Abstract Retrotransposons have invaded eukaryotic centromeres in cycles of repeat expansion and purging, but the function of centromeric retrotransposons has remained unclear. In Arabidopsis , centromeric ATHILA retrotransposons give rise to epigenetically activated short interfering RNAs in mutants in DECREASE IN DNA METHYLATION1 ( DDM1 ). Here we show that mutants that lose both DDM1 and RNA-dependent RNA polymerase have pleiotropic developmental defects and mis-segregate chromosome 5 during mitosis. Fertility and segregation defects are epigenetically inherited with centromere 5, and can be rescued by directing artificial small RNAs to ATHILA5 retrotransposons that interrupt tandem satellite repeats. Epigenetically activated short interfering RNAs promote pericentromeric condensation, chromosome cohesion and chromosome segregation in mitosis. We propose that insertion of ATHILA silences centromeric transcription, while simultaneously making centromere function dependent on retrotransposon small RNAs in the absence of DDM1. Parallels are made with the fission yeast Schizosaccharomyces pombe , where chromosome cohesion depends on RNA interference, and with humans, where chromosome segregation depends on both RNA interference and HELLS DDM1 .

Abstract Modern maize was domesticated from Teosinte parviglumis , with subsequent introgressions from Teosinte mexicana , yielding increased kernel row number, loss of the hard fruit case and dissociation from the cob upon maturity, as well as fewer tillers. Molecular approaches have identified several transcription factors involved in the development of these traits, yet revealed that a complex regulatory network is at play. MaizeCODE deploys ENCODE strategies to catalog regulatory regions in the maize genome, generating histone modification and transcription factor ChIP-seq in parallel with transcriptomics datasets in 5 tissues of 3 inbred lines which span the phenotypic diversity of maize, as well as the teosinte inbred TIL11. Integrated analysis of these datasets resulted in the identification of a comprehensive set of regulatory regions in each inbred, and notably of distal enhancers which were differentiated from gene bodies by their lack of H3K4me1. Many of these distal enhancers expressed non- coding enhancer RNAs bi-directionally, reminiscent of “super enhancers” in animal genomes. We show that pollen grains are the most differentiated tissue at the transcriptomic level, and share features with endosperm that may be related to McClintock’s chromosome breakage- fusion-bridge cycle. Conversely, ears have the least conservation between maize and teosinte, both in gene expression and within regulatory regions, reflecting conspicuous morphological differences selected during domestication. The identification of molecular signatures of domestication in transcriptional regulatory regions provides a framework for directed breeding strategies in maize.

Variation in the presence or absence of transposable elements (TEs) is a major source of genetic variation between individuals. Here, we identified 23,095 TE presence/absence variants between 216 Arabidopsis accessions. Most TE variants were rare, and we find a burden of rare variants associated with local extremes of gene expression and DNA methylation levels within the population. Of the common alleles identified, two thirds were not in linkage disequilibrium with nearby SNPs, implicating these variants as a source of novel genetic diversity. Nearly 200 common TE variants were associated with significantly altered expression of nearby genes, and a major fraction of inter-accession DNA methylation differences were associated with nearby TE insertions. Overall, this demonstrates that TE variants are a rich source of genetic diversity that likely plays an important role in facilitating epigenomic and transcriptional differences between individuals, and indicates a strong genetic basis for epigenetic variation.

In plants, cytosine DNA methylation (mC) is largely associated with transcriptional repression of transposable elements, but it can also be found in the body of expressed genes, referred to as gene body methylation (GbM). GbM is correlated with ubiquitously expressed genes, however its function, or absence thereof, is highly debated. The different output that mC can have raises questions as to how it is interpreted - or read - differently in these sequence and genomic contexts. To screen for potential mC binding proteins, we performed an unbiased DNA affinity pull-down assay combined with quantitative mass spectrometry using methylated DNA probes for each DNA sequence context. All mC readers known to date were found to preferentially bind to the methylated probes, along with a range of new mC binding protein candidates. Functional characterization of these mC readers, focused on the MBD and SUVH families, was undertaken by ChIP-seq mapping of genome-wide binding sites, their protein interactors, and the impact of high-order mutations on transcriptomic and epigenomic profiles. Together, this highlighted specific context preferences for these proteins, and in particular the ability of MBD2 to bind specifically to GbM. This comprehensive analysis of Arabidopsis mC readers emphasizes the complexity and interconnectivity between DNA methylation and chromatin remodelling processes in plants.

Protein homeostasis in eukaryotic organelles and their progenitor prokaryotes is regulated by a series of proteases including the caseinolytic protease (CLPP). CLPP has essential roles in chloroplast biogenesis and maintenance, but the significance of the plant mitochondrial CLPP remains unknown and factors that aid coordination of nuclear and mitochondrial encoded subunits for complex assembly in mitochondria await discovery. We generated knock-out lines of the single gene for the mitochondrial CLP protease subunit, CLPP2, in Arabidopsis thaliana. Mutants had higher abundance of transcripts from mitochondrial genes encoding OXPHOS protein complexes, while transcripts for nuclear genes encoding other subunits of the same complexes showed no change in abundance. In contrast, the protein abundance of specific nuclear-encoded subunits in OXPHOS complexes I and V increased in CLPP2 knockouts, without accumulation of mitochondrial-encoded counterparts in the same complex. Protein complexes mainly or entirely encoded in the nucleus were unaffected. Analysis of protein import, assembly and function of Complex I revealed that while function was retained, protein homeostasis was disrupted through decreased assembly, leading to accumulation of soluble subcomplexes of nuclear-encoded subunits. Therefore, CLPP2 contributes to the mitochondrial protein degradation network through supporting coordination and assembly of protein complexes encoded across mitochondrial and nuclear genomes.

Abstract Retrotransposons have invaded eukaryotic centromeres in cycles of repeat expansion and purging, but the function of centromeric retrotransposons, if any, has remained unclear. In Arabidopsis , centromeric ATHILA retrotransposons give rise to epigenetically activated short interfering RNAs (easiRNAs) in mutants in DECREASE IN DNA METHYLATION1 (DDM1) , which promote histone H3 lysine-9 di-methylation (H3K9me2). Here, we show that mutants which lose both DDM1 and RNA dependent RNA polymerase (RdRP) have pleiotropic developmental defects and mis-segregation of chromosome 5 during mitosis. Fertility defects are epigenetically inherited with the centromeric region of chromosome 5, and can be rescued by directing artificial small RNAs to a single family of ATHILA5 retrotransposons specifically embedded within this centromeric region. easiRNAs and H3K9me2 promote pericentromeric condensation, chromosome cohesion and proper chromosome segregation in mitosis. Insertion of ATHILA silences transcription, while simultaneously making centromere function dependent on retrotransposon small RNAs, promoting the selfish survival and spread of centromeric retrotransposons. Parallels are made with the fission yeast S. pombe , where chromosome segregation depends on RNAi, and with humans, where chromosome segregation depends on both RNAi and HELLS DDM1 .

1. Abstract The regulation of DNA accessibility by histone modification has emerged as a paradigm of developmental and environmental programming. Chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP-seq) is a versatile tool widely used to investigate in vivo protein-DNA interaction. The technique has been successfully demonstrated in several plant species and tissues; however, it has remained challenging in woody tissues. Here we developed a ChIP method specifically for mature dormant grapevine buds ( Vitis vinifera cv. Cabernet Sauvignon). Each step of the protocol was systematically optimised, including crosslinking, chromatin extraction, sonication, and antibody validation. Analysis of histone H3-enriched DNA was performed to evaluate the success of the protocol and identify occupancy of histone H3 along grapevine bud chromatin. To our best knowledge, this is the first ChIP experiment protocol optimised for grapevine bud system.

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.

In plants, cytosine DNA methylation (mC) is largely associated with transcriptional repression of transposable elements, but it can also be found in the body of expressed genes, referred to as gene body methylation (gbM). gbM is correlated with ubiquitously expressed genes; however, its function, or absence thereof, is highly debated. The different outputs that mC can have raise questions as to how it is interpreted—or read—differently in these sequence and genomic contexts. To screen for potential mC-binding proteins, we performed an unbiased DNA affinity pull-down assay combined with quantitative mass spectrometry using methylated DNA probes for each DNA sequence context. All mC readers known to date preferentially bind to the methylated probes, along with a range of new mC-binding protein candidates. Functional characterization of these mC readers, focused on the MBD and SUVH families, was undertaken by ChIP-seq mapping of genome-wide binding sites, their protein interactors, and the impact of high-order mutations on transcriptomic and epigenomic profiles. Together, these results highlight specific context preferences for these proteins, and in particular the ability of MBD2 to bind predominantly to gbM. This comprehensive analysis of Arabidopsis mC readers emphasizes the complexity and interconnectivity between DNA methylation and chromatin remodeling processes in plants.

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.