Abstract Long non-coding RNAs (lncRNAs) are understudied and underannotated in plants. In mammals, lncRNA loci are nearly as ubiquitous as protein-coding genes, and their expression is highly variable between individuals of the same species. Using Arabidopsis thaliana as a model, we aimed to understand the true scope of lncRNA transcription across plants from different regions and study its natural variation. We used transcriptome deep sequencing datasets spanning hundreds of natural accessions and several developmental stages to create a population-wide annotation of lncRNAs, revealing thousands of previously unannotated lncRNA loci. While lncRNA transcription is ubiquitous in the genome, most loci appear to be actively silenced and their expression is extremely variable between natural accessions. This high expression variability is largely caused by the high variability of repressive chromatin levels at lncRNA loci. High variability was particularly common for intergenic lncRNAs (lincRNAs), where pieces of transposable elements (TEs) present in 50% of these lincRNA loci are associated with increased silencing and variation, and such lncRNAs tend to be targeted by the TE silencing machinery. We create a population-wide lncRNA annotation in A. thaliana and improve our understanding of plant lncRNA genome biology, raising fundamental questions about what causes transcription and silencing across the genome. One-sentence summary lncRNA loci are plentiful in the A. thaliana genome, but their expression is extremely variable and largely repressed, with TE pieces enriched in intergenic lncRNAs aiding variability and silencing.

Abstract Gene-body methylation (gbM) refers to sparse CG methylation of coding regions, which is especially prominent in evolutionarily conserved house-keeping genes. It is found in both plants and animals, but is directly and stably (epigenetically) inherited over multiple generations in the former. Studies in Arabidopsis thaliana have demonstrated that plants originating from different parts of the world exhibit genome-wide differences in gbM, which could reflect direct selection on gbM, but which could also reflect an epigenetic memory of ancestral genetic and/or environmental factors. Here we look for evidence of such factors in F2 plants resulting from a cross between a southern Swedish line with low gbM and a northern Swedish line with high gbM, grown at two different temperatures. Using bisulfite-sequencing data with nucleotide-level resolution on hundreds of individuals, we confirm that CG sites are either methylated (nearly 100% methylation across sampled cells) or unmethylated (approximately 0% methylation across sampled cells), and show that the higher level of gbM in the northern line is due to more sites being methylated. Furthermore, methylation variants almost always show Mendelian segregation, consistent with their being directly and stably inherited through meiosis. To explore how the differences between the parental lines could have arisen, we focused on somatic deviations from the inherited state, distinguishing between gains (relative to the inherited 0% methylation) and losses (relative to the inherited 100% methylation) at each site in the F2 generation. We demonstrate that deviations predominantly affect sites that differ between the parental lines, consistent with these sites being more mutable. Gains and losses behave very differently in terms of the genomic distribution, and are influenced by the local chromatin state. We find clear evidence for different trans-acting genetic polymorphism affecting gains and losses, with those affecting gains showing strong environmental interactions (G×E). Direct effects of the environment were minimal. In conclusion, we show that genetic and environmental factors can change gbM at a cellular level, and hypothesize that these factors can also lead to transgenerational differences between individuals via the inclusion of such changes in the zygote. If true, this could explain genographic pattern of gbM with selection, and would cast doubt on estimates of epimutation rates from inbred lines in constant environments. Author summary Gene-body methylation, the sparse CG methylation that is associated with house-keeping genes, is found in both plants and animals, but can be directly inherited in the former. Recently, we discovered that Arabidopsis thaliana originating from different geographic regions exhibit different patterns of gbM, which could be due to direct selection on gbM, but could also reflect a transgenerational memory of genetic or environmental factors. Here we look for evidence of such factors using a genetic cross between two natural inbred lines: one with high, and one with low gbM. We confirm that methylation states are stably inherited, but also see large somatic deviations from the inherited state, in particular at sites that differ between the parental lines. We demonstrate that these deviations are affected by genetic variants in interaction with the environment, and hypothesize that geographic differences in gbM arise through the inclusion of such deviations in the zygote.

Animals and plants have evolved separately for over 1.5 billion years and independently invented multicellularity, suggesting a possible divergence in their mode of transcription regulation. Here, we set out to elucidate fundamental features of transcription regulatory sequences in plants. Using a massively parallel reporter assay in four species, we show that sequences downstream of the transcription start site (TSS) play a major role in controlling transcription. Swapping regulatory sequences from one side of the TSS to the other yields different outcomes, unlike animal enhancers which act independently of their position. A GATC-containing DNA motif, positioned downstream of the TSS, was sufficient to enhance gene expression in a dose-dependent manner. Its effect on gene expression was tissue-dependent and conserved across vascular plants. These results identify a unique characteristic of transcriptional regulation in plants, and suggest fundamental differences in gene regulation might exist between plants and animals.