Nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat (NLR) immune receptor genes form a major line of defense in plants, acting in both pathogen recognition and resistance machinery activation. NLRs are reported to form large gene clusters in limber pine (Pinus flexilis), but it is unknown how widespread this genomic architecture may be among the extant species of conifers (Pinophyta). We used comparative genomic analyses to assess patterns in the abundance, diversity, and genomic distribution of NLR genes. Chromosome-level whole genome assemblies and high-density linkage maps in the Pinaceae, Cupressaceae, Taxaceae, and other gymnosperms were scanned for NLR genes using existing and customized pipelines. The discovered genes were mapped across chromosomes and linkage groups and analyzed phylogenetically for evolutionary history. Conifer genomes are characterized by dense clusters of NLR genes, highly localized on one chromosome. These clusters are rich in TNL-encoding genes, which seem to have formed through multiple tandem duplication events. In contrast to angiosperms and nonconiferous gymnosperms, genomic clustering of NLR genes is ubiquitous in conifers. NLR-dense genomic regions are likely to influence a large part of the plant's resistance, informing our understanding of adaptation to biotic stress and the development of genetic resources through breeding.

Abstract In species with large and complex genomes such as conifers, dense linkage maps are a useful for supporting genome assembly and laying the genomic groundwork at the structural, populational and functional levels. However, most of the 600+ extant conifer species still lack extensive genotyping resources, which hampers the development of high-density linkage maps. In this study, we developed a linkage map relying on 21,570 SNP makers in Sitka spruce ( Picea sitchensis [Bong.] Carr.), a long-lived conifer from western North America that is widely planted for productive forestry in the British Isles. We used a single-step mapping approach to efficiently combine RAD-Seq and genotyping array SNP data for 528 individuals from two full-sib families. As expected for spruce taxa, the saturated map contained 12 linkages groups with a total length of 2,142 cM. The positioning of 5,414 unique gene coding sequences allowed us to compare our map with that of other Pinaceae species, which provided evidence for high levels of synteny and gene order conservation in this family. We then developed an integrated map for P. sitchensis and P. glauca based on 27,052 makers and 11,609 gene sequences. Altogether, these two linkage maps, the accompanying catalog of 286,159 SNPs and the genotyping chip developed herein opens new perspectives for a variety of fundamental and more applied research objectives, such as for the improvement of spruce genome assemblies, or for marker-assisted sustainable management of genetic resources in Sitka spruce and related species.

Research conducted: Nucleotide-binding domain and Leucine-rich Repeat (NLR) immune receptor genes form a major line of defence in plants, acting in both pathogen recognition and resistance machinery activation. NLRs are reported to form large gene clusters in pine but it is unknown how widespread this genomic architecture may be among the extant species of conifers (Pinophyta). We used comparative genomic analyses to assess patterns in the abundance, diversity and genomic distribution of NLR genes. Methods: Chromosome-level whole genome assemblies and high-density linkage maps in the Pinaceae, Cupressaceae, Taxaceae and other gymnosperms were scanned for NLR genes using existing and customised pipelines. Discovered genes were mapped across chromosomes and linkage groups, and analysed phylogenetically for evolutionary history. Key results: Conifer genomes are characterised by dense clusters of NLR genes, highly localised on one chromosome. These clusters are rich in TNL-encoding genes, which seem to have formed through multiple tandem duplication events. Main conclusion: In contrast to angiosperms and non-coniferous gymnosperms, genomic clustering of NLR genes is ubiquitous in conifers. NLR-dense genomic regions are likely to influence a large part of the plant9s resistance, informing our understanding of adaptation to biotic stress and the development of genetic resources through breeding.