Summary

 Land plants evolved from charophytic algae, among which Charophyceae possess the most complex body plans. We present the genome of Chara braunii; comparison of the genome to those of land plants identified evolutionary novelties for plant terrestrialization and land plant heritage genes. C. braunii employs unique xylan synthases for cell wall biosynthesis, a phragmoplast (cell separation) mechanism similar to that of land plants, and many phytohormones. C. braunii plastids are controlled via land-plant-like retrograde signaling, and transcriptional regulation is more elaborate than in other algae. The morphological complexity of this organism may result from expanded gene families, with three cases of particular note: genes effecting tolerance to reactive oxygen species (ROS), LysM receptor-like kinases, and transcription factors (TFs). Transcriptomic analysis of sexual reproductive structures reveals intricate control by TFs, activity of the ROS gene network, and the ancestral use of plant-like storage and stress protection proteins in the zygote.

Summary The draft genome of the moss model, Physcomitrella patens , comprised approximately 2000 unordered scaffolds. In order to enable analyses of genome structure and evolution we generated a chromosome‐scale genome assembly using genetic linkage as well as (end) sequencing of long DNA fragments. We find that 57% of the genome comprises transposable elements ( TE s), some of which may be actively transposing during the life cycle. Unlike in flowering plant genomes, gene‐ and TE ‐rich regions show an overall even distribution along the chromosomes. However, the chromosomes are mono‐centric with peaks of a class of Copia elements potentially coinciding with centromeres. Gene body methylation is evident in 5.7% of the protein‐coding genes, typically coinciding with low GC and low expression. Some giant virus insertions are transcriptionally active and might protect gametes from viral infection via si RNA mediated silencing. Structure‐based detection methods show that the genome evolved via two rounds of whole genome duplications ( WGD s), apparently common in mosses but not in liverworts and hornworts. Several hundred genes are present in colinear regions conserved since the last common ancestor of plants. These syntenic regions are enriched for functions related to plant‐specific cell growth and tissue organization. The P . patens genome lacks the TE ‐rich pericentromeric and gene‐rich distal regions typical for most flowering plant genomes. More non‐seed plant genomes are needed to unravel how plant genomes evolve, and to understand whether the P . patens genome structure is typical for mosses or bryophytes.

Abstract Growing evidence makes a strong case that epigenetic mechanisms contribute to complex traits, with implications across many fields of biology from dissecting developmental processes to understanding aspects of human health and disease. In ecology, recent studies have merged ecological experimental design with epigenetic analyses to elucidate the contribution of epigenetics to plant phenotypes, stress response, adaptation to habitat, or species range distributions. While there has been some progress in revealing the role of epigenetics in ecological processes, many studies with non-model species have so far been limited to describing broad patterns based on anonymous markers of DNA methylation. In contrast, studies with model species have benefited from powerful genomic resources, which allow for a more mechanistic understanding but have limited ecological realism. To understand the true significance of epigenetics for plant ecology and evolution, we must combine both approaches transferring knowledge and methods from model-species research to genomes of evolutionarily divergent species, and examining responses to complex natural environments at a more mechanistic level. This requires transforming genomics tools specifically for studying non-model species, which is challenging given the large and often polyploid genomes of plants. Collaboration between molecular epigeneticists, ecologists and bioinformaticians promises to enhance our understanding of the mutual links between genome function and ecological processes.

Abstract Based on whole genome sequencing data, we have studied the patterns of introgression in a phylogenetically well defined set of populations, sub-species and species of mice ( Mus m. domesticus , Mus m. musculus , Mus m. castaneus and Mus spretus ). We find that many discrete genomic regions are subject to repeated and mutual introgression and exchange. The majority of these regions code for genes that are involved in parasite defense or genomic conflict. They include genes involved in adaptive immunity, such as the MHC region or antibody coding regions, but also genes involved in innate immune reactions of the epidermis. We find also clusters of KRAB zinc finger proteins that control the spread of transposable elements and genes that are involved in meiotic drive. These findings suggest that even well separated populations and species maintain the capacity to exchange genetic material in a special set of evolutionary active genes.

Abstract The de novo emergence of new transcripts has been well documented through genomic analyses. However, a functional analysis, especially of very young protein-coding genes, is still largely lacking. Here we focus on three loci that have evolved from previously intergenic sequences in the house mouse (Mus musculus) and are not present in its closest relatives. We have obtained knockouts and analyzed their phenotypes, including a deep transcriptomic analysis, based on a dedicated power analysis. We show that the transcriptional networks are significantly disturbed in the knockouts and that all three genes have effects on phenotypes that are related to their expression patterns. This includes behavioral effects, skeletal differences and the regulation of the reproduction cycle in females. Substitution analysis suggests that all three genes have directly obtained an activity, without new adaptive substitutions. Our findings support the hypothesis that de novo genes can quickly adopt functions without extensive adaptation. Impact statement New protein-coding genes emerging out of non-coding sequences can become directly functional without signatures of adaptive protein changes

Abstract Structural variants (SVs) are a major source of genetic variation, but accurate descriptions in natural populations and connections with phenotypic traits remain scarce. We integrated advances in genomic sequencing and animal tracking to begin filling this knowledge gap in the Eurasian blackcap. Specifically, we (i) characterized the genome-wide distribution, frequency and overall fitness effects of SVs using haplotype-resolved assemblies for 79 birds, and (ii) used these SVs to study the genetics of seasonal migration. We detected >15K SVs. Many SVs overlapped repetitive regions and exhibited evidence of purifying selection suggesting they have overall deleterious effects on fitness. We used estimates of genomic differentiation to identify SVs exhibiting evidence of selection in blackcaps with different migratory strategies. Insertions and deletions dominated these SVs and were associated with genes that are either directly (e.g., regulatory motifs that maintain circadian rhythms) or indirectly (e.g., through immune response) related to migration. We also broke migration down into individual traits (direction, distance and timing) using existing tracking data and tested if genetic variation at the SVs we identified could account for phenotypic variation at these traits. This was only the case for one trait – direction – and one specific SV (a deletion on chromosome 27) accounted for much of this variation. Our results highlight the evolutionary importance of SVs in natural populations and provide insight into the genetic basis of seasonal migration.

Abstract Plants in habitats with unpredictable conditions are often characterized by diversifying their bet-hedging strategies that ensure fitness over a wider range of variable environmental factors. A striking example is the diaspore (seed and fruit) heteromorphism that evolved to maximize species survival in Aethionema arabicum (Brassicaceae) in which external and endogenous triggers allow the production of two distinct diaspores on the same plant. Using this dimorphic diaspore model, we identified contrasting molecular, biophysical, and ecophysiological mechanisms in the germination responses to different temperatures of the mucilaginous seeds (M + seed morphs), the dispersed indehiscent fruits (IND fruit morphs), and the bare non-mucilaginous M − seeds obtained by pericarp (fruit coat) removal from IND fruits. Large-scale comparative transcriptome and hormone analyses of M + seeds, IND fruits, and M − seeds provided comprehensive datasets for their distinct thermal responses. Morph-specific differences in co-expressed gene modules in seeds, as well as seed and pericarp hormone contents identified a role of the IND pericarp in imposing coat dormancy by generating hypoxia affecting ABA sensitivity. This involved expression of morph-specific transcription factors, hypoxia response and cell wall-remodeling genes, as well as altered abscisic acid (ABA) metabolism, transport, and signaling. Parental temperature affected ABA contents and ABA-related gene expression and altered IND pericarp biomechanical properties. Elucidating the molecular framework underlying the diaspore heteromorphism can provide insight into developmental responses to globally changing temperatures. IN A NUTSHELL Background Heteromorphic diaspores (fruits and seeds) are an adaptive bet-hedging strategy to ensure survival in spatiotemporally variable environments. The stone cress Aethionema arabicum , an annual plant native to semi-arid habitats in Anatolia (Turkey), one of the world’s hotspots of biodiversity. It is a close relative of Arabidopsis, rapeseed, cabbage and other Brassica crops, but in contrast to these Ae. arabicum disperses two distinct diaspores from the same plant. These dimorphic diaspores are the mucilaginous seeds (dispersed by pod shatter) and indehiscent fruits (dispersed by abscission). The wing-like pericarp (fruit coat) of the single-seeded indehiscent fruit allows wind dispersal over large distances. The amounts and ratios of the dimorphic diaspores are variable and depend on the environmental conditions. The dimorphic diaspores differ in morphology, dormancy and germination properties and thereby make Ae. arabicum an excellent model for the comparative investigation of the underpinning molecular mechanisms. Question We asked how temperature during fruit and seed formation and during seed germination affect dormancy release and germination speed, and how the morphology, hormonal regulation, and the expression of genes differ between the dimorphic diaspores. Findings Large-scale comparative transcriptome and hormone analyses of the mucilaginous seeds and the indehiscent fruits, as well as the seeds artificially extracted from indehiscent fruits by pericarp (fruit coat) removal, provided comprehensive datasets for their distinct thermal responses. Material obtained from plants grown at different temperatures during reproduction was imbibed at different temperatures for germination. This altered the abscisic acid (ABA) metabolism and the pericarp biomechanical properties. Diaspore-specific differences in response to distinct imbibition temperatures identified distinct gene expression patterns in seeds, distinct seed and pericarp hormone contents, and a role of the pericarp in generating hypoxia inside the fruit and imposing coat dormancy. This revealed distinct combinations of specific transcription factors, hypoxia responses and cell wall-remodeling genes, as well as altered signaling pathway genes. Next steps Our large-scale comparative transcriptome datasets are easily and publicly accessible via the Aethionema arabicum web portal ( https://plantcode.cup.uni-freiburg.de/aetar_db/index.php ). We plan to expand this by future work on seedlings derived from the dimorphic diaspores, by comparing different Ae. arabicum genotypes, and by studying responses to specific stresses. Understanding the molecular basis of this fascinating example of developmental diversity and plasticity and its regulation by temperature is expected to add insight how plants respond to changing environmental conditions.

Supergenes are linked clusters of DNA that are transmitted together due to rare or absent recombination. They undergo co-adaptation, allowing evolution to work on several genes to refine complex phenotypes, giving supergenes a competitive edge. Yet, due to their lack of recombination, supergenes are susceptible to deterioration as they cannot efficiently purge deleterious DNA. Few examples outside of sex chromosomes have been available for study. Here, we present the first assembly of the t haplotype, a 33.4 Mb supergene in house mice that 'selfishly' transmits itself at non-Mendelian frequencies. We characterize the four large non-overlapping inversions that make up the t haplotype. We compare in a t/t individual two different t variants with different recessive lethal phenotypes (age at death). Despite that difference, they differ much less from each other than the rest of the chromosome. However, the differences that they have were much more likely to be deleterious than the differences between the two variants of the rest of the chromosome. We interpret this marked difference as evidence of the accumulation of deleterious variants, a hallmark of deterioration. The t region of chromosome 17 is more distant to the reference than the rest of the chromosome, and has a higher fraction of impactful differences here as well. Thus, we conclude that the t appears as a quickly spreading and deteriorating selfish supergene, a rare example of Muller's ratchet outside of sex chromosomes. Furthermore, we aim for our assembly to provide a resource for comparative work on the t haplotype, such as its evolutionary history.

Timing of seed germination is crucial for seed plants and coordinated by internal and external cues, reflecting adaptations to different habitats. Physiological and molecular studies with lettuce and Arabidopsis thaliana have documented a strict requirement for light to initiate germination and identified many receptors, signalling cascades, and hormonal control elements. In contrast, seed germination of several other plants is inhibited by light, but the molecular basis of this converse response is unknown. We describe Aethionema arabicum (Brassicaceae) as a suitable model plant to investigate the mechanism of germination inhibition by light, as it comprises accessions with natural variation between light-sensitive and light-neutral responses. Inhibition is independent of light wavelength and increases with light intensity and duration. Gibberellins and abscisic acid are involved in the control of germination as in Arabidopsis, but transcriptome comparisons of light- and dark-exposed Aethionema arabicum seeds revealed that expression of genes for key regulators upon light exposure undergo converse changes, resulting in antipodal hormone regulation. This illustrates that similar modular components of a pathway in light-inhibited, light-neutral and light requiring germination among the Brassicaceae have been assembled by evolution to produce divergent pathways, likely as adaptive traits.

Abstract Most eukaryotic genes are expressed in multiple RNA isoforms representing variants of the respective genes. Full-length RNA sequencing techniques have uncovered an extreme diversity of RNA isoforms, but a subset of them might be generated by noise in the splicing machinery. For some genes, it has been shown that environmental influences can lead to isoform switching, implying that isoform diversity could also be subject to plastic changes in response to environmental conditions. Further, it has been suggested that isoform diversity could be a basis for adaptive evolutionary novelty. However, explicit tests of all three of these assumptions are missing. To address these questions, we have analyzed here the variation of full-length brain RNA transcripts from natural populations and subspecies of Mus musculus , as well as the outgroup species Mus spretus and Mus spicilegus . We find a substantial influence of splicing noise in generating rare isoform variants. However, after filtering these out, we reliably identify more than 117,000 distinct isoforms in the dataset, about doubling the number of the currently annotated set. Comparisons with individuals raised under different environmental conditions show a very strong plasticity effect in shaping isoform expression, including major isoform switching in proteins that bind to splice site enhancers. Using site frequency spectra tests in comparison to SNP data from the same individuals, we find no evidence for lineage-specific isoforms to become frequently fixed. We conclude that lineage-specific isoforms do not contribute much to novel adaptations, either because they are generated mainly through noise in the splicing machinery or are subject to negative selection. However, isoform diversity is strongly shaped by environmental conditions, both for lineage-specific isoforms, as well as conserved ones. Therefore, the functional role of isoform diversity may mostly be related to trigger plastic responses to environmental changes.