Abstract The 5S rRNA genes are among the most conserved nucleotide sequences across all species. Similar to the 5S preservation we observe the occurrence of 5S-related non-autonomous retrotransposons, so-called Cassandra. Cassandras harbor highly conserved 5S rDNA-related sequences within their long terminal repeats (LTRs), advantageously providing them with the 5S internal promoter. However, the dynamics of Cassandra retrotransposon evolution in the context of 5S rRNA gene sequence information and structural arrangement are still unclear, especially: 1) do we observe repeated or gradual domestication of the highly conserved 5S promoter by Cassandras and 2) do changes in 5S organization such as in the linked 35S-5S rDNA arrangements impact Cassandra evolution? Here, we show evidence for gradual co-evolution of Cassandra sequences with their corresponding 5S rDNAs. To follow the impact of 5S rDNA variability on Cassandra TEs, we investigate the Asteraceae family where highly variable 5S rDNAs, including 5S promoter shifts and both linked and separated 35S-5S rDNA arrangements have been reported. Cassandras within the Asteraceae mirror 5S rDNA promoter mutations of their host genome, likely as an adaptation to the host’s specific 5S transcription factors and hence compensating for evolutionary changes in the 5S rDNA sequence. Changes in the 5S rDNA sequence and in Cassandras seem uncorrelated with linked/separated rDNA arrangements. We place all these observations into the context of angiosperm 5S rDNA-Cassandra evolution, discuss Cassandra’s origin hypotheses (single or multiple) and Cassandra’s possible impact on rDNA and plant genome organization, giving new insights into the interplay of ribosomal genes and transposable elements.

ABSTRACT BACKGROUND Long terminal repeat (LTR) retrotransposons are widespread in plant genomes and play a large role in the generation of genomic variation. Despite this, their identification and characterization remains challenging, especially for non-model genomes. Hence, LTR retrotransposons remain undercharacterized in Vaccinium genomes, although they may be beneficial for current berry breeding efforts. OBJECTIVE Exemplarily focusing on the genome of American cranberry ( Vaccinium macrocarpon Aiton), we aim to generate an overview of the LTR retrotransposon landscape, highlighting the abundance, transcriptional activity, sequence, and structure of the major retrotransposon lineages. METHODS Graph-based clustering of whole genome shotgun Illumina reads was performed to identify the most abundant LTR retrotransposons and to reconstruct representative in silico full-length elements. To generate insights into the LTR retrotransposon diversity in V. macrocarpon , we also queried the genome assembly for presence of reverse transcriptases (RTs), the key domain of LTR retrotransposons. Using transcriptomic data, transcriptional activity of retrotransposons corresponding to the consensuses was analyzed. RESULTS We provide an in-depth characterization of the LTR retrotransposon landscape in the V. macrocarpon genome. Based on 475 RTs harvested from the genome assembly, we detect a high retrotransposon variety, with all major lineages present. To better understand their structural hallmarks, we reconstructed 26 Ty1- copia and 28 Ty3- gypsy in silico consensuses that capture the detected diversity. Accordingly, we frequently identify association with tandemly repeated motifs, extra open reading frames, and specialized, lineage-typical domains. Based on the overall high genomic abundance and transcriptional activity, we suggest that retrotransposons of the Ale and Athila lineages are most promising to monitor retrotransposon-derived polymorphisms across accessions. CONCLUSIONS We conclude that LTR retrotransposons are major components of the V. macrocarpon genome. The representative consensuses provide an entry point for further Vaccinium genome analyses and may be applied to derive molecular markers for enhancing cranberry selection and breeding.

A recent phylogenetic method based on genome-wide abundance of different repeat types proved to be useful in reconstructing the evolutionary history of several plant and animal groups. Here, we demonstrate that an alternative information source from the repeatome can also be employed to infer phylogenetic relationships among taxa. Specifically, this novel approach makes use of the repeat sequence similarity matrices obtained from the comparative clustering analyses of RepeatExplorer 2, which are subsequently transformed to between-taxa distance matrices. These pairwise matrices are used to construct neighbour-joining trees for each of the top most-abundant clusters and they are finally summarized in a consensus network. This methodology was tested on three groups of angiosperms and one group of insects, resulting in congruent evolutionary hypotheses compared to more standard systematic analyses based on commonly used DNA markers. We propose that the combined application of these phylogenetic approaches based on repeat abundances and repeat sequence similarities could be helpful to understand mechanisms governing genome and repeatome evolution.

A previous study describing the genome of Zostera marina, the most widespread seagrass in the Northern hemisphere, revealed some genomic signatures of adaptation to the aquatic environment. Important features related to the "back-to-the-sea" reverse evolutionary pathway were found, such as the loss of stomatal genes, while other functions like an algal-like cell wall composition were acquired. Beyond these, the genome structure and organization were comparable to the majority of plant genomes sequenced, except for one striking feature that went unnoticed at that time: the presence of human-like instead of the expected plant-type telomeric sequences. By using different experimental approaches including FISH, NGS and Bal31 analysis, we have confirmed its telomeric location in the chromosomes of Z. marina. We have also identified its telomerase RNA subunit (TR), confirming the presence of the human-type telomeric sequence in the template region. Remarkably, this region was found to be very variable even in clades with a highly conserved telomeric sequence across their species. Based on this observation, we propose that alternative annealing preferences in the template borders can explain the transition between the plant and human telomeric sequences. The further identification of paralogues of TR in several plant genomes brought us to the hypothesis that plants may keep an increased ability to change their telomeric sequence. We discuss the implications of this occurrence in the evolution of telomeres while introducing a mechanistic model for the transition from the plant to the human telomeric sequences.