The geographic distribution throughout Europe of each of 32 chloroplast DNA variants belonging to eight white oak species sampled from 2613 populations is presented. Clear-cut geographic patterns were revealed by the survey. These distributions, together with the available palynological information, were used to infer colonisation routes out of the glacial period refugia. In western Europe in particular, movements out of the Iberian and the Italian Peninsulas can be clearly identified. Separate refugia are also present in eastern Balkans, whereas further west in this peninsula similarities with Italy were evident. Movements resulting in the exchange of haplotypes between refugia both during the present interglacial and probably also during earlier glacial cycles were therefore inferred. The consequences of these past exchanges is that phylogenetically divergent haplotypes have sometimes followed very similar colonisation routes, limiting somewhat the phylogeographic structure. Cases of geographic disjunction in the present-day distribution of haplotypes are also apparent and could have been induced by the existence of rapid climatic changes at the end of the glacial period (specifically the Younger Dryas cold period), which resulted in range restriction following an early warm period during which oak first expanded from its primary refugia. This cold phase was followed by a new period of expansion at the outset of the Holocene, involving in some cases ‘secondary’ refugia. It is expected that these short climate oscillations would have led to a partial reshuffling of haplotype distribution. Early association between haplotypes and oak species are also suggested by the data, although extensive introgression among species has ultimately largely blurred the pattern. This implies that colonisation routes may have been initially constrained by the ecological characteristics of the species hosting each chloroplast variant. We suggest for instance that two oak species distributed in the north of the Iberian Peninsula (Quercus petraea and Q. pubescens) are recent post-glacial immigrants there. When considered together, conclusions on the location of glacial period refugia and the colonisation routes derived from molecular information and fossil pollen data appear to be both largely compatible and complementary.

A consortium of 16 laboratories have studied chloroplast DNA (cpDNA) variation in European white oaks. A common strategy for molecular screening, based on restriction analysis of four PCR-amplified cpDNA fragments, was used to allow comparison among the different laboratories. A total of 2613 oak populations (12,214 individual trees from eight species) were sampled from 37 countries, and analysed with the four fragments. They belong to eight related oak species: Quercus robur, Q. petraea, Q. pubescens, Q. frainetto, Q. faginea, Q. pyrenaica, Q. canariensis and Q. macranthera. During this survey, 45 chloroplast variants were detected and are described together with their phylogenetic relationships, but several of these haplotypes were pooled when there were some risks of confusion across laboratories during the survey, and finally 32 remained that were mapped and used in diversity analyses. A strong phylogeographic structure is apparent from the data, where related haplotypes have broadly similar geographic distributions. In total, six cpDNA lineages are identified, which have distinct geographic distributions, mainly along a longitudinal gradient. Most haplotypes found in northern Europe are also present in the south, whereas the converse is not true, suggesting that the majority of mutations observed were generated prior to postglacial recolonisation, corroborating the conclusions of earlier studies. The description of a new western European lineage constitutes a major finding, compared to earlier phylogenetic treatments. Although the eight oak species studied systematically share cpDNA variants when in sympatry, they partition cpDNA diversity differently, as a consequence of their different ecology and life history attributes. Regional differences in levels of differentiation also exist (either species-specific or general); these seem to be related to the intensity of past and present management of the forests across Europe but also to the level of fragmentation of the range within these regions.

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 Despite the necessity of using nurseries to raise young plants and trees prior to transplantation into the landscape, not enough is known about the impact of their associated climate on the growth and development of seedlings from initial germination through to transplantation and beyond. Furthermore, the effect of nursery environment on trait interactions and age-age correlations and their subsequent relation to traits in mature trees is of significant importance and interest to forestry practitioners but requires long-term experimental trials measured for multiple traits in multiple years. A multisite progeny-provenance trial of the economically and ecologically important species, Scots pine, was established in three environmentally distinct nurseries in Scotland and measured for traits relating to survival, growth, form and phenology while in the nurseries. Temperature variation and photoperiod were the only uncontrolled environmental variables during this period, and their effect on measured traits was found to be significant among nurseries from the first growing season onwards. Furthermore, interactions among traits were not always consistent among the different nurseries indicating that the use of proxy traits to enable selection of desirable traits may be more or less successful depending on the environment the trees are measured in. This study represents the first in a series examining trait variation in Scots pine from seedlings to mature trees, and highlights the importance of carefully considering the nursery environment when growing trees for transplantation.

After tracking Scots pine plants from germination to 15 years old, through contrasting early life environments, we observed significant and persistent carryover effects. Groups of plants from common genetic backgrounds were raised in distinct nursery environments, and growth and phenology traits were measured repeatedly once trees had established in their field sites. Growth and phenology differences were evident for 10 and 6 years post-transplantation to the field, respectively. There was a clear interaction between site of origin and carryover effect, indicating that local adaptation also played a role. Given the increasing rate of tree planting initiatives being undertaken around the world in the name of the climate and biodiversity crises, and the strong dependence on those initiatives of nursery-grown plants, our finding of strong carryover effects of the early life environment has significant implications

Abstract Multisite common garden experiments, exposing common pools of genetic diversity to a range of environments, allow quantification of plastic and genetic components of trait variation. For tree species, such studies must be long term as they typically only express mature traits after many years. As well as evaluating standing genetic diversity, these experiments provide an ongoing test of genetic variation against changing environmental conditions and form a vital resource for understanding how species respond to abiotic and biotic variation. Finally, quantitative assessments of phenotypic variation are essential to pair with rapidly accumulating genomic data to advance understanding of the genetic basis of trait variation, and its interaction with climatic change. We describe a multisite, population-progeny, common garden experiment of the economically and ecologically important tree species, Scots pine, collected from across its native range in Scotland and grown in three contrasting environments. Phenotypic traits, including height, stem diameter and budburst were measured over 14 growing seasons from nursery to field site. The datasets presented have a wide range of applications.

Abstract In tree species, genomic prediction offers the potential to forecast mature trait values in early growth stages, if robust marker-trait associations can be identified. Here we apply a novel multispecies approach using genotypes from a new genotyping array, based on 20,795 SNPs from three closely related pine species ( Pinus sylvestris, Pinus uncinata and Pinus mugo ), to test for associations with growth and phenology data from a common garden study. Predictive models constructed using significantly associated SNPs were then tested and applied to an independent multisite field trial of P. sylvestris and the capability to predict trait values was evaluated. One hundred and eighteen SNPs showed significant associations with the traits in the pine species. Common SNPs (MAF > 0.05) associated with bud set were only found in genes putatively involved in growth and development, whereas those associated with growth and budburst were also located in genes putatively involved in response to environment and, to a lesser extent, reproduction. At one of the two independent sites, the model we developed produced highly significant correlations between predicted values and observed height data (YA, height 2020: r = 0.376, p < 0.001). Predicted values estimated with our budburst model were weakly but positively correlated with duration of budburst at one of the sites (GS, 2015: r = 0.204, p = 0.034; 2018: r = 0.205, p = 0.034-0.037) and negatively associated with budburst timing at the other (YA: r = -0.202, p = 0.046). Genomic prediction resulted in the selection of sets of trees whose mean height was taller than the average for each site. Our results provide tentative support for the capability of prediction models to forecast trait values in trees, while highlighting the need for caution in applying them to trees grown in different environments.

Abstract Understanding local adaptation in plants from a genomic perspective has become a key research area given the ongoing climate challenge and the concomitant requirement to conserve genetic resources. Perennial plants, such as forest trees, are good models to study local adaptation given their wide geographic distribution, largely outcrossing mating systems and demographic histories. We evaluated signatures of local adaptation in European aspen ( Populus tremula ) across Europe by means of whole genome re-sequencing of a collection of 411 individual trees. We dissected admixture patterns between aspen lineages and observed a strong genomic mosaicism in Scandinavian trees, evidencing different colonization trajectories into the peninsula from Russia, Central and Western Europe. As a consequence of the secondary contacts between populations after the last glacial maximum (LGM), we detected an adaptive introgression event in a genome region of ∼500kb in chromosome 10, harboring a large-effect locus that has previously been shown to contribute to adaptation to the short growing seasons characteristic of northern Scandinavia. Demographic simulations and ancestry inference suggest an Eastern origin - probably Russian - of the adaptive Nordic allele which nowadays is present in a homozygous state at the north of Scandinavia. The strength of introgression and positive selection signatures in this region is a unique feature in the genome. Furthermore, we detected signals of balancing selection, shared across regional populations, that highlight the importance of standing variation as a primary source of alleles that facilitate local adaptation. Our results therefore emphasize the importance of migration-selection balance underlying the genetic architecture of key adaptive quantitative traits.

The genome assembly of the European aspen Populus tremula proved difficult for a short-read based strategy due to high genomic variation. As a consequence, the fragmented sequence is impeding studies that benefit from highly contiguous data, particularly genome-wide association studies (GWAS) and comparative genomics. Here we present an updated assembly based on long-read sequences, optical mapping and genetic mapping. This assembly - henceforth referred to as Potra V2 - is assembled into 19 contiguous chromosomes which provides a powerful tool for future association studies. The genome sequence and any feature files are available from the PopGenIE resource.

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.