Abstract Drought stress is a key factor limiting plant growth and the colonization of arid habitats by plants. Here, we study the evolution of gene expression response to drought stress in a wild tomato, Solanum chilense naturally occurring around the Atacama Desert in South America. We conduct a transcriptome analysis of plants under standard and drought experimental conditions to understand the evolution of drought-response gene networks. We identify two main regulatory networks corresponding to two typical drought-responsive strategies: cell cycle and fundamental metabolic processes. We estimate the age of the genes in these networks and the age of the gene expression network, revealing that the metabolic network has a younger origin and more variable transcriptome than the cell-cycle network. Combining with analyses of population genetics, we found that a higher proportion of the metabolic network genes show signatures of recent positive selection underlying recent adaptation within S. chilense, while the cell-cycle network appears of ancient origin and is more conserved. For both networks, however, we find that genes showing older age of selective sweeps are the more connected in the network. Adaptation to southern arid habitats over the last 50,000 years occurred in S. chilense by adaptive changes core genes with substantial network rewiring and subsequently by smaller changes at peripheral genes.

Abstract Animal experiments have demonstrated the dependency of CSF clearance function on age and sleep, which partially underlay the cognitive decline in the elderly. However, evidence is lacking in humans mainly due to limited method to assess CSF clearance function. We aimed to image CSF clearance pathways in human brain by dynamic MRI with intrathecal contrast agent as a CSF tracer. We performed T1-weighted and T2-fluid attenuated inversion recovery imaging with equal sequence parameters before and at multiple time points after intrathecal injection of contrast agent to visualize the putative meningeal lymphatic pathway, peri-olfactory nerve pathway and peri-optic nerve pathway. We defined the CSF clearance function as the percentage change in signal unit ratio of critical locations in these pathways from baseline to 39 hours after intrathecal injection. CSF clearance through the putative meningeal lymphatic and peri-neural pathways were clearly visualized in all 85 patients. The CSF clearance function of meningeal lymphatic and peri-neural pathways were reduced with aging (all P < 0.05). The CSF clearance function through peri-olfactory nerve pathway was positive correlated with sleep quality and cognitive function (both P < 0.05). Moreover, the CSF clearance function through peri-olfactory nerve pathway mediated the association of sleep quality with cognitive function (percent change in β [bootstrap 95% confidence interval]: 35% [−0.220, −0.003]). The study shows promise for dynamic MRI with intrathecal injection of contrast agent as a method to assess CSF clearance function through putative peri-neural pathways, and interprets the impaired clearance through putative peri-olfactory nerve pathway may explain the cognitive decline in patients with dyssomnia.

Abstract Background Ducks have a typical avian karyotype that consists of macro- and microchromosomes, but a pair of much less differentiated ZW sex chromosomes compared to chicken. To elucidate the evolution of chromosome architectures between duck and chicken, and between birds and mammals, we produced a nearly complete chromosomal assembly of a female Pekin duck by combining long-read sequencing and multiplatform scaffolding techniques. Results The major improvement of genome assembly and annotation quality resulted from successful resolution of lineage-specific propagated repeats that fragmented the previous Illumina-based assembly. We found that the duck topologically associated domains (TAD) are demarcated by putative binding sites of the insulator protein CTCF, housekeeping genes, or transitions of active/inactive chromatin compartments, indicating the conserved mechanisms of spatial chromosome folding with mammals. There are extensive overlaps of TAD boundaries between duck and chicken, and also between the TAD boundaries and chromosome inversion breakpoints. This suggests strong natural selection on maintaining regulatory domain integrity, or vulnerability of TAD boundaries to DNA double-strand breaks. The duck W chromosome retains 2.5-fold more genes relative to chicken. Similar to the independently evolved human Y chromosome, the duck W evolved massive dispersed palindromic structures, and a pattern of sequence divergence with the Z chromosome that reflects stepwise suppression of homologous recombination. Conclusions Our results provide novel insights into the conserved and convergently evolved chromosome features of birds and mammals, and also importantly add to the genomic resources for poultry studies.

Abstract Copy Number Variations (CNVs) are genomic structural variations constituting genetic diversity and underpinning rapid ecological adaptation. The timing and target genes of adaptation by means of CNVs are yet to be explored at the population level in the tomato clade. Therefore, we characterize the CNV landscape of Solanum chilense , a wild tomato species, using whole-genome data of 35 individuals from seven populations. We identify 212,207 CNVs, including 160,926 deletions and 51,281 duplications. We find CNVs for both intergenic and coding regions, and a higher number of CNVs in recently diverged populations occupying more recently colonized habitats. Population structure analyses based on CNVs and single nucleotide polymorphisms are in agreement, highlighting that the distribution of CNVs is shaped by past demographic and colonization events. Furthermore, we identify 3,539 candidate genes with highly divergent copy number profiles across populations. These genes are functionally associated with response to abiotic stimuli and stress and linked to multiple pathways of flowering time regulation. Gene copy number variation exhibits two evolutionary trends: a contraction with gene loss in central and southern coast populations, and an expansion with gene gain in the southern highland group. Genome-environments association ultimately links the dynamics of gene copy number to six climatic variables and suggests that natural selection has likely shaped patterns of CNV in response to the climatic changes during the southward range expansion of S. chilense . Our findings provide insights into the role of CNVs underlying ecological adaptation to recently colonized habitats.

Although the cost of high-throughput DNA sequencing continues to drop, extensively characterizing a given cell type using assays such as ChIP-seq and DNase-seq is still expensive. As a result, epigenomic characterization of a cell type is typically carried out using a small panel of assay types. Deciding a priori which assays to perform---e.g., a few complementary histone modification ChIP-seq experiments, perhaps an open chromatin assay, plus a few diverse transcription factor assays---is thus a critical step in many studies. Unfortunately, the field currently lacks a principled method for making these choices. We present submodular selection of assays (SSA), a method for choosing a diverse panel of genomic assays that leverages methods from the field of submodular optimization. We also describe a series of evaluation methods that allow us to measure the quality of a selected assay panel in the context of inference tasks such as data imputation, functional element prediction, and semi-automated genome annotation. Applying this evaluation framework to data from the ENCODE and Roadmap Epigenomics Consortia, we provide empirical evidence that SSA provides high quality panels of assays. The method is computationally efficient and is theoretically optimal under certain assumptions. SSA is extremely flexible, and can be employed to select assays for a new cell type or to select additional assays to be performed in a partially characterized cell type. More generally, this application serves as a model for how submodular optimization can be applied to other discrete problems in biology. SSA is available at http://melodi.ee.washington.edu/assay_panel_selection.html.

Summary Positive selection is the driving force underpinning local adaptation, and leaves footprints of selective sweeps at the underlying major genes. Quantifying the timing of selection and revealing the genetic bases of adaptation in plants species occurring in steep and varying environmental gradients is crucial to predict a species’ ability colonize new niches. We use whole genome sequence data from six populations across three different habitats of the wild tomato species Solanum chilense to infer the past demographic history and search for genes under strong positive selection. We then correlate current and past climatic projections with the demographic history, allele frequencies, the age of selection events, and distribution shifts. We find evidence for several selective sweeps targeting regulatory networks involved in root hair development in low altitude, and response to photoperiod and vernalization in high altitude populations. These sweeps occur in a concerted fashion in a given regulatory gene network at particular periods of substantial climatic change. We decipher the genetic bases and the timing of local adaptation during plant colonization of semi-arid habitats using a unique combination of genome scans for selection and modelling of past climatic data.