Abstract Japanese cedar ( Cryptomeria japonica D. Don) is the most important Japanese forest tree, occupying about 44% of artificial forests in Japan, and planted in East Asia, Azores Archipelago, and some islands in the Indian Ocean. Although the huge genome of the species (ca. 11 Gb) with abundant repeat elements might have been an obstacle for genetic analysis, the species is easily propagated by cutting, flowered by plant hormones like gibberellic acid, transformed by agrobacterium, and edited by CRISPR/Cas9. These characteristics of C. japonica are preferable to make the species a model conifer for which reference genome sequences are necessary. In this study, we report the first chromosome-level assembly for C. japonica (2n = 22) using a third generation selfed progeny with an estimated homozygosity of 0.96. Young leaf tissue was used to extract high-molecular-weight DNA (>50 kb) for HiFi PacBio long read sequencing and to construct Hi-C/Omni-C library for Illumina short read sequencing. Using the 29× and 26× genome coverage of HiFi and Illumina reads, respectively, de novo assembly resulted in 2,650 contigs (9.1 Gb in total) with N50 contig size of 12.0 Mb. The Hi-C analysis mapped 97% of the nucleotides on the 11 chromosomes. The assembly was verified by comparing with a consensus linkage map of 7,785 markers. The BUSCO analysis confirmed ~91% of conserved genes. Annotations of genes, repeat elements and synteny with other Cupressaceae and Pinaceae species were performed, providing fundamental resources for genomic research of conifers.

Abstract Identifying causative genes for a target trait in conifer reproduction is challenging for species lacking whole-genome sequences. In this study, we searched for the male-sterility gene ( MS1 ) in Cryptomeria japonica , aiming to promote marker-assisted selection (MAS) of male-sterile C. japonica to reduce the pollinosis caused by pollen dispersal from artificial C. japonica forests in Japan. We searched for mRNA sequences expressed in male strobili and found the gene CJt020762, coding for a lipid transfer protein containing a 4-bp deletion specific to male-sterile individuals. We also found a 30-bp deletion by sequencing the entire gene of another individual with the ms1 . All nine breeding materials with the allele ms1 had either a 4-bp or 30-bp deletion in gene CJt020762, both of which are expected to result in faulty gene transcription and function. Furthermore, the 30-bp deletion was detected from three of five individuals in the Ishinomaki natural forest. From our findings, CJt020762 was considered to be the causative gene of MS1 . Thus, by performing MAS using two deletion mutations as a DNA marker, it will be possible to find novel breeding materials of C. japonica with the allele ms1 adapted to the unique environment of each region of the Japanese archipelago.

Abstract The rates of appearance of new mutations play a central role in evolution. However, mutational processes in natural environments and their relationship with growth rates are largely unknown, particular in tropical ecosystems with high biodiversity. Here, we examined the somatic mutation landscapes of two tropical trees, Shorea laevis (slow-growing) and S. leprosula (fast-growing), in central Borneo, Indonesia. Using newly-constructed genomes, we identified a greater number of somatic mutations in tropical trees than in temperate trees. In both species, we observed a linear increase in the number of somatic mutations with physical distance between branches. However, we found that the rate of somatic mutation accumulation per meter of growth was 3.7-fold higher in S. laevis than in S. leprosula . This difference in the somatic mutation rate was scaled with the slower growth rate of S. laevis compared to S. leprosula, resulting in a constant somatic mutation rate per year between the two species. We also found that somatic mutations are neutral within an individual, but those mutations transmitted to the next generation are subject to purifying selection. These findings suggest that somatic mutations accumulate with absolute time and older trees have a greater contribution towards generating genetic variation. Significance Statement The significance of our study lies in the discovery of an absolute time-dependent accumulation of somatic mutations in long-lived tropical trees, independent of growth rate. Through a comparative analysis of somatic mutation landscapes in slow- and fast-growing species, we observed a clock-like accumulation of somatic mutations in both species, regardless of their growth rates. Although the majority of somatic mutations were restricted to a single branch, we also identified mutations present in multiple branches, likely transmitted during growth. Our findings suggest that older trees make a greater contribution towards generating genetic variation.

Abstract Objective Due to the allergic nature of the pollen of Cryptomeria japonica , the most important Japanese forestry conifer, a pollen-free cultivar is preferred. Mutant trees detected in nature have been used for the production of a pollen-free cultivar. In order to reduce the time and cost needed for the production and breeding, we aimed to develop simple diagnostic molecular markers for mutant alleles of the causative gene MALE STERILITY 1 ( MS1 ) in C. japonica . The expected function of this gene, its two dysfunctional mutations, and genetic diversity were described recently in a related study. Results We have developed PCR and LAMP markers to detect mutant alleles and to present experimental options depending on available laboratory equipment. At field stations, where PCR machines are not available, LAMP markers were developed. LAMP only needs heat-blocks or a water bath to perform the isothermal amplification and assay results can be easily seen by eye. Because the causative mutations were deletions, two kinds of PCR markers, amplified length polymorphism (ALP) and allele specific PCR (ASP) markers, were developed. These assays can be carried out by capillary or agarose gel electrophoresis.

Abstract Pollinosis, also known as pollen allergy or hay fever, is a global problem caused by pollen produced by various plant species 1–6 . The wind-pollinated Japanese cedar ( Cryptomeria japonica ) is the largest contributor to severe pollinosis in Japan, where increasing proportions of people have been affected in recent decades 7 . The MS4 ( MALE STERILITY 4 ) locus of Japanese cedar controls pollen production, and its homozygous mutants ( ms4/ms4 ) show abnormal pollen development after the tetrad stage and produce no mature pollen. In this study, we narrowed down the MS4 locus by fine mapping in Japanese cedar and found TKPR1 ( TETRAKETIDE α-PYRONE REDUCTASE ) gene in this region. Transformation experiments using Arabidopsis thaliana showed that single-nucleotide substitution of CjTKPR1 determines pollen production. Broad conservation of TKPR1 beyond plant division could lead to the creation of pollen-free plant not only for Japanese cedar but also for broader plant species.