An improved reference genome for maize, using single-molecule sequencing and high-resolution optical mapping, enables characterization of structural variation and repetitive regions, and identifies lineage expansions of transposable elements that are unique to maize. The maize genome was initially reported in 2009 but with some accuracy limitations. Doreen Ware and colleagues report a new reference genome for maize using single-molecule sequencing and high-resolution optical mapping. The technique shows improvements in the gene space including resolution of gaps and misassemblies and correction of order and orientation of genes. The authors characterize structural variation and repetitive regions, and identify transposable element lineage expansions unique to maize. Complete and accurate reference genomes and annotations provide fundamental tools for characterization of genetic and functional variation1. These resources facilitate the determination of biological processes and support translation of research findings into improved and sustainable agricultural technologies. Many reference genomes for crop plants have been generated over the past decade, but these genomes are often fragmented and missing complex repeat regions2. Here we report the assembly and annotation of a reference genome of maize, a genetic and agricultural model species, using single-molecule real-time sequencing and high-resolution optical mapping. Relative to the previous reference genome3, our assembly features a 52-fold increase in contig length and notable improvements in the assembly of intergenic spaces and centromeres. Characterization of the repetitive portion of the genome revealed more than 130,000 intact transposable elements, allowing us to identify transposable element lineage expansions that are unique to maize. Gene annotations were updated using 111,000 full-length transcripts obtained by single-molecule real-time sequencing4. In addition, comparative optical mapping of two other inbred maize lines revealed a prevalence of deletions in regions of low gene density and maize lineage-specific genes.

Jeff Ross-Ibarra and colleagues report a population genomic analysis of maize evolution. They analyze genome-wide evidence for selection during the initial domestication of wild maize and during the improvement of landraces to modern inbred breeds. Their findings suggest stronger selection during domestication compared to improvement. Domestication and plant breeding are ongoing 10,000-year-old evolutionary experiments that have radically altered wild species to meet human needs. Maize has undergone a particularly striking transformation. Researchers have sought for decades to identify the genes underlying maize evolution1,2, but these efforts have been limited in scope. Here, we report a comprehensive assessment of the evolution of modern maize based on the genome-wide resequencing of 75 wild, landrace and improved maize lines3. We find evidence of recovery of diversity after domestication, likely introgression from wild relatives, and evidence for stronger selection during domestication than improvement. We identify a number of genes with stronger signals of selection than those previously shown to underlie major morphological changes4,5. Finally, through transcriptome-wide analysis of gene expression, we find evidence both consistent with removal of cis-acting variation during maize domestication and improvement and suggestive of modern breeding having increased dominance in expression while targeting highly expressed genes.

Ancient tetraploidies are found throughout the eukaryotes. After duplication, one copy of each duplicate gene pair tends to be lost (fractionate). For all studied tetraploidies, the loss of duplicated genes, known as homeologs, homoeologs, ohnologs, or syntenic paralogs, is uneven between duplicate regions. In maize, a species that experienced a tetraploidy 5-12 million years ago, we show that in addition to uneven ancient gene loss, the two complete genomes contained within maize are differentiated by ongoing fractionation among diverse inbreds as well as by a pattern of overexpression of genes from the genome that has experienced less gene loss. These expression differences are consistent over a range of experiments quantifying RNA abundance in different tissues. We propose that the universal bias in gene loss between the genomes of this ancient tetraploid, and perhaps all tetraploids, is the result of selection against loss of the gene responsible for the majority of total expression for a duplicate gene pair. Although the tetraploidy of maize is ancient, biased gene loss and expression continue today and explain, at least in part, the remarkable genetic diversity found among modern maize cultivars.

Following the domestication of maize over the past approximately 10,000 years, breeders have exploited the extensive genetic diversity of this species to mold its phenotype to meet human needs. The extent of structural variation, including copy number variation (CNV) and presence/absence variation (PAV), which are thought to contribute to the extraordinary phenotypic diversity and plasticity of this important crop, have not been elucidated. Whole-genome, array-based, comparative genomic hybridization (CGH) revealed a level of structural diversity between the inbred lines B73 and Mo17 that is unprecedented among higher eukaryotes. A detailed analysis of altered segments of DNA conservatively estimates that there are several hundred CNV sequences among the two genotypes, as well as several thousand PAV sequences that are present in B73 but not Mo17. Haplotype-specific PAVs contain hundreds of single-copy, expressed genes that may contribute to heterosis and to the extraordinary phenotypic diversity of this important crop.

DNA methylation is an important feature of plant epigenomes, involved in the formation of heterochromatin and affecting gene expression. Extensive variation of DNA methylation patterns within a species has been uncovered from studies of natural variation. However, the extent to which DNA methylation varies between flowering plant species is still unclear. To understand the variation in genomic patterning of DNA methylation across flowering plant species, we compared single base resolution DNA methylomes of 34 diverse angiosperm species.By analyzing whole-genome bisulfite sequencing data in a phylogenetic context, it becomes clear that there is extensive variation throughout angiosperms in gene body DNA methylation, euchromatic silencing of transposons and repeats, as well as silencing of heterochromatic transposons. The Brassicaceae have reduced CHG methylation levels and also reduced or loss of CG gene body methylation. The Poaceae are characterized by a lack or reduction of heterochromatic CHH methylation and enrichment of CHH methylation in genic regions. Furthermore, low levels of CHH methylation are observed in a number of species, especially in clonally propagated species.These results reveal the extent of variation in DNA methylation in angiosperms and show that DNA methylation patterns are broadly a reflection of the evolutionary and life histories of plant species.

Abstract Background Long non-coding RNAs (lncRNAs) are transcripts that are 200 bp or longer, do not encode proteins, and potentially play important roles in eukaryotic gene regulation. However, the number, characteristics and expression inheritance pattern of lncRNAs in maize are still largely unknown. Results By exploiting available public EST databases, maize whole genome sequence annotation and RNA-seq datasets from 30 different experiments, we identified 20,163 putative lncRNAs. Of these lncRNAs, more than 90% are predicted to be the precursors of small RNAs, while 1,704 are considered to be high-confidence lncRNAs. High confidence lncRNAs have an average transcript length of 463 bp and genes encoding them contain fewer exons than annotated genes. By analyzing the expression pattern of these lncRNAs in 13 distinct tissues and 105 maize recombinant inbred lines, we show that more than 50% of the high confidence lncRNAs are expressed in a tissue-specific manner, a result that is supported by epigenetic marks. Intriguingly, the inheritance of lncRNA expression patterns in 105 recombinant inbred lines reveals apparent transgressive segregation, and maize lncRNAs are less affected by cis- than by trans- genetic factors. Conclusions We integrate all available transcriptomic datasets to identify a comprehensive set of maize lncRNAs, provide a unique annotation resource of the maize genome and a genome-wide characterization of maize lncRNAs, and explore the genetic control of their expression using expression quantitative trait locus mapping.

Transposable elements (TEs) account for a large portion of the genome in many eukaryotic species. Despite their reputation as “junk” DNA or genomic parasites deleterious for the host, TEs have complex interactions with host genes and the potential to contribute to regulatory variation in gene expression. It has been hypothesized that TEs and genes they insert near may be transcriptionally activated in response to stress conditions. The maize genome, with many different types of TEs interspersed with genes, provides an ideal system to study the genome-wide influence of TEs on gene regulation. To analyze the magnitude of the TE effect on gene expression response to environmental changes, we profiled gene and TE transcript levels in maize seedlings exposed to a number of abiotic stresses. Many genes exhibit up- or down-regulation in response to these stress conditions. The analysis of TE families inserted within upstream regions of up-regulated genes revealed that between four and nine different TE families are associated with up-regulated gene expression in each of these stress conditions, affecting up to 20% of the genes up-regulated in response to abiotic stress, and as many as 33% of genes that are only expressed in response to stress. Expression of many of these same TE families also responds to the same stress conditions. The analysis of the stress-induced transcripts and proximity of the transposon to the gene suggests that these TEs may provide local enhancer activities that stimulate stress-responsive gene expression. Our data on allelic variation for insertions of several of these TEs show strong correlation between the presence of TE insertions and stress-responsive up-regulation of gene expression. Our findings suggest that TEs provide an important source of allelic regulatory variation in gene response to abiotic stress in maize.

Abstract Background Going from a gene sequence to its function in the context of a whole organism requires a strategy for targeting mutations, referred to as reverse genetics. Reverse genetics is highly desirable in the modern genomics era; however, the most powerful methods are generally restricted to a few model organisms. Previously, we introduced a reverse-genetic strategy with the potential for general applicability to organisms that lack well-developed genetic tools. Our TILLING (Targeting Induced Local Lesions IN Genomes) method uses chemical mutagenesis followed by screening for single-base changes to discover induced mutations that alter protein function. TILLING was shown to be an effective reverse genetic strategy by the establishment of a high-throughput TILLING facility and the delivery of thousands of point mutations in hundreds of Arabidopsis genes to members of the plant biology community. Results We demonstrate that high-throughput TILLING is applicable to maize, an important crop plant with a large genome but with limited reverse-genetic resources currently available. We screened pools of DNA samples for mutations in 1-kb segments from 11 different genes, obtaining 17 independent induced mutations from a population of 750 pollen-mutagenized maize plants. One of the genes targeted was the DMT102 chromomethylase gene, for which we obtained an allelic series of three missense mutations that are predicted to be strongly deleterious. Conclusions Our findings indicate that TILLING is a broadly applicable and efficient reverse-genetic strategy. We are establishing a public TILLING service for maize modeled on the existing Arabidopsis TILLING Project.

Genetic mapping studies on crops suggest that agronomic traits can be controlled by gene–distal intergenic loci. Despite the biological importance and the potential agronomic utility of these loci, they remain virtually uncharacterized in all crop species to date. Here, we provide genetic, epigenomic and functional molecular evidence to support the widespread existence of gene–distal (hereafter, distal) loci that act as long-range transcriptional cis-regulatory elements (CREs) in the maize genome. Such loci are enriched for euchromatic features that suggest their regulatory functions. Chromatin loops link together putative CREs with genes and recapitulate genetic interactions. Putative CREs also display elevated transcriptional enhancer activities, as measured by self-transcribing active regulatory region sequencing. These results provide functional support for the widespread existence of CREs that act over large genomic distances to control gene expression. Long-range cis-regulatory elements play important roles in regulating agronomic traits, but they are largely uncharacterized in crops. This study provides genetic, epigenomic and functional molecular evidence to support their widespread existence in the maize genome.