Six DNA regions were evaluated as potential DNA barcodes for Fungi , the second largest kingdom of eukaryotic life, by a multinational, multilaboratory consortium. The region of the mitochondrial cytochrome c oxidase subunit 1 used as the animal barcode was excluded as a potential marker, because it is difficult to amplify in fungi, often includes large introns, and can be insufficiently variable. Three subunits from the nuclear ribosomal RNA cistron were compared together with regions of three representative protein-coding genes (largest subunit of RNA polymerase II, second largest subunit of RNA polymerase II, and minichromosome maintenance protein). Although the protein-coding gene regions often had a higher percent of correct identification compared with ribosomal markers, low PCR amplification and sequencing success eliminated them as candidates for a universal fungal barcode. Among the regions of the ribosomal cistron, the internal transcribed spacer (ITS) region has the highest probability of successful identification for the broadest range of fungi, with the most clearly defined barcode gap between inter- and intraspecific variation. The nuclear ribosomal large subunit, a popular phylogenetic marker in certain groups, had superior species resolution in some taxonomic groups, such as the early diverging lineages and the ascomycete yeasts, but was otherwise slightly inferior to the ITS. The nuclear ribosomal small subunit has poor species-level resolution in fungi. ITS will be formally proposed for adoption as the primary fungal barcode marker to the Consortium for the Barcode of Life, with the possibility that supplementary barcodes may be developed for particular narrowly circumscribed taxonomic groups.

DNA barcoding involves sequencing a standard region of DNA as a tool for species identification. However, there has been no agreement on which region(s) should be used for barcoding land plants. To provide a community recommendation on a standard plant barcode, we have compared the performance of 7 leading candidate plastid DNA regions (atpF-atpH spacer, matK gene, rbcL gene, rpoB gene, rpoC1 gene, psbK-psbI spacer, and trnH-psbA spacer). Based on assessments of recoverability, sequence quality, and levels of species discrimination, we recommend the 2-locus combination of rbcL+matK as the plant barcode. This core 2-locus barcode will provide a universal framework for the routine use of DNA sequence data to identify specimens and contribute toward the discovery of overlooked species of land plants.

Abstract We propose in this paper to use three regions of plastid DNA as a standard protocol for barcoding all land plants. We review the other markers that have been proposed and discuss their advantages and disadvantages. The low levels of variation in plastid DNA make three regions necessary; there are no plastid regions, coding or non‐coding, that evolve as rapidly as mitochondrial DNA generally does in animals. We outline two, three‐region options, (1) rpoC1, rpoB and 1matK or (2) rpoC1, matK and psbA‐trnH as viable markers for land plant barcoding.

Abstract Evolutionary responses to sudden changes in the environment can, in theory, be rapid if they involve small shifts in allele frequencies at many loci. Such adaptation has proven hard to characterise in wild populations. We overcome these problems, in quantifying the genetic response of European ash trees ( Fraxinus excelsior ) to the strong selective challenge imposed by the invasive alien fungal pathogen Hymenoscyphus fraxineus , by exploiting a previous study that had estimated effect sizes for many single nucleotide polymorphism (SNP) loci associated with resistance to the fungus in large field trials. We ask if the selective response, in a new natural setting of a multigenerational wild ash woodland, involves allele frequency changes at the 10,000 loci which provided the best genomic prediction of resistance in the field trials. We conducted whole genome resequencing of each tree and calculated its genetic merit as a Genomic Estimated Breeding Value (GEBV), using the previous estimates of SNP effect sizes. The GEBV of trees established after the start of the epidemic were significantly higher than those of related adults from the pre-epidemic generation, with the size of the change in the alleles’ frequency corresponding to their effect sizes. To produce a GEBV shift of this magnitude, would require truncation selection eliminating at least 13% of the juvenile population. Thus, we document shifts in allele frequency at very many loci producing a heritable micro-evolutionary adaptive change over a single generation. Adaptation could be further accelerated by a breeding programme informed by genomic selection. Significance statement We demonstrate contemporary natural selection as European ash trees are exposed to the novel fungal epidemic of Hymenoscyphus fraxineus . We detect adaptive shifts in allele frequencies at thousands of loci. This mode of rapid evolution in a highly polygenic trait has been theorised since R. A. Fisher first proposed it, but has been hard to demonstrate in the wild. The approach we have applied could be widely used, where genomic prediction is possible in natural populations and there is a clear change in selective regime. The results for European ash trees indicate a degree of natural evolutionary rescue, after the fungus arrives. An effective practical application would be to accelerate this response by human-directed genomic selection.

Abstract Numerous plant genera have a history including frequent hybridisation and polyploidisation, which often means that their phylogenies are not yet fully resolved. The genus Betula , which contains many ecologically important allopolyploid tree species, is a case in point. We generated genome-wide sequence data for 27 diploid and 31 polyploid Betula species or subspecies using restriction site associated DNA (RAD) sequences assembled into contigs with a mean length of 675 bp. We reconstructed the evolutionary relationships among diploid Betula species using both supermatrix and species tree methods. We identified progenitors of the polyploids according to the relative rates at which their reads mapped to contigs from different diploid species. We sorted the polyploid reads into different putative sub-genomes and used the extracted contigs, along with the diploid sequences, to build new phylogenies that included the polyploid sub-genomes. This approach yielded a highly evidenced phylogenetic hypothesis for the genus Betula , including the complex reticulate origins of the majority of its polyploid taxa. The genus was split into two well supported clades, which differ in their seed-wing morphology. We propose a new taxonomy for Betula , splitting it into two subgenera. We have resolved the parentage of many widespread and economically important polyploid tree species, opening the way for their population genomic study.

Genome-wide discovery of candidate genes for functional traits within a species typically involves the sequencing of large samples of phenotyped individuals, or linkage analysis through multiple generations. When a trait occurs repeatedly among phylogenetically independent lineages within a genus, a more efficient approach may be to identify genes via detection of amino acid residues shared by species possessing that trait. Here, by taking this approach, we identify candidate loci in the genus Fraxinus (ash trees) for resistance to the emerald ash borer beetle (EAB; Agrilus planipennis), a pest species that appears innocuous to otherwise healthy ash in its native East Asian range but is highly destructive in North America and poses a threat to ash trees in Europe. Assembling whole genome sequences for 24 diploid species and subspecies of ash, and estimating resistance to EAB for 26 taxa from egg bioassays, we find 53 genes containing amino acid variants shared between two or more independent Fraxinus lineages with EAB-resistant species, that are unlikely to be due to chance or undetected paralogy. Of these, seven genes have putative roles relating to the phenylpropanoid biosynthesis pathway and 17 are potentially connected to herbivore recognition, defence signalling or programmed cell death. We also find that possible loss-of-function mutations among our 53 candidate genes are more frequent in susceptible species, than in resistant ones. Patterns of polymorphism for the EAB-associated amino acid variants in ash trees representing different European populations suggest that selection may be able to enhance their resistance to EAB.

Abstract Native ash tree species in Europe and North America are being devastated by ash dieback and the emerald ash borer, respectively. As worldwide ash species differ in their level of susceptibility to these threats, hybrid breeding may allow resistance to be transferred among species. However, we do not know the extent to which distantly related ash species can be crossed, and many ash species are difficult to identify from morphology alone leading to some mislabelling in living collections. While sequences from the internal transcribed spacer (ITS) of nuclear ribosomal DNA can identify some Fraxinus species, this is often hindered by intragenomic variation in ITS sequences within the genus. Here, we develop a genetic barcode system for the identification of Fraxinus species based on three low-copy-number protein coding genes. We also conduct experimental crosses among ash species in different sections. Our barcodes are effective in identifying ash samples to sectional level and in some cases to species level, and can also identify hybrids. They highlight that F. mandschurica, F. platypoda and F. chiisanensis are frequently mistaken for one another in living collections. We succeeded in generating ten wide hybrid plants: two of F. pennsylvanica X F. excelsior and eight of section Ornus X F. excelsior . One hybrid from each of our crosses has survived natural ash dieback inoculation in Ireland. Our findings facilitate the deployment of global ash species diversity in response to alien pests and pathogens. Societal impact statement The world-wide diversity of ash trees includes genetic information encoding resistance to the ash dieback fungus and the emerald ash borer beetle, which are currently devastating ash populations in Europe and North America. In order to mobilise this genetic diversity to counter the devastation, we need to be able to accurately identify ash species from around the world, and cross them with one another. Here, we present a genetic barcoding system for ash species, and a series of hybridisation experiments between European ash and other species. Two of the hybrids show early promise against ash dieback.

Populations of European ash trees ( Fraxinus excelsior ) are being devastated by the invasive alien fungus Hymenoscyphus fraxineus , which causes ash dieback (ADB). We sequenced whole genomic DNA from 1250 ash trees in 31 DNA pools, each pool containing trees with the same ADB damage status in a screening trial and from the same seed-source zone. A genome-wide association study (GWAS) identified 3,149 single nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with low versus high ADB damage. Sixty-one of the 203 most significant SNPs were in, or close to, genes with putative homologs already known to be involved in pathogen responses in other plant species. We also used the pooled sequence data to train a genomic prediction (GP) model, cross-validated using individual whole genome sequence data generated for 75 healthy and 75 damaged trees from a single seed source. Using the top 30% of our genomic estimated breeding values from 200 SNPs, we could predict tree health with over 90% accuracy. We infer that ash dieback resistance in F. excelsior is a polygenic trait that should respond well to both natural selection and breeding, which could be accelerated using GP.

Societal Impact Statement Trees in urban environments provide us with shade, heat mitigation, flood abatement, noise and pollution reduction, pollination, beauty, and much more. However, many of these benefits are strongly connected to tree size and vitality, with larger, healthier trees providing ecosystem services more effectively, which means that selecting the right tree for site and function is crucial in order to gain all benefits from our urban trees. Summary Trees play a major role in the Earth's biogeochemical processes, influencing soil production, hydrological, nutrient and carbon cycles, and the global climate. They store about 50% of the world's terrestrial carbon stocks, and provide habitats for a wide range of other species, supporting at least half of the Earth's known terrestrial plants and animals. Trees are not only found in forests and other natural ecosystems, but also in urban environments. Most of the human population is concentrated in cities, towns and villages, so urban trees are critical to meet on‐going and future social, economic and environmental challenges. However, many urban tree populations are strongly challenged by a changing climate, outbreaks of pests and pathogens and an urban development with increasingly dense cities and a high proportion of impermeable surface materials. The importance of intraspecific variation needs to be better acknowledged in this context, since poor matching of trees and the local climate and growing conditions can lead to extensive loss of valuable trees. By using the right genetic plant material for the challenging urban environments, a more resilient tree population with a greater diversity and higher capacity for delivering ecosystem services can be gained. Here, we wish to discuss the need to consider intraspecific variation when planning resilient tree populations for urban environments and how seed banks and botanical garden play important roles in efforts to improve the matching of genetic plant material for future environmental challenges. Strategies to enrich urban tree diversity and increase resilience are outlined.