Barley (Hordeum vulgare L.) is among the world’s earliest domesticated and most important crop plants. It is diploid with a large haploid genome of 5.1 gigabases (Gb). Here we present an integrated and ordered physical, genetic and functional sequence resource that describes the barley gene-space in a structured whole-genome context. We developed a physical map of 4.98 Gb, with more than 3.90 Gb anchored to a high-resolution genetic map. Projecting a deep whole-genome shotgun assembly, complementary DNA and deep RNA sequence data onto this framework supports 79,379 transcript clusters, including 26,159 ‘high-confidence’ genes with homology support from other plant genomes. Abundant alternative splicing, premature termination codons and novel transcriptionally active regions suggest that post-transcriptional processing forms an important regulatory layer. Survey sequences from diverse accessions reveal a landscape of extensive single-nucleotide variation. Our data provide a platform for both genome-assisted research and enabling contemporary crop improvement. An integrated high-resolution genetic, physical and shotgun sequence assembly of the barley genome, one of the earliest domesticated and most important crops, is described; it will provide a platform for genome-assisted research and future crop improvement. Two groups in this issue report the compilation and analysis of the genome sequences of major cereal crops — bread wheat and barley — providing important resources for future crop improvement. Bread wheat accounts for one-fifth of the calories consumed by humankind. It has a very large and complex hexaploid genome of 17 Gigabases. Michael Bevan and colleagues have analysed the genome using 454 pyrosequencing and compared it with diploid ancestral and progenitor genomes. The authors discovered significant loss of gene family members upon polyploidization and domestication, and expansion of gene classes that may be associated with crop productivity. Barley is one of the earliest domesticated plant crops. Although diploid, it has a very large genome of 5.1 Gigabases. Nils Stein and colleagues describe a physical map anchored to a high-resolution genetic map, on top of which they have overlaid a deep whole-genome shotgun assembly, cDNA and RNA-seq data to provide the first in-depth genome-wide survey of the barley genome.

Alternative splicing (AS) is a key regulatory mechanism that contributes to transcriptome and proteome diversity. As very few genome-wide studies analyzing AS in plants are available, we have performed high-throughput sequencing of a normalized cDNA library which resulted in a high coverage transcriptome map of Arabidopsis . We detect ∼150,000 splice junctions derived mostly from typical plant introns, including an eightfold increase in the number of U12 introns (2069). Around 61% of multiexonic genes are alternatively spliced under normal growth conditions. Moreover, we provide experimental validation of 540 AS transcripts (from 256 genes coding for important regulatory factors) using high-resolution RT-PCR and Sanger sequencing. Intron retention (IR) is the most frequent AS event (∼40%), but many IRs have relatively low read coverage and are less well-represented in assembled transcripts. Additionally, ∼51% of Arabidopsis genes produce AS transcripts which do not involve IR. Therefore, the significance of IR in generating transcript diversity was generally overestimated in previous assessments. IR analysis allowed the identification of a large set of cryptic introns inside annotated coding exons. Importantly, a significant fraction of these cryptic introns are spliced out in frame, indicating a role in protein diversity. Furthermore, we show extensive AS coupled to nonsense-mediated decay in AFC2 , encoding a highly conserved LAMMER kinase which phosphorylates splicing factors, thus establishing a complex loop in AS regulation. We provide the most comprehensive analysis of AS to date which will serve as a valuable resource for the plant community to study transcriptome complexity and gene regulation.

Alternative splicing (AS) coupled to nonsense-mediated decay (NMD) is a post-transcriptional mechanism for regulating gene expression. We have used a high-resolution AS RT–PCR panel to identify endogenous AS isoforms which increase in abundance when NMD is impaired in the Arabidopsis NMD factor mutants, upf1-5 and upf3-1 . Of 270 AS genes (950 transcripts) on the panel, 102 transcripts from 97 genes (32%) were identified as NMD targets. Extrapolating from these data around 13% of intron-containing genes in the Arabidopsis genome are potentially regulated by AS/NMD. This cohort of naturally occurring NMD-sensitive AS transcripts also allowed the analysis of the signals for NMD in plants. We show the importance of AS in introns in 5′ or 3′UTRs in modulating NMD-sensitivity of mRNA transcripts. In particular, we identified upstream open reading frames overlapping the main start codon as a new trigger for NMD in plants and determined that NMD is induced if 3′-UTRs were >350 nt. Unexpectedly, although many intron retention transcripts possess NMD features, they are not sensitive to NMD. Finally, we have shown that AS/NMD regulates the abundance of transcripts of many genes important for plant development and adaptation including transcription factors, RNA processing factors and stress response genes.

Alternative splicing plays crucial roles by influencing the diversity of the transcriptome and proteome and regulating protein structure/function and gene expression. It is widespread in plants, and alteration of the levels of splicing factors leads to a wide variety of growth and developmental phenotypes. The circadian clock is a complex piece of cellular machinery that can regulate physiology and behavior to anticipate predictable environmental changes on a revolving planet. We have performed a system-wide analysis of alternative splicing in clock components in Arabidopsis thaliana plants acclimated to different steady state temperatures or undergoing temperature transitions. This revealed extensive alternative splicing in clock genes and dynamic changes in alternatively spliced transcripts. Several of these changes, notably those affecting the circadian clock genes late elongated hypocotyl (LHY) and pseudo response regulator7, are temperature-dependent and contribute markedly to functionally important changes in clock gene expression in temperature transitions by producing nonfunctional transcripts and/or inducing nonsense-mediated decay. Temperature effects on alternative splicing contribute to a decline in LHY transcript abundance on cooling, but LHY promoter strength is not affected. We propose that temperature-associated alternative splicing is an additional mechanism involved in the operation and regulation of the plant circadian clock.

Various biological processes are driven by the day/night cycle to occur at a certain time of day. One way the circadian system exerts these effects is through post-transcriptional regulation. Sanchez et al. show that PRMT5, a protein that transfers methyl groups onto subunits of the spliceosome — the complex that cuts non-protein-coding stretches from pre-RNA — is regulated by the light/dark cycle. This affects alternative splicing of some genes, making them subject to circadian control. This work shows one way by which the environment alters gene expression. Various biological processes are entrained by the day–night cycle to occur at a specific time of day. One way the circadian system exerts these effects is through post-transcriptional regulation. These authors show that a protein that transfers methyl groups onto several spliceosome subunits, PRMT5, is regulated by the light–dark cycle. Methylation of these subunits affects alternative splicing of some genes, thus making them subject to circadian control. Circadian rhythms allow organisms to time biological processes to the most appropriate phases of the day–night cycle1. Post-transcriptional regulation is emerging as an important component of circadian networks2,3,4,5,6, but the molecular mechanisms linking the circadian clock to the control of RNA processing are largely unknown. Here we show that PROTEIN ARGININE METHYL TRANSFERASE 5 (PRMT5), which transfers methyl groups to arginine residues present in histones7 and Sm spliceosomal proteins8,9, links the circadian clock to the control of alternative splicing in plants. Mutations in PRMT5 impair several circadian rhythms in Arabidopsis thaliana and this phenotype is caused, at least in part, by a strong alteration in alternative splicing of the core-clock gene PSEUDO RESPONSE REGULATOR 9 (PRR9). Furthermore, genome-wide studies show that PRMT5 contributes to the regulation of many pre-messenger-RNA splicing events, probably by modulating 5′-splice-site recognition. PRMT5 expression shows daily and circadian oscillations, and this contributes to the mediation of the circadian regulation of expression and alternative splicing of a subset of genes. Circadian rhythms in locomotor activity are also disrupted in dart5-1, a mutant affected in the Drosophila melanogaster PRMT5 homologue, and this is associated with alterations in splicing of the core-clock gene period and several clock-associated genes. Our results demonstrate a key role for PRMT5 in the regulation of alternative splicing and indicate that the interplay between the circadian clock and the regulation of alternative splicing by PRMT5 constitutes a common mechanism that helps organisms to synchronize physiological processes with daily changes in environmental conditions.

Abstract RNA-seq analysis of gene expression and alternative splicing should be routine and robust but is often a bottleneck for biologists because of reliance on specialized bioinformatics skills. Thus, we have developed “ 3D RNA-seq ”, an R shiny App and web based service which provides an easy-to-use, flexible and powerful tool for three-component analysis of RNA-seq data: Differential Expression, Differential Alternative Splicing and Differential Transcript Usage. 3D RNA-seq integrates state-of-the-art, highly rated differential expression analysis tools and adopts best practice for RNA-seq analysis. It operates through a user-friendly graphical interface, can handle complex experimental designs, allows setting of statistical parameters, tracks results through graphics and tables, and generates figures and a comprehensive report that will guarantee reproducibility. 3D RNA-seq can be applied to any species and is designed to be run by biologists with no programming skills (or by bioinformaticians) allowing lab scientists to perform rapid and accurate analysis of RNA-seq data.

ABSTRACT Protein translation programs often select the longest open reading frame (ORF) in a transcript leading to numerous inaccurate and mis-annotated ORFs in databases. Unproductive transcript isoforms containing premature termination codons (PTCs) are potential substrates for nonsense-mediated decay (NMD). These transcripts often contain truncated ORFs but are incorrectly annotated due to selection of a long ORF beginning at an AUG downstream of the PTC despite the transcript containing the authentic translation start AUG. In gene expression and alternative splicing analyses, it is important to identify transcript isoforms which code for different protein variants and to distinguish these from potential NMD substrates. Here, we present TranSuite, a pipeline of bioinformatics tools that address these challenges by performing accurate translations, characterizing alternative ORFs and identifying NMD and other features of transcripts in newly assembled and existing transcriptomes. Directly comparing ORFs defined by TranSuite and TransDecoder for the Arabidopsis transcriptome AtRTD2 identified ORF mis-calling in over 16k (27%) of transcripts by TransDecoder.

ABSTRACT Accurate characterization of splice junctions as well as transcription start and end sites in reference transcriptomes allows precise quantification of transcripts from RNA-seq data and enable detailed investigations of transcriptional and post-transcriptional regulation. Using novel computational methods and a combination of PacBio Iso-seq and Illumina short read sequences from 20 diverse tissues and conditions, we generated a comprehensive and highly resolved barley reference transcript dataset (RTD) from the European 2-row spring barley cultivar Barke (BaRTv2.18). Stringent and thorough filtering was carried out to maintain the quality and accuracy of the splice junctions and transcript start and end sites. BaRTv2.18 shows increased transcript diversity and completeness compared to an earlier version, BaRTv1.0. The accuracy of transcript level quantification, splice junctions and transcript start and end sites has been validated extensively using parallel technologies and analysis, including high resolution RT PCR and 5’ RACE. BaRTv2.18 contains 39,434 genes and 148,260 transcripts, representing the most comprehensive and resolved reference transcriptome in barley to date. It provides an important and high-quality resource for advanced transcriptomic analyses, including both transcriptional and post-transcriptional regulation, with exceptional resolution and precision.

Abstract Background Accurate and comprehensive annotation of transcript sequences is essential for transcript quantification and differential gene and transcript expression analysis. Single molecule long read sequencing technologies provide improved integrity of transcript structures including alternative splicing, and transcription start and polyadenylation sites. However, accuracy is significantly affected by sequencing errors, mRNA degradation or incomplete cDNA synthesis. Results We present a new and comprehensive Arabidopsis thaliana Reference Transcript Dataset 3 (AtRTD3). AtRTD3 contains over 160k transcripts - twice that of the best current Arabidopsis transcriptome and including over 1,500 novel genes. 79% of transcripts are from Iso-seq with accurately defined splice junctions and transcription start and end sites. We developed novel methods to determine splice junctions and transcription start and end sites accurately. Mis- match profiles around splice junctions provided a powerful feature to distinguish correct splice junctions and remove false splice junctions. Stratified approaches identified high confidence transcription start/end sites and removed fragmentary transcripts due to degradation. AtRTD3 is a major improvement over existing transcriptomes as demonstrated by analysis of an Arabidopsis cold response RNA-seq time-series. AtRTD3 provided higher resolution of transcript expression profiling and identified cold- and light-induced differential transcription start and polyadenylation site usage. Conclusions AtRTD3 is the most comprehensive Arabidopsis transcriptome currently available. It improves the precision of differential gene and transcript expression, differential alternative splicing, and transcription start/end site usage from RNA-seq data. The novel methods for identifying accurate splice junctions and transcription start/end sites are widely applicable and will improve single molecule sequencing analysis from any species.

Nonsense mediated RNA decay (NMD) is an evolutionary conserved RNA control mechanism that has also been implicated in the broader regulation of gene expression. Nevertheless, a role for NMD in genome regulation has not been fully assessed, partially because NMD inactivation is lethal in many organisms. Here, we performed in depth comparative analysis of Arabidopsis mutants lacking key proteins involved in different steps of NMD. We observed that UPF3, UPF1, and SMG7 have different impacts on NMD and the Arabidopsis transcriptome, with UPF1 having the biggest effect. Transcriptome assembly using stringent pipeline in UPF1-null plants revealed genome wide changes in alternative splicing, including switches in mRNA variants, suggesting a role for UPF1 in splicing. We further found that UPF1 inactivation leads to translational repression, manifested by a global shift in mRNAs from polysomes to monosomes and a downregulation of genes involved in translation and ribosome biogenesis. Despite this global change, NMD targets and low-expressed mRNAs with short half-lives were enriched in polysomes, indicating that UPF1 specifically suppresses the translation of aberrant RNAs. Particularly striking was an increase in the translation of TIR domain-containing, nucleotide-binding, leucine-rich repeat (TNL) immune receptors. The regulation of TNLs via UPF1/NMD-mediated mRNA stability and translational de-repression offers a dynamic mechanism for the rapid activation of TNLs in response to pathogen attack.