Abstract Although long Nanopore reads are advantageous in de novo genome assembly, applying Nanopore reads in genomic studies is still hindered by their complex errors. Here, we developed NECAT, an error correction and de novo assembly tool designed to overcome complex errors in Nanopore reads. We proposed an adaptive read selection and two-step progressive method to quickly correct Nanopore reads to high accuracy. We introduced a two-stage assembler to utilize the full length of Nanopore reads. NECAT achieves superior performance in both error correction and de novo assembly of Nanopore reads. NECAT requires only 7,225 CPU hours to assemble a 35X coverage human genome and achieves a 2.28-fold improvement in NG50. Furthermore, our assembly of the human WERI cell line showed an NG50 of 29 Mbp. The high-quality assembly of Nanopore reads can significantly reduce false positives in structure variation detection.

Abstract Sex determination systems in plants can involve either female or male heterogamety (ZW or XY, respectively). Here we used Illumina short reads, Oxford Nanopore Technologies (ONT) long reads, and Hi-C reads to assemble the first chromosome-scale genome of a female willow tree ( Salix dunnii ), and to predict genes using transcriptome sequences and available databases. The final genome sequence of 328 Mb in total was assembled in 29 contigs, and includes 31,501 genes. We inferred a male heterogametic sex determining factor on chromosome 7, suggesting that, unlike the female heterogamety of most species in the genus Salix , male heterogamety evolved in the subgenus Salix . The S. dunnii X-linked region occupies about 3.21 Mb of chromosome 7, and is probably in a pericentromeric region. Our data suggest that this region is enriched for transposable element insertions, and about one third of its 124 protein-coding genes were gained via duplications from other genome regions. We detect purifying selection on the genes that were ancestrally present in the region, though some have been lost. Transcriptome data from female and male individuals show more male- than female-biased genes in catkin and leaf tissues, and indicate enrichment for male-biased genes in the pseudo-autosomal regions. Our study provides valuable genomic resources for studying sex chromosome evolution in Salicaceae family.

Despite the general progress in using next generation sequencing techniques for evolutionary research questions, the analysis of polyploid species is still hampered by the lack of suitable analytical tools and the statistical difficulties of dealing with more than two alleles per locus. Polyploidization and especially allopolyploidy leads to new combinations of traits by combining genomes of two or more parental species. This enhances the adaptive potential and often results in speciation. However, multiple origins of polyploids, backcrossing to the parental species and post-origin evolution can strongly influence the genome composition of polyploid species. Here, we used RAD sequencing, which revealed 23,393 loci and 320,010 high quality SNPs, to analyze the relationships and origin of seven polyploid species of the diverse genus Salix by utilizing a phylogenomic and a network approach, as well as analyzing the genetic structure and composition of the polyploid genome in comparison to putative parental species. We adapted the SNiPloid pipeline that was originally developed to analyse SNP composition of recently established allotetraploid crop lineages to RAD sequencing data by using concatenated RAD loci as reference. Our results revealed a well-resolved phylogeny of 35 species of Eurasian shrub willows (Salix subg. Chamaetia/Vetrix), including 28 diploid and 7 polyploid species. Polyploidization in willows appears to be predominantly connected to hybridization, i.e. to an allopolyploid origin of species. More ancient allopolyploidization events involving hybridization of more distantly related, ancestral lineages were observed for two hexaploid and one octoploid species. Our data suggested a more recent allopolyploid origin for the included tetraploids within the major subclades and identified putative parental taxa that appear to be plausible in the context of geographical, morphological and ecological patterns. SNiPloid and HyDe analyses disentangled the different genomic signatures resulting from hybrid origin, backcrossing, and secondary post-origin evolution in the polyploid species. All tetraploids showed a considerable post-origin, species-specific proportion of SNPs. The amount of extant hybridization appears to be related to the degree of geographical and ecological isolation of species. Our data demonstrate that high-quality RAD sequencing data are suitable and highly informative for the analysis of the origin and relationships of polyploid species. The combination of the traditional tools RAxML, STRUCTURE, SplitsTree and recently developed programs like SNAPP, HyDe and SNiPloid established a bioinformatic pipeline for unraveling the complexity of polyploid genomes.

While genetic variation at chromatin loops is relevant for human disease, the relationships between loop strength, genetics, gene expression, and epigenetics are unclear. Here, we quantitatively interrogate this relationship using Hi-C and molecular phenotype data across cell types and haplotypes. We find that chromatin loops consistently form across multiple cell types and quantitatively vary in strength, instead of exclusively forming within only one cell type. We show that large haplotype loop imbalance is primarily associated with imprinting and copy number variation, rather than genetically driven traits such as allele-specific expression. Finally, across cell types and haplotypes, we show that subtle changes in chromatin loop strength are associated with large differences in other molecular phenotypes, with a 2-fold change in looping corresponding to a 100-fold change in gene expression. Our study suggests that regulatory genetic variation could mediate its effects on gene expression through subtle modification of chromatin loop strength.

Abstract Almost all species in the genus Salix (willow) are dioecious, but some have male and some female heterogamety, and the chromosomal location of the sex-linked regions (termed SDSs) differs between different species. We first analyzed the SDSs of two species, Salix cardiophylla and S. interior , whose positions in the Salix phylogeny make them important species for understanding a sex chromosome turnover that has been detected in their relatives, and that changed the system from male to female heterogamety. We show that both species have male heterogamety, with XY-linked regions on chromosome 15 (termed a 15XY system). The sex-linked regions occupy 21.3% and 22.8% of the entire reference chromosome, respectively. By constructing phylogenetic trees of species with known SDSs, we determined the phylogenetic positions of all the species. Reconstruction of SDSs revealed that 15XY system is likely the ancestral of willows. Finally, we tested for both current and ancestral gene flow between different species with the same or different sex-determining systems, as the sex chromosomes can play important roles in reproductive isolation between species. We inferred lower gene flow between species with XY on chromosome 7 (7XY) and ZW on chromosome 15 (15ZW) systems, compared with gene flow either between species with XY on chromosome 15 (15XY) and 15ZW systems or between species with 7XY and 15XY systems. We argue that, although sex chromosomes turnovers in willows may not create complete reproductive barriers, gene flow may be reduced between species with different SDSs.

Abstract Anthocyanins are pigments and nutrients in red pears regulated by BBX family genes. Herein, we characterized a 14-nucleotide deletion mutation in the coding region of the PpBBX24 gene from ‘Red Zaosu’ pear ( Pyrus pyrifolia White Pear Group), named Ppbbx24-del . Genetic and biochemical approaches were used to compare the roles of PpBBX24 and Ppbbx24-del in anthocyanin accumulation. Ppbbx24-del played a positive role in anthocyanin biosynthesis of the ‘Red Zaosu’ pear peel by light treatment. Functional analyses based on overexpression in tobacco and transient overexpression in pear fruit peels showed that Ppbbx24-del promoted anthocyanin accumulation. Cyanidin and peonidin were major differentially expressed anthocyanins, and transcript levels of some structural genes in the anthocyanin biosynthesis pathway were significantly increased. Protein interaction assays showed that PpBBX24 was located in the nucleus and interacted with PpHY5, whereas Ppbbx24-del was colocalized in the nucleoplasm and did not interact with PpHY5. PpHY5 and Ppbbx24-del had positive regulatory effects on the expression of PpCHS , PpCHI , and PpMYB10 when acting alone, but had cumulative effects on gene activation when acting simultaneously. Alone, PpBBX24 had no significant effect on the expression of PpCHS , PpCHI , or PpMYB10 , whereas it inhibited the activation effects of PpHY5 on downstream genes when it existed with PpHY5. Our study demonstrated that mutant Ppbbx24-del positively regulates the anthocyanin accumulation in pear. The results of this study clarify the mechanism and enrich the regulatory network of anthocyanin biosynthesis, which lays a theoretical foundation for Ppbbx24-del use to create red pear cultivars.

Radial glia (RG) in the neocortex sequentially generate distinct subtypes of projection neurons, accounting for the diversity and complex assembly of cortical neural circuits. Mechanisms that drive the rapid and precise temporal progression of RG are beginning to be elucidated. Here we reveal that the RG-specific transcriptional regulator PRDM16 promotes the transition of early to late phases of neurogenesis in the mouse neocortex. Prdm16 mutant RG delays the timely progression of RG, leading to defective cortical laminar organization. We show that PRDM16 regulates expression of neuronal specification genes and a subset of genes that are dynamically expressed between mid- and late-neurogenesis. Our genomic analysis suggests that PRDM16 suppresses target gene expression through maintaining chromatin accessibility of permissive enhancers. Altogether, our results demonstrate a critical role of PRDM16 in establishing stage-specific gene expression program of RG during cortical neurogenesis. These findings also support a model where progenitor cells are primed with daughter cell gene expression program for rapid cell differentiation.

The Hengduan Mountains (HDM) in South West China are an important hotspot of plant diversity and endemism and considered to be a secondary diversification center for the woody plant genus Salix (Salicaceae). This study aimed to reconstruct the spatio-temporal evolution of the Salix Chamaetia-Vetrix clade in the HDM and to test for the occurrence of a radiation. We inferred phylogenetic relationships based on more than 34,000 RAD loci of 27 species. Phylogenetic analyses recovered a well-resolved tree topology with two major clades, the Eurasian and the HDM clade and a divergence time of c. 23.9 Ma. The HDM clade comprises two subclades. The species of the HDM clade originated in north HDM and adjacent areas and then dispersed into the south HDM, westwards to the Himalayas and eastwards to the Qinling Mountains. Niche modelling analyses revealed that during the last glacial maximum, range contractions were observed in the northern areas, while southward expansions resulted in range overlaps. The reconstruction of putative adaptive character evolution of plant height, inflorescence and flower morphology indicate that adaptations to altitudinal distribution contributed to the diversification of the HDM willows. Our data indicate that a radiation occurred in HDM within the Salix Chamaetia-Vetrix clade. Dispersal within the mountain system and to adjacent regions as well as survival in glacial refugia have shaped the biogeographical history of the clade. Differentiation along altitudinal zonation concomitant to morphological adaptations to colder climates may be important ecological factors for the high species diversity of Salix in this area.

Abstract Generating chromosome-scale haplotype resolved assembly is important for functional studies. However, current de novo assemblers are either haploid assemblers that discard allelic information, or diploid assemblers that can only tackle genomes of low complexity. Here, we report a diploid assembler, gcaPDA (gamete cells assisted Phased Diploid Assembler), which exploits haploid gamete cells to assist in resolving haplotypes. We generate chromosome-scale phased diploid assemblies for the highly heterozygous and repetitive genome of a maize F 1 hybrid using gcaPDA and evaluate the assembly result thoroughly. With applicability of coping with complex genomes and fewer restrictions on application than other diploid assemblers, gcaPDA is likely to find broad applications in studies of eukaryotic genomes.