Meiotic drivers subvert Mendelian expectations by manipulating reproductive development to bias their own transmission. Chromosomal drive typically functions in asymmetric female meiosis, while gene drive is normally postmeiotic and typically found in males. Using single molecule and single-pollen genome sequencing, we describe Teosinte Pollen Drive, an instance of gene drive in hybrids between maize (Zea mays ssp. mays) and teosinte mexicana (Zea mays ssp. mexicana), that depends on RNA interference (RNAi). 22nt small RNAs from a non-coding RNA hairpin in mexicana depend on Dicer-Like 2 (Dcl2) and target Teosinte Drive Responder 1 (Tdr1), which encodes a lipase required for pollen viability. Dcl2, Tdr1, and the hairpin are in tight pseudolinkage on chromosome 5, but only when transmitted through the male. Introgression of mexicana into early cultivated maize is thought to have been critical to its geographical dispersal throughout the Americas, and a tightly linked inversion in mexicana spans a major domestication sweep in modern maize. A survey of maize landraces and sympatric populations of teosinte mexicana reveals correlated patterns of admixture among unlinked genes required for RNAi on at least 3 chromosomes that are also subject to gene drive in pollen from synthetic hybrids. Teosinte Pollen Drive likely played a major role in maize domestication and evolution, and offers an explanation for the widespread abundance of "self" small RNAs in the germlines of plants and animals.

Epigenetic inheritance refers to the faithful replication of DNA methylation and histone modification independent of DNA sequence. Nucleosomes block access to DNA methyltransferases, unless they are remodeled by DECREASE IN DNA METHYLATION1 (DDM1 Lsh/HELLS ), a Snf2-like master regulator of epigenetic inheritance. We show that DDM1 activity results in replacement of the transcriptional histone variant H3.3 for the replicative variant H3.1 during the cell cycle. In ddm1 mutants, DNA methylation can be restored by loss of the H3.3 chaperone HIRA, while the H3.1 chaperone CAF-1 becomes essential. The single-particle cryo-EM structure at 3.2 Å of DDM1 with a variant nucleosome reveals direct engagement at SHL2 with histone H3.3 at or near variant residues required for assembly, as well as with the deacetylated H4 tail. An N-terminal autoinhibitory domain binds H2A variants to allow remodeling, while a disulfide bond in the helicase domain is essential for activity in vivo and in vitro . We show that differential remodeling of H3 and H2A variants in vitro reflects preferential deposition in vivo . DDM1 co-localizes with H3.1 and H3.3 during the cell cycle, and with the DNA methyltransferase MET1 Dnmt1 . DDM1 localization to the chromosome is blocked by H4K16 acetylation, which accumulates at DDM1 targets in ddm1 mutants, as does the sperm cell specific H3.3 variant MGH3 in pollen, which acts as a placeholder nucleosome in the germline and contributes to epigenetic inheritance.

In Arabidopsis , LTR-retrotransposons are activated by mutations in the chromatin remodeler DECREASE in DNA METHYLATION 1 (DDM1), giving rise to 21-22nt epigenetically activated siRNAs (easiRNAs) that depend on RNA DEPENDENT RNA POLYMERASE 6 (RDR6). We purified virus-like-particles (VLPs) from ddm1 and ddm1rdr6 mutants in which genomic RNA is reverse transcribed into complementary DNA. Next generation short-read and long-read sequencing of VLP DNA (VLP DNA-seq) revealed a comprehensive catalog of active LTR-retrotransposons without the need for mapping transposition, and independent of genomic copy number. Linear replication intermediates of a functionally intact copia element EVADE revealed multiple central polypurine tracts (cPPT), a feature shared with HIV where cPPT promote nuclear localization. For one member of the ATCOPIA52 subfamily ( SISYPHUS ), cPPT intermediates were not observed, but abundant circular DNA indicated transposon “suicide” by auto-integration within the VLP. easiRNA targeted EVADE genomic RNA, polysome association of GYPSY ( ATHILA ) subgenomic RNA, and transcription via histone H3 lysine-9 dimethylation. VLP DNA-seq provides a comprehensive landscape of LTR-retrotransposons, and their control at transcriptional, post-transcriptional and reverse transcriptional levels.