Abstract Xylella fastidiosa is a bacterium that infects crops like grapevines, coffee, almonds, citrus and olives, causing economically devastating damage. There is, however, little understanding of the genes that contribute to resistance, the genomic architecture of resistance, and the potential role of climate in shaping resistance, in part because major crops like grapevines ( V. vinifera ) are not resistant to the bacterium. Here we studied a wild grapevine species, Vitis arizonica , that segregates for resistance to X. fastidiosa . Using genome-wide association, we identified candidate genes that mediate the host response to X. fastidiosa infection. We uncovered evidence that resistance requires genes from multiple genomic regions, based on data from breeding populations and from additional Vitis species. We also inferred that resistance evolved more than once in the wild, suggesting that wild Vitis species may be a rich source for resistance alleles and mechanisms. Finally, resistance in V. arizonica was climate dependent, because individuals from low (< 10°C) temperature locations in the wettest quarter were typically susceptible to infection, likely reflecting a lack of pathogen pressure in these climates. Surprisingly, climate was nearly as effective a predictor of resistance phenotypes as some genetic markers. This work underscores that pathogen pressure is likely to increase with climate, but it also provides genetic insight and tools for breeding and transforming resistant crops.

ABSTRACT Introgressive hybridization can introduce adaptive genetic variation into a species or population. To evaluate the evolutionary forces that contribute to introgression, we studied six Vitis species that are native to the Southwestern United States and potentially useful for breeding grapevine ( V. vinifera ) rootstocks. By creating a reference genome from one wild species, V. arizonica , and by resequencing 130 accessions, we focused on identifying putatively introgressed regions (pIRs) between species. We found that up to ~8% of extant genome is attributable to introgression between species. The pIRs tended to be gene poor, located in regions of high recombination and enriched for genes implicated in disease resistance functions. To assess potential pIR function, we explored SNP associations to bioclimatic variables and to bacterial levels after infection with the causative agent of Pierce’s Disease. pIRs were enriched for SNPs associated with both climate and bacterial levels, suggesting potential drivers of adaptive events. Altogether, this study yields insights into the genomic extent of introgression, potential pressures that shape adaptive introgression, and the history of economically important wild relatives of a critical crop.

Structural variants (SVs) are a largely unstudied feature of plant genome evolution, despite the fact that SVs contribute substantially to phenotypes. In this study, we discovered structural variants (SVs) across a population sample of 358 high-coverage, resequenced genomes of Asian rice (Oryza sativa) and its wild ancestor (O. rufipogon). In addition to this short-read dataset, we also inferred SVs from whole-genome assemblies and long-read data. Comparisons among datasets revealed different features of genome variability. For example, genome alignment identified a large (~4.3 Mb) inversion in indica rice varieties relative to an outgroup, and long-read analyses suggest that ~9% of genes from this outgroup are hemizygous. We focused, however, on the resequencing sample to investigate the population genomics of SVs. Clustering analyses with SVs recapitulated the rice cultivar groups that were also inferred from SNPs. However, the site-frequency spectrum of each SV type -- which included inversions, duplications, deletions, translocations and mobile element insertions -- was skewed toward lower frequency variants than synonymous SNPs, suggesting that SVs are predominantly deleterious. The strength of these deleterious effects varied among SV types, with inversions especially deleterious, and across transposable element (TE) families. Among TEs SINE and mariner insertions were especially deleterious, due to stronger selection against their insertions. We also used SVs to study domestication by contrasting between rice and O. rufipogon. Cultivated genomes contained ~25% more derived SVs than O. rufipogon, suggesting these deleterious SVs contribute to the cost of domestication. We also used SVs to study the effects of positive selection on the rice genome. Generally, the search for domestication genes were enriched for known candidates, suggesting some utility for SVs towards this purpose. More importantly, we detected hundreds to thousands of genes gained and lost during domestication, many of which are predicted to contribute to traits of agronomic interest.

Sex determination in grapevine evolved through a complex succession of switches in sexual systems. Phased genomes built with single molecule real-time sequencing reads were assembled for eleven accessions of cultivated hermaphrodite grapevines and dioecious males and females, including the ancestor of domesticated grapevine and other related wild species. By comparing the phased sex haplotypes, we defined the sex locus of the Vitis genus and identified polymorphisms spanning regulatory and coding sequences that are in perfect association with each sex-type throughout the genus. These findings identified a novel male-fertility candidate gene, INP1, and significantly refined the model of sex determination in Vitis and its evolution.

Plant transposable elements (TEs) regularly capture fragments of genes. When the host silences these TEs, siRNAs homologous to the captured regions may also target the genes. This epigenetic cross-talk establishes an intragenomic conflict: silencing the TEs has the cost of silencing the genes. If genes are important, however, natural selection may maintain function by moderating the silencing response, which may also advantage the TEs. Here, we examined this model by focusing on three TE families in maize: Helitrons, Pack-MULEs and Sirevirus LTR retrotransposons. We documented 1,263 TEs containing exon fragments from 1,629 donor genes. Consistent with epigenetic conflict, donor genes mapped more siRNAs and were more methylated than genes with no evidence of capture. However, these patterns differed between syntelog vs. translocated donor genes. Syntelogs appeared to maintain function, as measured by gene expression, consistent with moderation of silencing for functionally important genes. Epigenetic marks did not spread beyond their captured regions and 24nt cross-talk siRNAs were linked with CHH methylation. Translocated genes, in contrast, bore the signature of silencing by being highly methylated and less expressed. They were also overrepresented among donor genes, suggesting a link between capture and gene movement. The evidence for an advantage to TEs was less obvious. TEs with captured fragments were older, mapped fewer siRNAs and were slightly less methylated than TEs without captured fragments but showed no evidence of increased copy numbers. Altogether, our results demonstrate that TE capture triggers an epigenetic conflict for important genes, but it may lead to pseudogenization for less constrained genes.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

ABSTRACT Evolution can be contingent on history, but we do not yet have a clear understanding of the processes and dynamics that govern contingency. Here we performed the second phase of a two-phase evolution experiment to investigate features of contingency. The first phase of the experiment was based on Escherichia coli clones that had evolved population at the stressful temperature of 42.2°C. The Phase 1 lines generally evolved through two adaptive pathways: mutations of rpoB , which encodes the beta subunit of RNA polymerase, or through rho , a transcriptional terminator. We hypothesized that epistatic interactions within the two pathways constrained their future adaptative potential, thus affecting patterns of historical contingency. Using 10 different E. coli Founders representing both adaptive pathways, we performed a second phase of evolution at 19.0°C to investigate how prior genetic divergence or adaptive history ( rpoB vs. rho ) may affect the likelihood of parallel responses and evolutionary outcomes. We found that phenotype, as measured by relative fitness, was contingent on founder genotypes and pathways. This finding extended to genotypes, because E. coli from different Phase 1 histories evolved by adaptive mutations in distinct sets of genes. Our results suggest that evolution depends critically on genetic history, likely due to idiosyncratic epistatic interactions within and between evolutionary modules.

A subset of genes in plant genomes are labeled with DNA methylation specifically at CG residues. These genes, known as gene-body methylated (gbM), have a number of associated characteristics. They tend to have longer sequences, to be enriched for intermediate expression levels, and to be associated with slower rates of molecular evolution. Most importantly, gbM genes tend to maintain their level of DNA methylation between species, suggesting that this trait is under evolutionary constraint. Given the degree of conservation in gbM, we still know surprisingly little about its function in plant genomes or whether gbM is itself a target of selection. To address these questions, we surveyed DNA methylation across eight grass (Poaceae) species that span a gradient of genome sizes. We first established that genome size correlates with genome-wide DNA methylation levels, but less so for genic levels. We then leveraged genomic data to identify a set of 2,982 putative orthologs among the eight species and examined shifts of methylation status for each ortholog in a phylogenetic context. A total of 55% of orthologs exhibited a shift in gbM, but these shifts occurred predominantly on terminal branches, indicating that shifts in gbM are rarely conveyed over time. Finally, we found that the degree of conservation of gbM across species is associated with increased gene length, reduced rates of molecular evolution, and increased gene expression level, but reduced gene expression variation across species. Overall, these observations suggest a basis for evolutionary pressure to maintain gbM status over evolutionary time.

The advent of high-throughput sequencing (HTS) has revolutionized the way in which epigenetic research is conducted. Often coupled with the availability of fully sequenced genomes, millions of small RNA (sRNA) reads are mapped to regions of interest and the results scrutinized for clues about epigenetic mechanisms. However, this approach requires careful consideration in regards to experimental design, especially when one investigates repetitive parts of genomes such as transposable elements (TEs), and especially when such genomes are large as is often the case in plants. Here, to shed light on the challenges of mapping sRNAs to TEs, we focus on the 2,300Mb maize genome, of which >85% is derived from TEs. We compare various methodological strategies that are commonly employed in TE studies. These include choices for the reference dataset, the normalization of multiple mapping sRNAs, and the selection among different types of sRNA metrics. We further examine how these choices influence the relationship between sRNAs and the critical feature of TE age, and explore and contrast their effect on low copy regions (exons) and other popular HTS data (RNA-seq). Finally, based on our analysis, we share a series of take-home messages to help guide TE epigenetic studies specifically, but our conclusions may also apply to any work that involves mapping and analysis of HTS data.

Many SNPs are predicted to encode deleterious amino acid variants. These slightly deleterious mutations can provide unique insights into population history, the dynamics of selection, and the genetic bases of phenotypes. This is especially true for domesticated species, where a history of bottlenecks and selection may affect the frequency of deleterious variants and signal a cost of domestication. Here we investigated the numbers and frequencies of deleterious variants in Asian rice (O. sativa), focusing on two varieties (japonica and indica) and their wild relative (O. rufipogon). We investigated three signals of a potential cost of domestication in Asian rice relative to O. rufipogon: an increase in the frequency of deleterious SNPs (dSNPs), an enrichment of dSNPs compared to synonymous SNPs (sSNPs), and an increased number of deleterious variants. We found evidence for all three signals, and domesticated individuals contained ~3-4% more deleterious alleles than wild individuals. Deleterious variants were enriched within low recombination regions of the genome and experienced frequency increases similar to sSNPs within regions of putative selective sweeps. A characteristic feature of rice domestication was a shift in mating system from outcrossing to predominantly selfing. Forward simulations suggest that this shift in mating system may have been the dominant factor in shaping both deleterious and neutral diversity in rice.

ABSTRACT RNA molecules carry information in their primary sequence and also their secondary structure. Secondary structure can confer important functional information, but it is also a potential signal for an RNAi-like host epigenetic response mediated by small interfering RNAs (siRNAs). In this study, we predicted local secondary structures in features of the maize genome, focusing on small regions that had folding energies similar to pre-miRNA loci. We found secondary structures to be common in retrotransposons, in Helitrons , and in genes. These structured regions mapped higher diversities of siRNAs than regions without structure, explaining up to 24% of variation of the siRNA distribution across some TE types. Among genes, those with secondary structure were 1.5-fold more highly expressed, on average, than genes without secondary structure. However, these genes were also more variably expressed across the 26 NAM lines, and this variability correlated with the number of mapping siRNAs. We conclude that local stem-loop structures are a nearly ubiquitous feature of expressed regions of the maize genome, that they correlate with higher siRNA mapping, and that they can represent a trade-off between functional need and the potentially negative consequences of siRNA production.