Cannabis is a diverse and polymorphic species. To better understand cannabinoid synthesis inheritance and its impact on pathogen resistance, we shotgun sequenced and assembled a Cannabis trio (sibling pair and their offspring) utilizing long read single molecule sequencing. This resulted in the most contiguous Cannabis sativa assemblies to date. These reference assemblies were further annotated with full-length male and female mRNA sequencing (Iso-Seq) to help inform isoform complexity, gene model predictions and identification of the Y chromosome. To further annotate the genetic diversity in the species, 40 male, female, and monoecious cannabis and hemp varietals were evaluated for copy number variation (CNV) and RNA expression. This identified multiple CNVs governing cannabinoid expression and 82 genes associated with resistance to Golovinomyces chicoracearum, the causal agent of powdery mildew in cannabis. Results indicated that breeding for plants with low tetrahydrocannabinolic acid (THCA) concentrations may result in deletion of pathogen resistance genes. Low THCA cultivars also have a polymorphism every 51 bases while dispensary grade high THCA cannabis exhibited a variant every 73 bases. A refined genetic map of the variation in cannabis can guide more stable and directed breeding efforts for desired chemotypes and pathogen-resistant cultivars.

Single molecule, real-time (SMRT) sequencing from Pacific Biosciences is increasingly used in many areas of biological research including de novo genome assembly, structural-variant identification, haplotype phasing, mRNA isoform discovery, and base-modification analyses. High-quality, public datasets of SMRT sequences can spur development of analytic tools that can accommodate unique characterisitcs of SMRT data (long read lengths, lack of GC or amplification bias, and a random error profile leading to high consensus accuracy). In this paper, we describe eight high-coverage SMRT sequence datasets from five organisms (Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Neurospora crassa, Arabidopsis thaliana, and Drosophila melanogaster) that have been publicly released to the general scientific community (NCBI Sequence Read Archive ID SRP040522). Data were generated using two sequencing chemistries (P4-C2 and P5-C3) on the PacBio RS II instrument. The datasets reported here can be used without restriction by the research community to generate whole-genome assemblies, test new algorithms, investigate genome structure and evolution, and identify base modifications in some of the most widely-studied model systems in biological research.

Haplotype phasing of genetic variants in maize is important for interpretation of the genome, population genetic analysis and functional genomic analysis of allelic activity. Accordingly, accurate methods for phasing the full-length isoforms are essential for functional genomics studies. We performed an isoform-level phasing study in maize, using two inbred lines and their reciprocal crosses, based on the single-molecule full-length cDNA sequencing. To phase and analyze the full-length transcripts between hybrids and parents, we developed a tool called IsoPhase. Using this tool, we validated the majority of SNPs called against matching short-read data and identified cases of allele-specific, gene-level and isoform-level expression. Our results revealed that maize parental lines and hybrid lines exhibit different splicing activities. After phasing 6,907 genes in two reciprocal hybrids using embryo, endosperm and root tissues, we annotated the SNPs and identified large-effect genes. In addition, based on single-molecule sequencing, we identified parent-of-origin isoforms in maize hybrids, distinct novel isoforms in maize parent and hybrid lines, and imprinted genes from different tissues. Finally, we characterized variation in cis- and trans-regulatory effects. Our study provides measures of haplotypic expression that could increase accuracy in studies of allelic expression.

Genome-level data can provide researchers with unprecedented precision to examine the causes and genetic consequences of population declines, and to apply these results to conservation management. Here we present a high-quality, long-read, de novo genome assembly for one of the world's most endangered bird species, the Alala. As the only remaining native crow species in Hawaii, the Alala survived solely in a captive breeding program from 2002 until 2016, at which point a long-term reintroduction program was initiated. The high-quality genome assembly was generated to lay the foundation for both comparative genomics studies, and the development of population-level genomic tools that will aid conservation and recovery efforts. We illustrate how the quality of this assembly places it amongst the very best avian genomes assembled to date, comparable to intensively studied model systems. We describe the genome architecture in terms of repetitive elements and runs of homozygosity, and we show that compared with more outbred species, the Alala genome is substantially more homozygous. We also provide annotations for a subset of immunity genes that are likely to be important for conservation applications, and we discuss how this genome is currently being used as a roadmap for downstream conservation applications.

A high-quality reference genome is an essential tool for applied and basic research on arthropods. Long-read sequencing technologies may be used to generate more complete and contiguous genome assemblies than alternate technologies, however, long-read methods have historically had greater input DNA requirements and higher costs than next generation sequencing, which are barriers to their use on many samples. Here, we present a 2.3 Gb de novo genome assembly of a field-collected adult female Spotted Lanternfly ( Lycorma delicatula ) using a single PacBio SMRT Cell. The Spotted Lanternfly is an invasive species recently discovered in the northeastern United States, threatening to damage economically important crop plants in the region. The DNA from one individual was used to make one standard, size-selected library with an average DNA fragment size of ~20 kb. The library was run on one Sequel II SMRT Cell 8M, generating a total of 132 Gb of long-read sequences, of which 82 Gb were from unique library molecules, representing approximately 36-fold coverage of the genome. The assembly had high contiguity (contig N50 length = 1.5 Mb), completeness, and sequence level accuracy as estimated by conserved gene set analysis (96.8% of conserved genes both complete and without frame shift errors). Further, it was possible to segregate more than half of the diploid genome into the two separate haplotypes. The assembly also recovered two microbial symbiont genomes known to be associated with L. delicatula , each microbial genome being assembled into a single contig. We demonstrate that field-collected arthropods can be used for the rapid generation of high-quality genome assemblies, an attractive approach for projects on emerging invasive species, disease vectors, or conservation efforts of endangered species.

Hematopoietic cells are continuously replenished from progenitor cells that reside in the bone marrow. To evaluate molecular changes during this process, we analyzed the transcriptomes of freshly harvested human bone marrow progenitor (lineage-negative) and differentiated (lineage-positive) cells by single molecule, real time (SMRT) full length RNA sequencing. This analysis revealed a ~5-fold higher number of transcript isoforms than previously detected and showed a distinct composition of individual transcript isoforms characteristic for bone marrow subpopulations. A detailed analysis of mRNA isoforms transcribed from the ANXA1 and EEF1A1 loci confirmed their distinct composition. The expression of proteins predicted from the transcriptome analysis was validated by mass spectrometry and validated previously unknown protein isoforms predicted e.g. for EEF1A1. These protein isoforms distinguished the lineage negative cell population from the lineage positive cell population. Finally, transcript isoforms expressed from paralogous gene loci (e.g. CFD, GATA2, HLA-A, B & C) also distinguished cell subpopulations but were only detectable by full length RNA sequencing. Thus, qualitatively distinct transcript isoforms from individual genomic loci separate bone marrow cell subpopulations indicating complex transcriptional regulation and protein isoform generation during hematopoiesis.

A high-quality reference genome is a fundamental resource for functional genetics, comparative genomics, and population genomics, and is increasingly important for conservation biology. PacBio Single Molecule, Real-Time (SMRT) sequencing generates long reads with uniform coverage and high consensus accuracy, making it a powerful technology for de novo genome assembly. Improvements in throughput and concomitant reductions in cost have made PacBio an attractive core technology for many large genome initiatives, however, relatively high DNA input requirements (~5 μg for standard library protocol) have placed PacBio out of reach for many projects on small organisms that have lower DNA content, or on projects with limited input DNA for other reasons. Here we present a high-quality de novo genome assembly from a single Anopheles coluzzii mosquito. A modified SMRTbell library construction protocol without DNA shearing and size selection was used to generate a SMRTbell library from just 100 ng of starting genomic DNA. The sample was run on the Sequel System with chemistry 3.0 and software v6.0, generating, on average, 25 Gb of sequence per SMRT Cell with 20 hour movies, followed by diploid de novo genome assembly with FALCON-Unzip. The resulting curated assembly had high contiguity (contig N50 3.5 Mb) and completeness (more than 98% of conserved genes are present and full-length). In addition, this single-insect assembly now places 667 (>90%) of formerly unplaced genes into their appropriate chromosomal contexts in the AgamP4 PEST reference. We were also able to resolve maternal and paternal haplotypes for over 1/3 of the genome. By sequencing and assembling material from a single diploid individual, only two haplotypes are present, simplifying the assembly process compared to samples from multiple pooled individuals. The method presented here can be applied to samples with starting DNA amounts as low as 100 ng per 1 Gb genome size. This new low-input approach puts PacBio- based assemblies in reach for small highly heterozygous organisms that comprise much of the diversity of life.