers of phenotypic and genetic differentiation among populations of a wild apple species and relative of cultivated apples, which is a starting point for future breeding programs. Societal impact Statement Apple is a major fruit crop worldwide and a model species for understanding the evolutionary processes underlying perennial crop domestication. Several wild species have contributed to the genetic make-up of the cultivated apple, yet phenotypic and genetic diversity data across their natural distribution is lacking. This study revealed phenotypic variation between populations of the European crabapple, and showed that both geography, and surprisingly, past but not current climate, shaped its genetic structure. We provide a starting point for harnessing wild apple diversity for apple breeding programs to mitigate the impact of climate change on this perennial crop.

Abstract Esca is the most destructive and predominant grapevine trunk diseases. The chronic infections and vine mortality caused by esca syndrome lead to huge economic losses and threatens the sustainability of vineyards worldwide. Although shown as associated with the presence of wood fungi, the etiology of esca remains still unclear and putatively involves multifactorial causes, which makes the development of effective control methods challenging. As differences in esca susceptibility had already been observed among grapevine varieties, we investigated in a biparental population the presence of genetic factors that can explain theses variations. Thanks to the destructive phenotyping of a 16-year-old vineyard plot, we discovered that the Gewurztraminer variety carries on chromosome 1 a locus linked to variations in trunk necrosis associated with esca, which we have named ENS1 . Our study also suggests that there is a partial link between trunk vigor and necrosis due to esca. To our best knowledge, ENS1 is the first instance of genetic factor identified as involved in the limitation of necrosis associated to grapevine esca. While the identification of ENS1 alone may not provide a complete resolution of the esca issue, this discovery represents nonetheless a first step towards a genetic solution and paves the way for broader genetic investigations in the future.

Although evolutionary transitions from sexual to asexual reproduction are frequent in eukaryotes, the genetic bases of these shifts remain largely elusive. Here, we used classic quantitative trait analysis, combined with genomic and transcriptomic information to dissect the genetic basis of asexual, parthenogenetic reproduction in the brown alga Ectocarpus. We found that parthenogenesis is controlled by the sex locus, together with two additional autosomal loci, highlight the key role of the sex chromosome as a major regulator of asexual reproduction. Importantly, we identify several negative effects of parthenogenesis on male fitness, but also different fitness effects between parthenogenesis and life cycle generations, supporting the idea that parthenogenesis may be under both sexual selection and generation/ploidally-antagonistic selection. Overall, our data provide the first empirical illustration, to our knowledge, of a trade-off between the haploid and diploid stages of the life cycle, where distinct parthenogenesis alleles have opposing effects on sexual and asexual reproduction and may contribute to the maintenance of genetic variation. These types of fitness trade-offs have profound evolutionary implications in natural populations and may structure life history evolution in organisms with haploid-diploid life cycles.

Summary Scots pine ( Pinus sylvestris ) is the most widespread coniferous tree in the boreal forests of Eurasia and has major economic and ecological importance. However, its large and repetitive genome presents a challenge for conducting genome-wide analyses such as association studies and genomic selection. We present a new 50K SNP genotyping array for Scots pine research, breeding programs, and other applications. To select the SNP set, we first genotyped 480 Scots pine samples on a 407 540 SNP screening array, and identified 47 712 high-quality SNPs for the final array (called ‘PiSy50k’). Here, we provide details of the design and testing, as well as allele frequency estimates from the discovery panel, functional annotation, tissue-specific expression patterns, and expression level information for the SNPs or corresponding genes, when available. We validated the performance of the PiSy50k array using samples from breeding populations from Finland and Scotland. Overall, 39 678 (83.2%) SNPs showed low error rates (mean = 0.92%). Relatedness estimates based on array genotypes were consistent with the expected pedigrees, and the amount of Mendelian error was negligible. In addition, array genotypes successfully discriminate Scots pine populations from different geographic origins. The PiSy50k array will be a valuable tool for future genetic studies and forestry applications. Significance statement Scots pine is an evolutionary, economically and ecologically impressive coniferous species but its gigantic genome has limited studying e.g. the genetic basis of its functional trait variation. We have developed a genotyping array that facilitates Scots pine genetic research and linking its trait variation to genetic polymorphisms and gene expression levels across the genome.

Brown algae are multicellular photosynthetic stramenopiles that colonize marine rocky shores worldwide. Ectocarpus sp. Ec32 has been established as a genomic model for brown algae. Here we present the genome and metabolic network of the closely related species, Ectocarpus subulatus Kützing, which is characterized by high abiotic stress tolerance. Since their separation, both strains show new traces of viral sequences and the activity of large retrotransposons, which may also be related to the expansion of a family of chlorophyll-binding proteins. Further features suspected to contribute to stress tolerance include an expanded family of heat shock proteins, the reduction of genes involved in the production of halogenated defence compounds, and the presence of fewer cell wall polysaccharide-modifying enzymes. Overall, E. subulatus has mainly lost members of gene families down-regulated in low salinities, and conserved those that were up-regulated in the same condition. However, 96% of genes that differed between the two examined Ectocarpus species, as well as all genes under positive selection, were found to encode proteins of unknown function. This underlines the uniqueness of brown algal stress tolerance mechanisms as well as the significance of establishing E. subulatus as a comparative model for future functional studies.

Hi-C has become a popular technique in recent genome assembly projects. Hi-C exploits contact frequencies between pairs of loci to bridge and order contigs in draft genomes, resulting in chromosome-level assemblies. However, application of this approach is currently hampered by a lack of robust programs that are capable of effectively treating this type of data, particularly open source programs. We developed instaGRAAL, a complete overhaul of the GRAAL program, which has adapted the latter to allow efficient assembly of large genomes. Both GRAAL, and instaGRAAL use a Markov Chain Monte Carlo algorithm to perform Hi-C scaffolding, but instaGRAAL features a number of improvements including a modular polishing approach that optionally integrates independent data. To validate the program, we used it to generate chromosome-level assemblies for two brown algae, Desmarestia herbacea and the model Ectocarpus sp., and quantified improvements compared to the initial draft for the latter. Overall, instaGRAAL is a program able to generate, using default parameters with minimal human intervention, near-complete assemblies.

Three amino acid loop extension homeodomain transcription factors (TALE HD TFs) act as life cycle regulators in green algae and land plants. In mosses these regulators are required for the deployment of the sporophyte developmental program. We demonstrate that mutations in either of two TALE HD TF genes, OUROBOROS or SAMSARA, in the brown alga Ectocarpus result in conversion of the sporophyte generation into a gametophyte. The OUROBOROS and SAMSARA proteins heterodimerise in a similar manner to TALE HD TF life cycle regulators in the green lineage. These observations demonstrate that TALE-HD-TF-based life cycle regulation systems have an extremely ancient origin, and that these systems have been independently recruited to regulate sporophyte developmental programs in at least two different complex multicellular eukaryotic supergroups, Archaeplastida and Chromalveolata.