Two draft sequences of Gossypium hirsutum, the most widely cultivated cotton species, provide insights into genome structure, genome rearrangement, gene evolution and cotton fiber biology. Upland cotton is a model for polyploid crop domestication and transgenic improvement. Here we sequenced the allotetraploid Gossypium hirsutum L. acc. TM-1 genome by integrating whole-genome shotgun reads, bacterial artificial chromosome (BAC)-end sequences and genotype-by-sequencing genetic maps. We assembled and annotated 32,032 A-subgenome genes and 34,402 D-subgenome genes. Structural rearrangements, gene loss, disrupted genes and sequence divergence were more common in the A subgenome than in the D subgenome, suggesting asymmetric evolution. However, no genome-wide expression dominance was found between the subgenomes. Genomic signatures of selection and domestication are associated with positively selected genes (PSGs) for fiber improvement in the A subgenome and for stress tolerance in the D subgenome. This draft genome sequence provides a resource for engineering superior cotton lines.

Abstract Polyploidy is an evolutionary innovation for many animals and all flowering plants, but its impact on selection and domestication remains elusive. Here we analyze genome evolution and diversification for all five allopolyploid cotton species, including economically important Upland and Pima cottons. Although these polyploid genomes are conserved in gene content and synteny, they have diversified by subgenomic transposon exchanges that equilibrate genome size, evolutionary rate heterogeneities and positive selection between homoeologs within and among lineages. These differential evolutionary trajectories are accompanied by gene-family diversification and homoeolog expression divergence among polyploid lineages. Selection and domestication drive parallel gene expression similarities in fibers of two cultivated cottons, involving coexpression networks and N 6 -methyladenosine RNA modifications. Furthermore, polyploidy induces recombination suppression, which correlates with altered epigenetic landscapes and can be overcome by wild introgression. These genomic insights will empower efforts to manipulate genetic recombination and modify epigenetic landscapes and target genes for crop improvement.

Signals of Mosquito Speciation Malaria in Africa is transmitted by the mosquito species complex Anopheles gambiae . Neafsey et al. (p. 514 ) made high-resolution single-nucleotide arrays to map genetic divergence among members of the species. Differentiation between populations was observed and evidence obtained for selective sweeps within populations. Most divergence occurred within inversion regions around the centrosome and in genes associated with development, pheromone signaling, and from the X chromosome. The analysis also revealed signals of sympatric speciation occurring within similar chromosomal regions in mosquitoes from different regions in Africa. Lawniczak et al. (p. 512 ) sequenced the genomes of two molecular forms (known as M and S) of A. gambiae , which have distinctive behavioral phenotypes and appear to be speciating. This effort resolves problems arising from the apparently chimeric nature of the reference genome and confirms the observed genome-wide divergences. This kind of analysis has the potential to contribute to control programs that can adapt to population shifts in mosquito behavior arising from the selective effects of the control measures themselves.

Theobroma cacao L. cultivar Matina 1-6 belongs to the most cultivated cacao type. The availability of its genome sequence and methods for identifying genes responsible for important cacao traits will aid cacao researchers and breeders.We describe the sequencing and assembly of the genome of Theobroma cacao L. cultivar Matina 1-6. The genome of the Matina 1-6 cultivar is 445 Mbp, which is significantly larger than a sequenced Criollo cultivar, and more typical of other cultivars. The chromosome-scale assembly, version 1.1, contains 711 scaffolds covering 346.0 Mbp, with a contig N50 of 84.4 kbp, a scaffold N50 of 34.4 Mbp, and an evidence-based gene set of 29,408 loci. Version 1.1 has 10x the scaffold N50 and 4x the contig N50 as Criollo, and includes 111 Mb more anchored sequence. The version 1.1 assembly has 4.4% gap sequence, while Criollo has 10.9%. Through a combination of haplotype, association mapping and gene expression analyses, we leverage this robust reference genome to identify a promising candidate gene responsible for pod color variation. We demonstrate that green/red pod color in cacao is likely regulated by the R2R3 MYB transcription factor TcMYB113, homologs of which determine pigmentation in Rosaceae, Solanaceae, and Brassicaceae. One SNP within the target site for a highly conserved trans-acting siRNA in dicots, found within TcMYB113, seems to affect transcript levels of this gene and therefore pod color variation.We report a high-quality sequence and annotation of Theobroma cacao L. and demonstrate its utility in identifying candidate genes regulating traits.

The challenge of allelic diversity for assembling haplotypes is exemplified in polyploid genomes containing homoeologous chromosomes of identical ancestry, and significant homologous variation within their ancestral subgenomes. Cultivated strawberry ( Fragaria × ananassa ) and its wild progenitors are outbred octoploids (2n = 8x = 56) in which up to eight homologous and homoeologous alleles are preserved. This introduces significant risk of haplotype collapse, switching, and chimeric fusions during assembly. Using third generation HiFi sequences from PacBio, we assembled the genome of the day-neutral octoploid F. × ananassa hybrid ‘Royal Royce’ from the University of California. Our goal was to produce subgenome-and haplotype-resolved assemblies of all 56 chromosomes, accurately reconstructing the parental haploid chromosome complements. Previous work has demonstrated that partitioning sequences by parental phase supports direct assembly of haplotypes in heterozygous diploid species. We leveraged the accuracy of HiFi sequence data with pedigree-informed sequencing to partition long read sequences by phase, and reduce the downstream risk of subgenomic chimeras during assembly. We were able to utilize an octoploid strawberry recombination breakpoint map containing 3.6 M variants to identify and break chimeric junctions, and perform scaffolding of the phase-1 and phase-2 octoploid assemblies. The N50 contiguity of the phase-1 and phase-2 assemblies prior to scaffolding and gap-filling was 11 Mb. The final haploid assembly represented seven of 28 chromosomes in a single contiguous sequence, and averaged fewer than three gaps per pseudomolecule. Additionally, we re-annotated the octoploid genome to produce a custom F. × ananassa repeat library and improved set of gene models based on IsoSeq transcript data and an expansive RNA-seq expression atlas. Here we present ‘FaRR1’, a gold-standard reference genome of F. × ananassa cultivar ‘Royal Royce’ to assist future genomic research and molecular breeding of allo-octoploid strawberry.

Abstract Non-recombining sex chromosomes, like the mammalian Y, often lose genes and accumulate transposable elements, a process termed degeneration 1,2 . The correlation between suppressed recombination and degeneration is clear in animal XY systems 1,2 , but the absence of recombination is confounded with other asymmetries between the X and Y. In contrast, UV sex chromosomes, like those found in bryophytes, experience symmetrical population genetic conditions 3,4 . Here we test for degeneration in the bryophyte UV sex chromosome system through genomic comparisons with new female and male chromosome-scale reference genomes of the moss Ceratodon purpureus . We show that the moss sex chromosomes evolved over 300 million years ago and expanded via two chromosomal fusions. Although the sex chromosomes show signs of weaker purifying selection than autosomes, we find suppressed recombination alone is insufficient to drive gene loss on sex-specific chromosomes. Instead, the U and V sex chromosomes harbor thousands of broadly-expressed genes, including numerous key regulators of sexual development across land plants.

ABSTRACT Increased copy number of the 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase ( EPSPS ) gene confers resistance to glyphosate, the world’s most-used herbicide. There are typically three to eight EPSPS copies arranged in tandem in glyphosate-resistant populations of the weed kochia ( Kochia scoparia ). Here, we report a draft genome assembly from a glyphosate-susceptible kochia individual. Additionally, we assembled the EPSPS locus from a glyphosate-resistant kochia plant by sequencing a kochia bacterial artificial chromosome library. These resources helped reconstruct the history of duplication in the structurally complex EPSPS locus and uncover the genes that are co-duplicated with EPSPS , several of which have a corresponding change in transcription. The comparison between the susceptible and resistant assemblies revealed two dominant repeat types. We discovered a FHY3/FAR1-like mobile genetic element that is associated with the duplicated EPSPS gene copies in the resistant line. We present a hypothetical model based on unequal crossing over that implicates this mobile element as responsible for the origin of the EPSPS gene duplication event and the evolution of herbicide resistance in this system. These findings add to our understanding of stress resistance evolution and provide an example of rapid resistance evolution to high levels of environmental stress.

Summary Globally, weedy plants result in more crop yield loss than plant pathogens and insect pests combined. Much of the success of weeds rests with their ability to rapidly adapt in the face of human-mediated environmental management and change. The evolution of resistance to herbicides is an emblematic example of this rapid adaptation. Here, we focus on Alopecurus myosuroides (blackgrass), the most impactful agricultural weed in Europe. To gain insights into the evolutionary history and genomic mechanisms underlying adaptation in blackgrass, we assembled and annotated its large, complex genome. We show that non-target site herbicide resistance is oligogenic and likely evolves from standing genetic variation. We present evidence for divergent selection of resistance at the level of the genome in wild, evolved populations, though at the transcriptional level, resistance mechanisms are underpinned by similar patterns of up-regulation of stress- and defence-responsive gene families. These gene families are expanded in the blackgrass genome, suggesting that the large, duplicated, and dynamic genome plays a role in enabling rapid adaptation in blackgrass. These observations have wide significance for understanding rapid plant adaptation in novel stressful environments.

Abstract Cotton ( Gossypium hirsutum L.) is the key renewable fibre crop worldwide, yet its yield and fibre quality show high variability due to genotype-specific traits and complex interactions among cultivars, management practices and environmental factors. Modern breeding practices may limit future yield gains due to a narrow founding gene pool. Precision breeding and biotechnological approaches offer potential solutions, contingent on accurate cultivar-specific data. Here we address this need by generating high-quality reference genomes for three modern cotton cultivars (‘UGA230’, ‘UA48’ and ‘CSX8308’) and updating the ‘TM-1’ cotton genetic standard reference. Despite hypothesized genetic uniformity, considerable sequence and structural variation was observed among the four genomes, which overlap with ancient and ongoing genomic introgressions from ‘Pima’ cotton, gene regulatory mechanisms and phenotypic trait divergence. Differentially expressed genes across fibre development correlate with fibre production, potentially contributing to the distinctive fibre quality traits observed in modern cotton cultivars. These genomes and comparative analyses provide a valuable foundation for future genetic endeavours to enhance global cotton yield and sustainability.

Forest tree species are increasingly subject to severe mortalities from exotic pests, diseases, and invasive organisms, accelerated by climate change. Forest health issues are threatening multiple species and ecosystem sustainability globally. While sources of resistance may be available in related species, or among surviving trees, introgression of resistance genes into threatened tree species in reasonable time frames requires genome-wide breeding tools. Asian species of chestnut (Castanea spp.) are being employed as donors of disease resistance genes to restore native chestnut species in North America and Europe. To aid in the restoration of threatened chestnut species, we present the assembly of a reference genome with chromosome-scale sequences for Chinese chestnut (C. mollissima), the disease-resistance donor for American chestnut restoration. We also demonstrate the value of the genome as a platform for research and species restoration, including new insights into the evolution of blight resistance in Asian chestnut species, the locations in the genome of ecologically important signatures of selection differentiating American chestnut from Chinese chestnut, the identification of candidate genes for disease resistance, and preliminary comparisons of genome organization with related species.