Conifers have dominated forests for more than 200 million years and are of huge ecological and economic importance. Here we present the draft assembly of the 20-gigabase genome of Norway spruce (Picea abies), the first available for any gymnosperm. The number of well-supported genes (28,354) is similar to the >100 times smaller genome of Arabidopsis thaliana, and there is no evidence of a recent whole-genome duplication in the gymnosperm lineage. Instead, the large genome size seems to result from the slow and steady accumulation of a diverse set of long-terminal repeat transposable elements, possibly owing to the lack of an efficient elimination mechanism. Comparative sequencing of Pinus sylvestris, Abies sibirica, Juniperus communis, Taxus baccata and Gnetum gnemon reveals that the transposable element diversity is shared among extant conifers. Expression of 24-nucleotide small RNAs, previously implicated in transposable element silencing, is tissue-specific and much lower than in other plants. We further identify numerous long (>10,000 base pairs) introns, gene-like fragments, uncharacterized long non-coding RNAs and short RNAs. This opens up new genomic avenues for conifer forestry and breeding. The draft genome of the Norway spruce (P. abies) is presented; this is the first gymnosperm genome to be sequenced and reveals a large genome size (20 Gb) resulting from the accumulation of transposable elements, and comparative sequencing of five other gymnosperm genomes provides insights into conifer genome evolution. The first draft gymnosperm genome, that of a Norway spruce (Picea abies), is published this week by the Spruce Genome Project consortium. The genome is from a tree originally collected in 1959 in eastern Jämtland, central Sweden. At 20 gigabases, the genome is more than a hundred times larger than that of the model plant species Arabidopsis, but the two contain a similar number of genes. The large genome size is the result of an accumulation of transposable elements. Comparative sequencing of five further gymnosperm genomes suggests that transposable element diversity is shared among extant conifers. The sequence data are available for public access from the ConGenIE website ( http://congenie.org/ ).

Abstract The Y chromosome is theorized to facilitate evolution of sexual dimorphism by accumulating sexually antagonistic loci, but empirical support is scarce. Due to the lack of recombination Y chromosomes are prone to degenerative processes, which poses a constraint on their adaptive potential. Yet, in the seed beetle Callosobruchus maculatus segregating Y linked variation affects male body size and thereby sexual size dimorphism (SSD). Here we assemble C. maculatus sex chromosome sequences and identify molecular differences associated with Y-linked SSD variation. The assembled Y chromosome is largely euchromatic and contains over 400 genes, many of which are ampliconic with a mixed autosomal and X chromosome ancestry. Functional annotation suggests that the Y chromosome plays important roles in males beyond primary reproductive functions. Crucially, we find that, besides an autosomal copy of the gene target of rapamycin ( TOR ), males carry an additional TOR copy on the Y chromosome. TOR is a conserved regulator of growth across taxa, and our results suggest that a Y-linked TOR provides a male specific opportunity to alter body size. A comparison of Y haplotypes associated with male size difference uncovers a copy number variation for TOR , where the haplotype associated with decreased male size, and thereby increased sexual dimorphism, has two additional TOR copies. This suggests that sexual conflict over growth has been mitigated by autosome to Y translocation of TOR followed by gene duplications. Our results reveal that despite of suppressed recombination, the Y chromosome can harbour adaptive potential as a male-limited supergene.

Abstract Identifying the genetic mechanisms that translate information from the environment into developmental programs to control size, shape and color are important for gaining insights into adaptation to changing environments. Insect polyphenisms provide good models to study such mechanisms because environmental factors are the main source of trait variation. Here we studied the genetic mechanism that controls photoperiod-induced wing length polyphenism in the water strider Gerris buenoi . By sequencing RNA sampled from wing buds across developmental stages under different photoperiodic conditions known to trigger alternative wing developmental trajectories, we found that differences in transcriptional activity arose primarily in the late 5 th instar stage. Among the differentially expressed genes, the Fat/Hippo and ecdysone signaling pathways, both putative growth regulatory mechanisms showed significant enrichment. We used RNA interference against the differentially expressed genes Fat, Dachsous and Yorkie to assess whether they play a causative role in photoperiod induced wing length variation in Gerris buenoi . Our results show that the conserved Fat/Hippo pathway is a key regulatory network involved in the control of wing polyphenism in this species. This study provides an important basis for future comparative studies on the evolution of wing polyphenism and significantly deepens our understanding of the genetic regulation of insect polyphenisms.

Norway spruce (Picea abies) is an important boreal forest tree species of significant ecological and economic importance. Hence there is a strong imperative to dissect the genetics controlling important wood quality traits in Norway spruce. We performed a functional genome-wide association mapping of 17 wood quality traits in Norway spruce using 178101 single-nucleotide polymorphisms (SNPs) generated from exome genotyping of 517 mother trees. The wood quality traits were defined using functional modelling of wood properties across annual growth rings. Association mapping was performed using a multilocus LASSO penalized regression method and we detected a total of 51 significant SNPs from 39 candidate genes that are involved in wood formation. Our study represents the first functional multi-locus genome-wide association mapping (AM) in Norway spruce. The results advance our understanding of the genetics influencing wood traits, identify novel candidate genes for further functional studies and support current Norway spruce breeding efforts.

Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) is a conifer species with large economic and ecological importance. As with most conifers, the P. abies genome is very large (~20 Gbp) and contains high levels of repetitive DNA. The current genome assembly (v1.0) covers approximately 60% of the total genome size, but is highly fragmented consisting of more than 10 million scaffolds. Even though 66,632 protein coding gene models are annotated, the fragmented nature of the assembly means that there is currently little information available on how these genes are physically distributed over the 12 P. abies chromosomes. By creating an ultra-dense genetic linkage map, we can anchor and order scaffolds at the pseudo-chromosomal level in P. abies, which complements the fine-scale information available in the assembly contigs. Our ultra dense haploid consensus genetic map consists of 15,005 markers from 14,336 scaffolds and where 17,079 gene models (25.6% of protein coding gene annotations) have been anchored to the 12 linkage groups (pseudo-chromosomes). Three independent component maps, as well as comparisons to earlier published Picea maps are used to evaluate the accuracy and marker order of the linkage groups. We can demonstrate that approximately 3.8% of the scaffolds and 1.6% of the gene models covered by the consensus map are likely wrongly assembled as they contain genetic markers that map to different regions or linkage groups of the P. abies linkage map. We also evaluate the utility of the genetic map for the conifer research community by using an independent data set of unrelated individuals to assess genome-wide variation in genetic diversity using the genomic regions anchored to chromosomes. The results show that our map is dense enough to allow detailed evolutionary analysis across the P. abies genome.

The formation of an allopolyploid species involves the merger of two genomes with separate evolutionary histories. In allopolyploids, genes derived from one progenitor species are often expressed at higher levels than those from the other progenitor. It has been suggested that this could be due to differences in transposable element (TE) content among progenitors, as silencing of TEs can affect expression of nearby genes. Here, we examine the role of TEs for expression biases in the widespread allotetraploid Capsella bursa-pastoris and in diploid F1 hybrids generated by crossing Capsella orientalis and Capsella rubella, two close relatives of the progenitors of C. bursa-pastoris. As C. rubella harbors more TEs than C. orientalis, we expect C. orientalis alleles to be expressed at higher levels if TE content is key for expression biases. To test this hypothesis, we quantified expression biases at approximately 5800 genes in flower buds and leaves, while correcting for read mapping biases using genomic data. While three of four C. bursa-pastoris accessions exhibited a shift toward higher relative expression of C. orientalis alleles, the fourth C. bursa-pastoris accession had the opposite direction of expression bias, as did diploid F1 hybrids. Associations between TE polymorphism and expression bias were weak, and the effect of TEs on expression bias was small. These results suggest that differences in TE content alone cannot fully explain expression biases in these species. Future studies should investigate the role of differences in TE silencing efficacy, as well as a broader set of other factors. Our results are important for a more general understanding of the role of TEs for cis-regulatory evolution in plants.

Despite the global economic and ecological importance of forest trees, the genomic basis of differential adaptation and speciation in tree species is still poorly understood. Populus tremula and P. tremuloides are two of the most widespread tree species in the Northern Hemisphere. Using whole-genome re-sequencing data of 24 P. tremula and 22 P. tremuloides individuals, we find that the two species diverged ~2.2-3.1 million years ago, coinciding with the severing of the Bering land bridge and the onset of dramatic climatic oscillations during the Pleistocene. Both species have experienced substantial population expansions following long-term declines after species divergence. We detect widespread and heterogeneous genomic differentiation between species, and in accordance with the expectation of allopatric speciation, coalescent simulations suggest that neutral evolutionary processes can account for most of the observed patterns of genomic differentiation. However, there is an excess of regions exhibiting extreme differentiation relative to those expected under demographic simulations, which is indicative of the action of natural selection. Overall genetic differentiation is negatively associated with recombination rate in both species, providing strong support for a role of linked selection in generating the heterogeneous genomic landscape of differentiation between species. Finally, we identify a number of candidate regions and genes that may have been subject to positive and/or balancing selection during the speciation process.

Massively parallel sequencing has revolutionized the field of genetics by providing comparatively high-resolution insights into whole genomes for large number of species so far. However, whole-genome resequencing of many conspecific individuals remains cost-prohibitive for most species. This is especially true for species with very large genomes with extensive genomic redundancy, such as the genomes of coniferous trees. The genome assembly for the conifer Norway spruce (Picea abies) was the first published draft genome assembly for any gymnosperm. Our goal was to develop a dense set of genome-wide SNP markers for Norway spruce to be used for assembly improvement and population studies. From 80,000 initial probe candidates, we developed two partially-overlapping sets of sequence capture probes: one developed against 56 haploid megagametophytes, to aid assembly improvement; and the other developed against 6 diploid needle samples, to aid population studies. We focused probe development within genes, as delineated via the annotation of ~67,000 gene models accompanying P. abies assembly version 1.0. The 31,277 probes developed against megagametophytes covered 19,268 gene models (mean 1.62 probes/model). The 40,018 probes developed against diploid tissue covered 26,219 gene modules (mean 1.53 probes/model). Analysis of read coverage and variant quality around probe sites showed that initial alignment of captured reads should be done against the whole genome sequence, rather than a subset of probe-containing scaffolds, to overcome occasional capture of sequences outside of designed regions. All three probe sets, anchored to the P. abies 1.0 genome assembly and annotation, are available for download.

Understanding the causes of cis-regulatory variation is a long-standing aim in evolutionary biology. Although cis-regulatory variation has long been considered important for adaptation, we still have a limited understanding of the selective importance and genomic determinants of standing cis-regulatory variation. To address these questions, we studied the prevalence, genomic determinants and selective forces shaping cis-regulatory variation in the outcrossing plant Capsella grandiflora. We first identified a set of 1,010 genes with common cis-regulatory variation using analyses of allele-specific expression (ASE). Population genomic analyses of whole-genome sequences from 32 individuals showed that genes with common cis-regulatory variation are 1) under weaker purifying selection and 2) undergo less frequent positive selection than other genes. We further identified genomic determinants of cis-regulatory variation. Gene-body methylation (gbM) was a major factor constraining cis-regulatory variation, whereas presence of nearby TEs and tissue specificity of expression increased the odds of ASE. Our results suggest that most common cis-regulatory variation in C. grandiflora is under weak purifying selection, and that gene-specific functional constraints are more important for the maintenance of cis-regulatory variation than genome-scale variation in the intensity of selection. Our results agree with previous findings that suggest TE silencing affects nearby gene expression, and provide novel evidence for a link between gbM and cis-regulatory constraint, possibly reflecting greater dosage-sensitivity of body-methylated genes. Given the extensive conservation of gene-body methylation in flowering plants, this suggests that gene-body methylation could be an important predictor of cis-regulatory variation in a wide range of plant species.

A central aim of evolutionary genomics is to identify the relative roles that various evolutionary forces have played in generating and shaping genetic variation within and among species. Here we use whole-genome re-sequencing data to characterize and compare genome-wide patterns of nucleotide polymorphism, site frequency spectrum and population-scaled recombination rates in three species of Populus: P. tremula, P. tremuloides and P. trichocarpa. We find that P. tremuloides has the highest level of genome-wide variation, skewed allele frequencies and population-scaled recombination rates, whereas P. trichocarpa harbors the lowest. Our findings highlight multiple lines of evidence suggesting that natural selection, both due to purifying and positive selection, has widely shaped patterns of nucleotide polymorphism at linked neutral sites in all three species. Differences in effective population sizes and rates of recombination are largely explaining the disparate magnitudes and signatures of linked selection we observe among species. The present work provides the first phylogenetic comparative study at genome-wide scale in forest trees. This information will also improve our ability to understand how various evolutionary forces have interacted to influence genome evolution among related species.