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 Background Plant genomes encode transcripts that require spatio-temporal regulation for proper cellular function, and a large fraction of the regulators can be found in intergenic regions. In animals, distal intergenic regions described as enhancer regions are actively transcribed as enhancer RNAs (eRNAs); the existence of eRNAs in plants has only been fairly recently documented. In this study, we evaluated with high sensitivity the synthesis of eRNAs that arise at genomic elements both distal and proximal to genes by combining PRO-seq with chromatin accessibility, histone modification, and methylation profiles in rice. Results We found that regions defined as transcribed intergenic regions are widespread in the rice genome, and many likely harbor transcribed regulatory elements. In addition to displaying evidence of selective constraint, the presence of these transcribed regulatory elements are correlated with an increase in nearby gene expression. We further identified molecular interactions between genic regions and intergenic transcribed regulatory elements using 3D chromosomal contact data, and found that these interactions were both associated with eQTLs as well as promoting transcription. We also compared the profile of accessible chromatin regions to our identified transcribed regulatory elements, and found less overlap than expected. Finally, we also observed that transcribed intergenic regions that overlapped partially or entirely with repetitive elements had a propensity to be enriched for cytosine methylation, and were likely involved in TE silencing rather than promoting gene transcription. Conclusion The characterization of eRNAs in the rice genome reveals that many share features of enhancers and are associated with transcription regulation, which could make them compelling candidate enhancer elements.

Abstract Plastic phenotypic responses to environmental change are common, yet we lack a clear understanding of the fitness consequences of these plastic responses. Here, we use the evolution of herbicide resistance in the common morning glory ( Ipomoea purpurea ) as a model for understanding the relative importance of adaptive and maladaptive gene expression responses to herbicide. Specifically, we compare leaf gene expression changes caused by herbicide to the expression changes that evolve in response to artificial selection for herbicide resistance. We identify a number of genes that show plastic and evolved responses to herbicide and find that for the majority of genes with both plastic and evolved responses, plastic responses appear to be adaptive. We also find that selection for herbicide response increases gene expression plasticity. Overall, these results show the importance of adaptive plasticity for herbicide resistance in a common weed and that expression changes in response to strong environmental change can be adaptive. Impact statement Predicting whether and how organisms will adapt to environmental change is a crucial goal. However, this goal can be complicated because environmental change can alter traits, in a process called plasticity. The extent and fitness consequences of plasticity will have important effects on the adaptive process. In this study, we use adaptation to herbicide in the agricultural weed, the common morning glory, as a model for understanding the extent and fitness consequences of plasticity in gene expression. We find evidence that gene expression plasticity is adaptive in the presence of herbicide, suggesting that understanding plasticity is crucial for understanding how organisms adapt to new environments.

ABSTRACT Hybridization generates inter-genomic interactions, which may result in unique traits not seen in either parent species. Here we explore the genetic basis of both carotenoid and anthocyanin floral pigmentation in hybrids between monkeyflower species Mimulus cupreus and M. luteus var. variegatus. Mimulus cupreus has abundant yellow carotenoid pigmentation in its petal lobes, while M. l. variegatus has a derived reduction in carotenoid intensity. Thus, as expected, carotenoid intensity segregates in an F2 hybrid population. More surprisingly, both species appear to have petal lobes solidly and identically covered in magenta anthocyanin pigment (which, when overlaid on the bright yellow carotenoid background, leads to an orange color in M. cupreus ), yet F1 and F2 hybrids exhibit novel and complex spatial patterns of anthocyanin spotting. A rare yellow morph of M. cupreus , which lacks petal anthocyanins, also generates spatially patterned offspring when hybridized with M. l. variegatus . We use this cross, together with newly developed high-quality genome assembly of M. l. luteus and image analysis tools, to investigate the genetic architecture of color and pattern variation in an F2 hybrid population. We report a single QTL, containing the Beta-carotene hydroxylase ( BCH ) gene, associated with the non-patterned carotenoid reduction in M. l. variegatus . HPLC shows that relative beta-carotene abundance differs between dark yellow and light yellow petals, supporting a causal role for BCH . The presence versus absence of petal lobe anthocyanin segregates in a 3:1 ratio, and we report (as expected) an associated QTL encompassing the anthocyanin activator MYB5a/NEGAN which has previously been shown to be both necessary and sufficient to activate petal lobe anthocyanins in M. l. variegatus . Anthocyanin patterning was more complex, with seven QTLs associated with five quantitative patterning traits on the upper petals; 11 on the lower petals; and three qualitative whole-flower patterning traits. Although power was too limited to effectively test for epistatic interactions in this cross, the QTLs provide candidate genomic regions for further investigating the molecular mechanisms of spatially complex floral color patterning, and multiple candidate genes are identified including anthocyanin activators and an anthocyanin repressor.

ABSTRACT Rice was domesticated around 10,000 years ago and has developed into a staple for half of humanity. The crop evolved and is currently grown in stably wet and intermittently dry agro-ecosystems, but patterns of adaptation to differences in water availability remain poorly understood. While previous field studies have evaluated plant developmental adaptations to water deficit, adaptive variation in functional and hydraulic components, particularly in relation to gene expression, has received less attention. Here, we take an evolutionary systems biology approach to characterize adaptive drought resistance traits across roots and shoots. We find that rice harbors heritable variation in molecular, physiological, and morphological traits that is linked to higher fitness under drought. We identify modules of co-expressed genes that are associated with adaptive drought avoidance and tolerance mechanisms. These expression modules showed evidence of polygenic adaptation in rice subgroups harboring accessions that evolved in drought-prone agro-ecosystems. Fitness-linked expression patterns had predictive value and allowed us to identify the drought-adaptive nature of optimizing photosynthesis and interactions with arbuscular mycorrhizal fungi. Taken together, our study provides an unprecedented, integrative view of rice adaptation to water-limited field conditions.

Abstract Domestication of cranberry and blueberry began in the United States in the early 1800s and 1900s, respectively, and in part owing to their flavors and health-promoting benefits are now cultivated and consumed worldwide. The industry continues to face a wide variety of production challenges (e.g. disease pressures) as well as a demand for higher-yielding cultivars with improved fruit quality characteristics. Unfortunately, molecular tools to help guide breeding efforts for these species have been relatively limited compared with those for other high-value crops. Here, we describe the construction and analysis of the first pangenome for both blueberry and cranberry. Our analysis of these pangenomes revealed both crops exhibit great genetic diversity, including the presence-absence variation of 48.4% genes in highbush blueberry and 47.0% genes in cranberry. Auxiliary genes, those not shared by all cultivars, are significantly enriched with molecular functions associated with disease resistance and the biosynthesis of specialized metabolites, including compounds previously associated with improving fruit quality traits. The discovery of thousands of genes, not present in the previous reference genomes for blueberry and cranberry, will serve as the basis of future research and as potential targets for future breeding efforts. The pangenome, as a multiple-sequence alignment, as well as individual annotated genomes, are publicly available for analysis on the Genome Database for Vaccinium - a curated and integrated web-based relational database. Lastly, the core-gene predictions from the pangenomes will serve useful to develop a community genotyping platform to guide future molecular breeding efforts across the family.

The extent that both positive and negative selection vary across different portions of plant genomes remains poorly understood. Here, we sequence whole genomes of 13 Capsella grandiflora individuals and quantify the amount of selection across the genome. Using an estimate of the distribution of fitness effects, we show that selection is strong in coding regions, but weak in most noncoding regions, with the exception of 5’ and 3’ untranslated regions (UTRs). However, estimates of selection in noncoding regions conserved across the Brassicaceae family show strong signals of selection. Additionally, we see reductions in neutral diversity around functional substitutions in both coding and conserved noncoding regions, indicating recent selective sweeps at these sites. Finally, using expression data from leaf tissue we show that genes that are more highly expressed experience stronger negative selection but comparable levels of positive selection to lowly expressed genes. Overall, we observe widespread positive and negative selection in coding and regulatory regions, but our results also suggest that both positive and negative selection in plant noncoding sequence are considerably rarer than in animal genomes.

Background: The genus Aethionema is a sister-group to the core-group of the Brassicaceae family that includes Arabidopsis thaliana and the Brassica crops. Thus, Aethionema is phylogenetically well-placed for the investigation and understanding of genome and trait evolution across the family. We aimed to improve the quality of the reference genome draft version of the annual species Aethionema arabicum . Secondly, we constructed the first Ae. arabicum genetic map. The improved reference genome and genetic map enabled the development of each other. Results: We started with the initially published genome (version 2.5). PacBio and MinION sequencing together with genetic map v2.5 were incorporated to produce the new reference genome v3.0. The improved genome contains 203 MB of sequence, with approximately 94% of the assembly made up of called bases, assembled into 2,883 scaffolds. The N50 (10.3 MB) represents an 80-fold over the initial genome release. We generated a Recombinant Inbred Line (RIL) population that was derived from two ecotypes: Cyprus and Turkey (the reference genotype. Using a Genotyping by Sequencing (GBS) approach, we generated a high-density genetic map with 749 (v2.5) and then 632 SNPs (v3.0) was generated. The genetic map and reference genome were integrated, thus greatly improving the scaffolding of the reference genome into 11 linkage groups. Conclusions: We show that long-read sequencing data and genetics are complementary, resulting in an improved genome assembly in Ae. arabicum . They will facilitate comparative genetic mapping work for the Brassicaceae family and are also valuable resources to investigate wide range of life history traits in Aethionema .

Whole genome duplication events have occurred repeatedly during flowering plant evolution, and there is growing evidence for predictable patterns of gene retention and loss following polyploidization. Despite these important insights, the rate and processes governing the earliest stages of diploidization remain poorly understood, and the relative importance of genetic drift, positive selection and relaxed purifying selection in the process of gene degeneration and loss is unclear. Here, we conduct whole genome resequencing in Capsella bursa-pastoris, a recently formed tetraploid with one of the most widespread species distributions of any angiosperm. Whole genome data provide strong support for recent hybrid origins of the tetraploid species within the last 100-300,000 years from two diploid progenitors in the Capsella genus. Major-effect inactivating mutations are frequent, but many were inherited from the parental species and show no evidence of being fixed by positive selection. Despite a lack of large-scale gene loss, we observe a decrease in the efficacy of natural selection genome-wide, due to the combined effects of demography, selfing and genome redundancy from whole genome duplication. Our results suggest that the earliest stages of diploidization are associated with quantitative genome-wide decreases in the strength and efficacy of selection rather than rapid gene loss, and that non-functionalization can receive a 'head start' through a legacy of deleterious variants and differential expression originating in parental diploid populations.

The importance and applications of polyploidy have long been recognized, from shaping the evolutionary success of flowering plants to improving agricultural productivity. Recent studies have shown that one of the parental subgenomes in ancient polyploids is generally more dominant - having both retained more genes and being more highly expressed - a phenomenon termed subgenome dominance. How quickly one subgenome dominates within a newly formed polyploid, if immediate or after millions of years, and the genomic features that determine which genome dominates remain poorly understood. To investigate the rate of subgenome dominance emergence, we examined gene expression, gene methylation, and transposable element (TE) methylation in a natural less than 140 year old allopolyploid (Mimulus peregrinus), a resynthesized interspecies triploid hybrid (M. robertsii), a resynthesized allopolyploid (M. peregrinus), and diploid progenitors (M. guttatus and M. luteus). We show that subgenome expression dominance occurs instantly following the hybridization of two divergent genomes and that subgenome expression dominance significantly increases over generations. Additionally, CHH methylation levels are significantly reduced in regions near genes and within transposons in the first generation hybrid, intermediate in the resynthesized allopolyploid, and are repatterned differently between the dominant and submissive subgenomes in the natural allopolyploid. Our analyses reveal that the subgenome differences in levels of TE methylation mirror the increase in expression bias observed over the generations following the hybridization. These findings not only provide important insights into genomic and epigenomic shock that occurs following hybridization and polyploid events, but may also contribute to uncovering the mechanistic basis of heterosis and subgenomic dominance.