Summary Brassinosteroids (BRs) are important regulators for plant growth and development. BRs signal to control the activities of the BES1 and BZR1 family transcription factors. The transcriptional network through which BES1 and BZR regulate large number of target genes is mostly unknown. By combining chromatin immunoprecipitation coupled with Arabidopsis tiling arrays (ChIP‐chip) and gene expression studies, we have identified 1609 putative BES1 target genes, 404 of which are regulated by BRs and/or in gain‐of‐function bes1‐D mutant. BES1 targets contribute to BR responses and interactions with other hormonal or light signaling pathways. Computational modeling of gene expression data using Algorithm for the Reconstruction of Accurate Cellular Networks (ARACNe) reveals that BES1‐targeted transcriptional factors form a gene regulatory network (GRN). Mutants of many genes in the network displayed defects in BR responses. Moreover, we found that BES1 functions to inhibit chloroplast development by repressing the expression of GLK1 and GLK2 transcription factors, confirming a hypothesis generated from the GRN. Our results thus provide a global view of BR regulated gene expression and a GRN that guides future studies in understanding BR‐regulated plant growth.

Activation of Fas antigen, a cell surface receptor molecule, by its ligand results in transduction of a signal for cell death. The Fas system has been implicated in target cell recognition, clonal development of immune effector cells, and termination of the cellular immune response. Fas antigen expression on lymphocytes is regulated by interferon gamma (IFN gamma) and tumor necrosis factor alpha (TNF alpha), cytokines that also have inhibitory effects on hematopoiesis. We investigated Fas antigen expression on human marrow cells and the effects of Fas activation on hematopoiesis in vitro. Freshly isolated immature hematopoietic cells, as defined by the CD34 marker, did not express Fas antigen at levels detectable by fluorescent staining. CD34+ cells, which include progenitors and stem cells, showed low levels of Fas expression in culture, even in the presence of growth factors. Stimulation by TNF alpha and IFN gamma markedly increased Fas antigen expression on CD34+ cells. Anti-Fas antibody, which mimics the action of the putative ligand, enhanced IFN gamma- and TNF alpha-mediated suppression of colony formation by bone marrow (BM) in a dose-dependent manner. This effect did not require the presence of accessory cells. Colony formation from mature (CD34+ CD38+) and immature (CD34+ CD38-) progenitor cells and long-term culture initiating cells were susceptible to the inhibitory action of anti-Fas antibody in the presence of IFN gamma and TNF alpha. Apoptosis assays performed on total BM cells and CD34+ cells showed that anti-Fas antibody induced programmed cell death of CD34+ BM cells.(ABSTRACT TRUNCATED AT 250 WORDS)

Abstract Much of the profound interspecific variation in genome content has been attributed to transposable elements (TEs). To explore the extent of TE variation within species, we developed an optimized open-source algorithm, panEDTA, to de novo annotate TEs in a pan-genome context. We then generated a unified TE annotation for a maize pan-genome derived from 26 reference-quality genomes, which revealed an excess of 35.1 Mb of TE sequences per genome in tropical maize relative to temperate maize. A small number (n = 216) of TE families, mainly LTR retrotransposons, drive these differences. Evidence from the methylome, transcriptome, LTR age distribution, and LTR insertional polymorphisms revealed that 64.7% of the variability was contributed by LTR families that were young, less methylated, and more expressed in tropical maize, while 18.5% was driven by LTR families with removal or loss in temperate maize. This study demonstrates the use of a comprehensive pan-TE annotation to reveal the driving role of TEs in within-species genomic variation via their ongoing amplification and purging.

Abstract Transposable elements (TEs) have the potential to create regulatory variation both through disruption of existing DNA regulatory elements and through creation of novel DNA regulatory elements. In a species with a large genome, such as maize, the many TEs interspersed with genes creates opportunities for significant allelic variation due to TE presence/absence polymorphisms among individuals. We used information on putative regulatory elements in combination with knowledge about TE polymorphisms in maize to identify TE insertions that interrupt existing accessible chromatin regions (ACRs) in B73 as well as examples of polymorphic TEs that contain ACRs among four inbred lines of maize including B73, Mo17, W22, and PH207. The TE insertions in three other assembled maize genomes (Mo17, W22 or PH207) that interrupt ACRs that are present in the B73 genome can trigger changes to the chromatin suggesting the potential for both genetic and epigenetic influences of these insertions. Nearly 20% of the ACRs located over 2kb from the nearest gene are located within an annotated TE. These are regions of unmethylated DNA that show evidence for functional importance similar to ACRs that are not present within TEs. Using a large panel of maize genotypes we tested if there is an association between the presence of TE insertions that interrupt, or carry, an ACR and the expression of nearby genes. TEs that carry ACRs exhibit an enrichment for being associated with higher expression of nearby genes, suggesting that these TEs may create novel regulatory elements. These analyses highlight the potential for TEs to rewire transcriptional responses in eukaryotic genomes. Data Availability In this study we utilize previously published datasets that are available through the following accessions: SRX4727413, SRR8738272, and SRR8740852.

Abstract Transposable elements (TEs) are ubiquitous components of eukaryotic genomes and can create variation in genomic organization. The majority of maize genomes are composed of TEs. We developed an approach to define shared and variable TE insertions across genome assemblies and applied this method to four maize genomes (B73, W22, Mo17, and PH207). Among these genomes we identified 1.6 Gb of variable TE sequence representing a combination of recent TE movement and deletion of previously existing TEs. Although recent TE movement only accounted for a portion of the TE variability, we identified 4,737 TEs unique to one genome with defined insertion sites in all other genomes. Variable TEs are found for all superfamilies and are distributed across the genome, including in regions of recent shared ancestry among individuals. There are 2,380 genes annotated in the B73 genome located within variable TEs, providing evidence for the role of TEs in contributing to the substantial differences in gene content among these genotypes. The large scope of TE variation present in this limited sample of temperate maize genomes highlights the major contribution of TEs in driving variation in genome organization and gene content. Significance Statement The majority of the maize genome is comprised of transposable elements (TEs) that have the potential to create genomic variation within species. We developed a method to identify shared and non-shared TEs using whole genome assemblies of four maize inbred lines. Variable TEs are found throughout the maize genome and in comparisons of any two genomes we find ~20% of the genome is due to non-shared TEs. Several thousand maize genes are found within TEs that are variable across lines, highlighting the contribution of TEs to gene content variation. This study creates a comprehensive resource for genomic studies of TE variability among four maize genomes, which will enable studies on the consequences of variable TEs on genome function.

Summary Transposable elements (TEs) pervade most eukaryotic genomes but the repetitive nature of TEs has complicated the analysis of their expression. Although the majority of TEs are silent, we document the activation of some TEs during abiotic stress. TE expression was monitored in seedling leaf tissue of maize inbreds subjected to heat or cold stress conditions. DNA methylation profiles and comparative genomics were used to probe the variability of TE expression responses. Although there was no evidence for a genome-wide activation of TEs, a subset of TE families generate transcripts only in stress conditions. There is substantial variation for which TE families exhibit stress-responsive expression in the three genotypes. The stress-responsive activation of a TE family can often be attributed to a small number of elements in the family. These elements that are activated often contain small regions lacking DNA methylation, while fully methylated elements are rarely expressed. A comparison of the expression of specific TEs in different maize genotypes reveals high levels of variability that can be attributed to both genome content differences and epigenetic variation. This study provides insights into the genetic and epigenetic factors that influence TE regulation in normal and stress conditions.

ABSTRACT Intact transposable elements (TEs) account for 65% of the maize genome and can impact gene function and regulation. Although TEs comprise the majority of the maize genome and affect important phenotypes, genome wide patterns of TE polymorphisms in maize have only been studied in a handful of maize genotypes, due to the challenging nature of assessing highly repetitive sequences. We implemented a method to use short read sequencing data from 509 diverse inbred lines to classify the presence/absence of 445,418 non-redundant TEs that were previously annotated in four genome assemblies including B73, Mo17, PH207, and W22. Different orders of TEs (i.e. LTRs, Helitrons, TIRs) had different frequency distributions within the population. LTRs with lower LTR similarity were generally more frequent in the population than LTRs with higher LTR similarity, though high frequency insertions with very high LTR similarity were observed. LTR similarity and frequency estimates of nested elements and the outer elements in which they insert revealed that most nesting events occurred very near the timing of the outer element insertion. TEs within genes were at higher frequency than those that were outside of genes and this is particularly true for those not inserted into introns. Many TE insertional polymorphisms observed in this population were tagged by SNP markers. However, there were also 19.9% of the TE polymorphisms that were not well tagged by SNPs (R 2 < 0.5) that potentially represent information that has not been well captured in previous SNP based marker-trait association studies. This study provides a population scale genome-wide assessment of TE variation in maize, and provides valuable insight on variation in TEs in maize and factors that contribute to this variation.

Abstract Transposable Elements (TEs) are mobile elements that contribute the majority of DNA sequences in the maize genome. Due to their repetitive nature, genomic studies of TEs are complicated by the difficulty of properly attributing multi-mapped short reads to specific genomic loci. Here, we utilize a method to attribute RNA-seq reads to TE families rather than particular loci in order to characterize transcript abundance for TE families in the maize genome. We applied this method to assess per-family expression of transposable elements in >800 published RNA-seq libraries representing a range of maize development, genotypes, and hybrids. While a relatively small proportion of TE families are transcribed, expression is highly dynamic with most families exhibiting tissue-specific expression. A large number of TE families were specifically detected in pollen and endosperm, consistent with reproductive dynamics that maintain silencing of TEs in the germ line. We find that B73 transcript abundance is a poor predictor of TE expression in other genotypes and that transcript levels can differ even for shared TEs. Finally, by assessing recombinant inbred line and hybrid transcriptomes, complex patterns of TE transcript abundance across genotypes emerged. Taken together, this study reveals a dynamic contribution of TEs to maize transcriptomes.

Abstract Targeted demethylation by DNA glycosylases (DNGs) results in differential methylation between parental alleles in the endosperm, which drives imprinted expression. Here, we performed RNA sequencing on endosperm derived from DNG mutant mdr1 and wild-type endosperm. Consistent with the role of DNA methylation in gene silencing, we find 96 gene and 86 TE differentially expressed (DE) transcripts that lost expression in the hypermethylated mdr1 mutant. Compared with other endosperm transcripts, the mdr1 targets are enriched for TEs (particularly Helitrons), and DE genes are depleted for both core genes and GO term assignments, suggesting that the majority of DE transcripts are TEs and pseudo-genes. By comparing DE genes to imprinting calls from prior studies, we find that the majority of DE genes have maternally biased expression, and approximately half of all maternally expressed genes (MEGs) are DE in this study. In contrast, no paternally expressed genes (PEGs) are DE. DNG-dependent imprinted genes are distinguished by maternal demethylation and expression primarily in the endosperm, so we also performed EM-seq on hybrids to identify maternal demethylation and utilized a W22 gene expression atlas to identify genes expressed primarily in the endosperm. Overall, approximately ⅔ of all MEGs show evidence of regulation by DNA glycosylases. Taken together, this study solidifies the role of MDR1 in the regulation of maternally expressed, imprinted genes and TEs and identifies subsets of genes with DNG-independent imprinting regulation. Significance Statement This work investigates the transcriptome changes resulting from the loss of function of DNA glycosylase MDR1, revealing that, in wild-type endosperm, targets of MDR1 are expressed predominantly from the maternal allele and this expression is suppressed in mutants. Furthermore, by combining expression data, DNA methylation data, and developmental expression data, we are able to categorize all maternally expressed, imprinted genes based on DNA glycosylase dependent or independent regulatory methods.

ABSTRACT Demethylation of transposons can activate expression of nearby genes and cause imprinted gene expression in endosperm, and it is hypothesized to lead to expression of transposon siRNAs that reinforce silencing in the next generation through transfer either into egg or embryo. Here we describe maternal derepression of r1 ( mdr1 ), which encodes a DNA glycosylase with homology to Arabidopsis DEMETER and which is partially responsible for demethylation of thousands of regions in endosperm. Instead of promoting siRNA expression in endosperm, MDR1 activity inhibits it. Methylation of most repetitive DNA elements in endosperm is not significantly affected by MDR1, with an exception of Helitrons. While maternally-expressed imprinted genes preferentially overlap with MDR1 demethylated regions, the majority of genes that overlap demethylated regions are not imprinted. Double mutant megagametophytes lacking both MDR1 and its close homolog DNG102 result in early seed failure, and double mutant microgametophytes fail pre-fertilization. These data establish DNA demethylation by glycosylases as essential in maize endosperm and pollen and suggest that neither transposon repression nor genomic imprinting are its main function in endosperm.