The epigenome orchestrates genome accessibility, functionality, and three-dimensional structure. Because epigenetic variation can impact transcription and thus phenotypes, it may contribute to adaptation. Here, we report 1,107 high-quality single-base resolution methylomes and 1,203 transcriptomes from the 1001 Genomes collection of Arabidopsis thaliana. Although the genetic basis of methylation variation is highly complex, geographic origin is a major predictor of genome-wide DNA methylation levels and of altered gene expression caused by epialleles. Comparison to cistrome and epicistrome datasets identifies associations between transcription factor binding sites, methylation, nucleotide variation, and co-expression modules. Physical maps for nine of the most diverse genomes reveal how transposons and other structural variants shape the epigenome, with dramatic effects on immunity genes. The 1001 Epigenomes Project provides a comprehensive resource for understanding how variation in DNA methylation contributes to molecular and non-molecular phenotypes in natural populations of the most studied model plant.

Magnus Nordborg and colleagues report a genomic analysis of all 27 known species in the genus Arabidopsis. They find evidence for a complex speciation history that is not accurately reflected by a traditional bifurcating species tree and identify widespread shared polymorphisms between species. The notion of species as reproductively isolated units related through a bifurcating tree implies that gene trees should generally agree with the species tree and that sister taxa should not share polymorphisms unless they diverged recently and should be equally closely related to outgroups. It is now possible to evaluate this model systematically. We sequenced multiple individuals from 27 described taxa representing the entire Arabidopsis genus. Cluster analysis identified seven groups, corresponding to described species that capture the structure of the genus. However, at the level of gene trees, only the separation of Arabidopsis thaliana from the remaining species was universally supported, and, overall, the amount of shared polymorphism demonstrated that reproductive isolation was considerably more recent than the estimated divergence times. We uncovered multiple cases of past gene flow that contradict a bifurcating species tree. Finally, we showed that the pattern of divergence differs between gene ontologies, suggesting a role for selection.

Abstract The majority of diploid organisms have polyploid ancestors. The evolutionary process of polyploidization (and subsequent re-diploidization) is poorly understood, but has frequently been conjectured to involve some form of “genome shock” — partly inspired by studies in crops, where polyploidy has been linked to major genomic changes such as genome reorganization and subgenome expression dominance. It is unclear, however, whether such dramatic changes would be characteristic of natural polyploidization, or whether they are a product of domestication. Here, we study polyploidization in Arabidopsis suecica (n = 13), a post-glacial allopolyploid species formed via hybridization of A. thaliana (n = 5) and A. arenosa (n = 8). We generated a chromosome-level genome assembly of A. suecica and complemented it with polymorphism and transcriptome data from multiple individuals of all species. Despite a divergence of ∼6 Mya between the two ancestral species and appreciable differences in their genome composition, we see no evidence of a genome shock: the A. suecica genome is highly colinear with the ancestral genomes, there is no subgenome dominance in expression, and transposable element dynamics appear to be stable. We do, however, find strong evidence for changes suggesting gradual adaptation to polyploidy. In particular, the A. thaliana subgenome shows upregulation of meiosis-related genes, possibly in order to prevent aneuploidy and undesirable homeologous exchanges that are frequently observed in experimentally generated A. suecica , and the A. arenosa subgenome shows upregulation of cyto-nuclear related processes, possibly in response to the new cytoplasmic environment of A. suecica, with plastids maternally inherited from A. thaliana .

Abstract A transition to selfing can be beneficial when mating partners are scarce, for example, due to ploidy changes or at species range edges. Here we explain how self-compatibility evolved in diploid Siberian Arabidopsis lyrata, and how it contributed to the establishment of allotetraploid A. kamchatica . First, we provide chromosome-level genome assemblies for two self-fertilizing diploid A. lyrata accessions, one from North America and one from Siberia, including a fully assembled S-locus for the latter. We then propose a sequence of events leading to the loss of self-incompatibility in Siberian A. lyrata, date this independent transition to ∼90 Kya, and infer evolutionary relationships between Siberian and North American A. lyrata, showing an independent transition to selfing in Siberia. Finally, we provide evidence that this selfing Siberian A. lyrata lineage contributed to the formation of the allotetraploid A. kamchatica and propose that the selfing of the latter is mediated by the loss-of-function mutation in a dominant S -allele inherited from A. lyrata .

ABSTRACT Seagrasses comprise the only submerged marine angiosperms, a feat of adaptation from three independent freshwater lineages within the Alismatales. These three parallel lineages offer the unique opportunity to study convergent versus lineage-specific adaptation to a fully marine lifestyle. Here, we present chromosome-level genome assemblies from a representative species of each of the seagrass lineages - Posidonia oceanica (Posidoniaceae), Cymodocea nodosa (Cymodoceaceae), and Thalassia testudinum (Hydrocharitaceae) - along with an improved assembly for Zostera marina (Zosteraceae). We also include a draft genome of Potamogeton acutifolius , a representative of Potamogetonaceae, the freshwater sister lineage to the Zosteraceae. Genome analysis reveals that all seagrasses share an ancient whole genome triplication (WGT) event, dating to the early evolution of the Alismatales. An additional whole genome duplication (WGD) event was uncovered for C. nodosa and P. acutifolius . Dating of ancient WGDs and more recent bursts of transposable elements correlate well with major geological and recent climatic events, supporting their role as rapid generators of genetic variation. Comparative analysis of selected gene families suggests that the transition from the submerged-freshwater to submerged-marine environment did not require revolutionary changes. Major gene losses related to, e.g., stomata, volatiles, defense, and lignification, are likely a consequence of the submerged lifestyle rather than the cause (‘use it or lose it’). Likewise, genes, often retained from the WGD and WGT, were co-opted for functions requiring the alignment of many small adaptations (‘tweaking’), e.g., osmoregulation, salinity, light capture, carbon acquisition, and temperature. Our ability to manage and conserve seagrass ecosystems depends on our understanding of the fundamental processes underpinning their resilience. These new genomes will accelerate functional studies and are expected to contribute to transformative solutions — as continuing worldwide losses of the ‘savannas of the sea’ are of major concern in times of climate change and loss of biodiversity.

Abstract Background Cardamine chenopodiifolia is an amphicarpic plant that develops two fruit morphs, one above and the other below ground. Above-ground fruit disperse their seeds by explosive coiling of the fruit valves, while below-ground fruit are non-explosive. Amphicarpy is a rare trait that is associated with polyploidy in C. chenopodiifolia . Studies into the development and evolution of this trait are currently limited by the absence of genomic data for C. chenopodiifolia . Results We produced a chromosome-scale assembly of the octoploid C. chenopodiifolia genome using high-fidelity long read sequencing with the Pacific Biosciences platform. We successfully assembled 32 chromosomes and two organelle genomes with a total length of 597.2 Mbp and an N50 of 18.8 kbp (estimated genome size from flow cytometry: 626 Mbp). We assessed the quality of this assembly using genome-wide chromosome conformation capture (Omni-C) and BUSCO analysis (97.1% genome completeness). Additionally, we conducted synteny analysis to infer that C. chenopodiifolia likely originated via allo-rather than auto-polyploidy and phased one of the four sub-genomes. Conclusions This study provides a draft genome assembly for C. chenopodiifolia , which is a polyploid, amphicarpic species within the Brassicaceae family. This genome offers a valuable resource to investigate the under-studied trait of amphicarpy and the origin of new traits by allopolyploidy.

Summary/Abstract Whole-genome duplications yield varied chromosomal pairing patterns, ranging from strictly bivalent to multivalent, resulting in disomic and polysomic inheritance modes. In the bivalent case, homeologous chromosomes form pairs, where in a multivalent pattern all copies are homologous and are therefore free to pair and recombine. As sufficient sequencing data is more readily available than high-quality cytological assessments of meiotic behavior or population genetic assessment of allelic segregation, especially for non-model organisms, here we describe two bioinformatics approaches to infer origins and inheritance modes of polyploids using short-read sequencing data. The first approach is based on distributions of allelic read depth at the heterozygous sites within an individual, as the expectations of such distributions are different for disomic and polysomic inheritance modes. The second approach is more laborious and based on a phylogenetic assessment of partially phased haplotypes of a polyploid in comparison to the closest diploid relatives. We discuss the sources of deviations from expected inheritance patterns, advantages and pitfalls of both methods, effects of mating types on the performance of the methods, and possible future developments.

Polyploidy has played an important role in evolution across the tree of life but it is still unclear how polyploid lineages may persist after their initial formation. While both common and well-studied in plants, polyploidy is rare in animals and generally less well-understood. The Australian burrowing frog genus Neobatrachus is comprised of six diploid and three polyploid species and offers a powerful animal polyploid model system. We generated exome-capture sequence data from 87 individuals representing all nine species of Neobatrachus to investigate species-level relationships, the origin and inheritance mode of polyploid species, and the population genomic effects of polyploidy on genus-wide demography. We resolve the phylogenetic relationships among Neobatrachus species and provide further support that the three polyploid species have independent autotetraploid origins. We document higher genetic diversity in tetraploids, resulting from widespread gene flow specifically between the tetraploids, asymmetric inter-ploidy gene flow directed from sympatric diploids to tetraploids, and current isolation of diploid species from each other. We also constructed models of ecologically suitable areas for each species to investigate the impact of climate variation on frogs with differing ploidy levels. These models suggest substantial change in suitable areas compared to past climate, which in turn corresponds to population genomic estimates of demographic histories. We propose that Neobatrachus diploids may be suffering the early genomic impacts of climate-induced habitat loss, while tetraploids appear to be avoiding this fate, possibly due to widespread gene flow into tetraploid lineages specifically. Finally, we demonstrate that Neobatrachus is an attractive model to study the effects of ploidy on the evolution of adaptation in animals.

Although the complex interactions between hosts and microbial associates are increasingly well documented, we still know little about how and why hosts shape microbial communities in nature. We characterized the leaf microbiota within 200 clonal accessions in eight field experiments and detected effects of both local environment and host genotype on community structure. Within environments, hosts′ genetics preferentially associate with a core of ubiquitous microbial hubs that, in turn, structure the community. These microbial hubs correlate with host performance, and a GWAS revealed strong candidate genes for the host factors impacting heritable hubs. Our results reveal how selection may act to enhance fitness through microbial associations and bolster the possibility of enhancing crop performance through these host factors.

The considerable genome size variation in Arabidopsis thaliana has been shown largely to be due to copy number variation (CNV) in 45S ribosomal RNA (rRNA) genes. Surprisingly, attempts to map this variation by means of genome-wide association studies (GWAS) failed to identify either of the two likely sources, namely the nucleolar organizer regions (NORs). Instead, GWAS implicated a trans-acting locus, as if rRNA CNV was a phenotype rather than a genotype. To explain these results, we investigated the inheritance and stability of rRNA gene copy number using the variety of genetic resources available in A. thaliana — F2 crosses, recombinant inbred lines, the multiparent advanced generation inter-cross population, and mutation accumulation lines. Our results clearly show that rRNA gene CNV can be mapped to the NORs themselves, with both loci contributing equally to the variation. However, NOR size is unstably inherited, and dramatic copy number changes are visible already within tens of generations, which explains why it is not possible to map the NORs using GWAS. We did not find any evidence of trans-acting loci in crosses, which is also expected since changes due to such loci would take very many generations to manifest themselves. rRNA gene copy number is thus an interesting example of “missing heritability” — a trait that is heritable in pedigrees, but not in the general population.