Plant microRNAs (miRNAs) affect only a small number of targets with high sequence complementarity, while animal miRNAs usually have hundreds of targets with limited complementarity. We used artificial miRNAs (amiRNAs) to determine whether the narrow action spectrum of natural plant miRNAs reflects only intrinsic properties of the plant miRNA machinery or whether it is also due to past selection against natural miRNAs with broader specificity. amiRNAs were designed to target individual genes or groups of endogenous genes. Like natural miRNAs, they had varying numbers of target mismatches. Previously determined parameters of target selection for natural miRNAs could accurately predict direct targets of amiRNAs. The specificity of amiRNAs, as deduced from genome-wide expression profiling, was as high as that of natural plant miRNAs, supporting the notion that extensive base pairing with targets is required for plant miRNA function. amiRNAs make an effective tool for specific gene silencing in plants, especially when several related, but not identical, target genes need to be downregulated. We demonstrate that amiRNAs are also active when expressed under tissue-specific or inducible promoters, with limited nonautonomous effects. The design principles for amiRNAs have been generalized and integrated into a Web-based tool (http://wmd.weigelworld.org).

To take complete advantage of information on within-species polymorphism and divergence from close relatives, one needs to know the rate and the molecular spectrum of spontaneous mutations. To this end, we have searched for de novo spontaneous mutations in the complete nuclear genomes of five Arabidopsis thaliana mutation accumulation lines that had been maintained by single-seed descent for 30 generations. We identified and validated 99 base substitutions and 17 small and large insertions and deletions. Our results imply a spontaneous mutation rate of 7 x 10(-9) base substitutions per site per generation, the majority of which are G:C-->A:T transitions. We explain this very biased spectrum of base substitution mutations as a result of two main processes: deamination of methylated cytosines and ultraviolet light-induced mutagenesis.

Detlef Weigel and colleagues report results from the first phase of the Arabidopsis 1001 Genomes Project, based on short-read sequencing of 80 geographically diverse strains. This collection of strains has been made available to the scientific community, and the authors show that the identified polymorphisms in these strains can be useful for imputation and genome-wide association studies. The plant Arabidopsis thaliana occurs naturally in many different habitats throughout Eurasia. As a foundation for identifying genetic variation contributing to adaptation to diverse environments, a 1001 Genomes Project to sequence geographically diverse A. thaliana strains has been initiated. Here we present the first phase of this project, based on population-scale sequencing of 80 strains drawn from eight regions throughout the species' native range. We describe the majority of common small-scale polymorphisms as well as many larger insertions and deletions in the A. thaliana pan-genome, their effects on gene function, and the patterns of local and global linkage among these variants. The action of processes other than spontaneous mutation is identified by comparing the spectrum of mutations that have accumulated since A. thaliana diverged from its closest relative 10 million years ago with the spectrum observed in the laboratory. Recent species-wide selective sweeps are rare, and potentially deleterious mutations are more common in marginal populations.

Detlef Weigel and colleagues report the genome sequence of Arabidopsis lyrata. In comparison with the much smaller genome of A. thaliana, from which A. lyrata diverged about 10 million years ago, they find that the reduction in genome size is attributed to a large number of deletions across the genome. We report the 207-Mb genome sequence of the North American Arabidopsis lyrata strain MN47 based on 8.3× dideoxy sequence coverage. We predict 32,670 genes in this outcrossing species compared to the 27,025 genes in the selfing species Arabidopsis thaliana. The much smaller 125-Mb genome of A. thaliana, which diverged from A. lyrata 10 million years ago, likely constitutes the derived state for the family. We found evidence for DNA loss from large-scale rearrangements, but most of the difference in genome size can be attributed to hundreds of thousands of small deletions, mostly in noncoding DNA and transposons. Analysis of deletions and insertions still segregating in A. thaliana indicates that the process of DNA loss is ongoing, suggesting pervasive selection for a smaller genome. The high-quality reference genome sequence for A. lyrata will be an important resource for functional, evolutionary and ecological studies in the genus Arabidopsis.

The genomes of individuals from the same species vary in sequence as a result of different evolutionary processes. To examine the patterns of, and the forces shaping, sequence variation in Arabidopsis thaliana , we performed high-density array resequencing of 20 diverse strains (accessions). More than 1 million nonredundant single-nucleotide polymorphisms (SNPs) were identified at moderate false discovery rates (FDRs), and ∼4% of the genome was identified as being highly dissimilar or deleted relative to the reference genome sequence. Patterns of polymorphism are highly nonrandom among gene families, with genes mediating interaction with the biotic environment having exceptional polymorphism levels. At the chromosomal scale, regional variation in polymorphism was readily apparent. A scan for recent selective sweeps revealed several candidate regions, including a notable example in which almost all variation was removed in a 500-kilobase window. Analyzing the polymorphisms we describe in larger sets of accessions will enable a detailed understanding of forces shaping population-wide sequence variation in A. thaliana .

Abstract A key mutational process in cancer is structural variation, in which rearrangements delete, amplify or reorder genomic segments that range in size from kilobases to whole chromosomes 1–7 . Here we develop methods to group, classify and describe somatic structural variants, using data from the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA), which aggregated whole-genome sequencing data from 2,658 cancers across 38 tumour types 8 . Sixteen signatures of structural variation emerged. Deletions have a multimodal size distribution, assort unevenly across tumour types and patients, are enriched in late-replicating regions and correlate with inversions. Tandem duplications also have a multimodal size distribution, but are enriched in early-replicating regions—as are unbalanced translocations. Replication-based mechanisms of rearrangement generate varied chromosomal structures with low-level copy-number gains and frequent inverted rearrangements. One prominent structure consists of 2–7 templates copied from distinct regions of the genome strung together within one locus. Such cycles of templated insertions correlate with tandem duplications, and—in liver cancer—frequently activate the telomerase gene TERT . A wide variety of rearrangement processes are active in cancer, which generate complex configurations of the genome upon which selection can act.

Abstract Chromothripsis is a mutational phenomenon characterized by massive, clustered genomic rearrangements that occurs in cancer and other diseases. Recent studies in selected cancer types have suggested that chromothripsis may be more common than initially inferred from low-resolution copy-number data. Here, as part of the Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG) Consortium of the International Cancer Genome Consortium (ICGC) and The Cancer Genome Atlas (TCGA), we analyze patterns of chromothripsis across 2,658 tumors from 38 cancer types using whole-genome sequencing data. We find that chromothripsis events are pervasive across cancers, with a frequency of more than 50% in several cancer types. Whereas canonical chromothripsis profiles display oscillations between two copy-number states, a considerable fraction of events involve multiple chromosomes and additional structural alterations. In addition to non-homologous end joining, we detect signatures of replication-associated processes and templated insertions. Chromothripsis contributes to oncogene amplification and to inactivation of genes such as mismatch-repair-related genes. These findings show that chromothripsis is a major process that drives genome evolution in human cancer.

Abstract Fast and reliable detection of patients with severe and heterogeneous illnesses is a major goal of precision medicine 1,2 . Patients with leukaemia can be identified using machine learning on the basis of their blood transcriptomes 3 . However, there is an increasing divide between what is technically possible and what is allowed, because of privacy legislation 4,5 . Here, to facilitate the integration of any medical data from any data owner worldwide without violating privacy laws, we introduce Swarm Learning—a decentralized machine-learning approach that unites edge computing, blockchain-based peer-to-peer networking and coordination while maintaining confidentiality without the need for a central coordinator, thereby going beyond federated learning. To illustrate the feasibility of using Swarm Learning to develop disease classifiers using distributed data, we chose four use cases of heterogeneous diseases (COVID-19, tuberculosis, leukaemia and lung pathologies). With more than 16,400 blood transcriptomes derived from 127 clinical studies with non-uniform distributions of cases and controls and substantial study biases, as well as more than 95,000 chest X-ray images, we show that Swarm Learning classifiers outperform those developed at individual sites. In addition, Swarm Learning completely fulfils local confidentiality regulations by design. We believe that this approach will notably accelerate the introduction of precision medicine.

Whole-genome hybridization studies have suggested that the nuclear genomes of accessions (natural strains) of Arabidopsis thaliana can differ by several percent of their sequence. To examine this variation, and as a first step in the 1001 Genomes Project for this species, we produced 15- to 25-fold coverage in Illumina sequencing-by-synthesis (SBS) reads for the reference accession, Col-0, and two divergent strains, Bur-0 and Tsu-1. We aligned reads to the reference genome sequence to assess data quality metrics and to detect polymorphisms. Alignments revealed 823,325 unique single nucleotide polymorphisms (SNPs) and 79,961 unique 1- to 3-bp indels in the divergent accessions at a specificity of >99%, and over 2000 potential errors in the reference genome sequence. We also identified >3.4 Mb of the Bur-0 and Tsu-1 genomes as being either extremely dissimilar, deleted, or duplicated relative to the reference genome. To obtain sequences for these regions, we incorporated the Velvet assembler into a targeted de novo assembly method. This approach yielded 10,921 high-confidence contigs that were anchored to flanking sequences and harbored indels as large as 641 bp. Our methods are broadly applicable for polymorphism discovery in moderate to large genomes even at highly diverged loci, and we established by subsampling the Illumina SBS coverage depth required to inform a broad range of functional and evolutionary studies. Our pipeline for aligning reads and predicting SNPs and indels, SHORE, is available for download at http://1001genomes.org .