Abstract The long-term evolutionary impacts of whole genome duplication (WGD) are strongly influenced by the ensuing rediploidization process. Following autopolyploidization, rediploidization involves a transition from tetraploid to diploid meiotic pairing, allowing duplicated genes (ohnologues) to diverge genetically and functionally. Our understanding of autopolyploid rediploidization has been informed by a WGD event ancestral to salmonid fishes, where large genomic regions are characterized by temporally delayed rediploidization, allowing lineage-specific ohnologue sequence divergence in the major salmonid clades. Here, we investigate the long-term outcomes of autopolyploid rediploidization at genome-wide resolution, exploiting a recent ‘explosion’ of salmonid genome assemblies, including a new genome sequence for the huchen ( Hucho hucho ). We developed a genome alignment approach to capture duplicated regions across multiple species, allowing us to create 121,864 phylogenetic trees describing ohnologue divergence across salmonid evolution. Using molecular clock analysis, we show that 61% of the ancestral salmonid genome experienced an initial ‘wave’ of rediploidization in the late Cretaceous (85-106 Mya). This was followed by a period of relative genomic stasis lasting 17-39 My, where much of the genome remained in a tetraploid state. A second rediploidization wave began in the early Eocene and proceeded alongside species diversification, generating predictable patterns of lineage-specific ohnologue divergence, scaling in complexity with the number of speciation events. Finally, using gene set enrichment, gene expression, and codon-based selection analyses, we provide insights into potential functional outcomes of delayed rediploidization. Overall, this study enhances our understanding of delayed autopolyploid rediploidization and has broad implications for future studies of WGD events.

Abstract Muscle fat content is an important production trait in Atlantic salmon ( Salmo salar ) because it influences the flavor, texture, and nutritional properties of the fillet. Genomic selection can be applied to alter muscle fat content, however how such selection changes the underlying molecular physiology of these animals is unknown. Here, we examine the link between genomic prediction and underlying molecular physiology by correlating genomic breeding values for fat content to liver gene expression in 184 fish. We found that Salmon with higher genomic breeding values had higher expression of genes in lipid metabolism pathways. This included key lipid metabolism genes hmgcrab , fasn-b , fads2d5 , and fads2d6 , and lipid transporters fatp2f , fabp7b , and apobc . We also found several regulators of lipid metabolism with negative correlation to genomic breeding vales, including pparg-b , fxr-a , and fxr-b . A quantitative trait loci analysis for variation in gene expression levels (eQTLs) for 167 trait associated genes found that 71 genes had at least one eQTL, and that most were trans eQTLs. Closer examination revealed distinct eQTL clustering on chromosomes 3 and 6, indicating the presence of putative common regulator in these regions. Taken together, these results suggest that increased fat content in high genomic breeding value salmon is associated with elevated lipid synthesis, elevated lipid transport, and reduced glycerolipid breakdown; and that this is at least partly achieved by selection on genetic variants that impact the function of top-level transcription factors involved in liver metabolism. Our study sheds light on how genomic selection alters lipid content in Atlantic salmon, and the results could be used to prioritize SNPs to improve the efficiency of genomic selection in the future.

In the past 50 million years climate cooling has triggered the expansion of temperate biomes. During this period, many extant plant lineages in temperate biomes evolved from tropical ancestors and adapted to seasonality and cool conditions. Among the Poaceae (grass family), one of the subfamilies that successfully shifted from tropical to temperate biomes is the Pooideae (temperate grasses). Subfamily Pooideae contains the most important crops cultivated in the temperate regions including wheat (Triticum aestivum) and barley (Hordeum vulgare). Due to the need of well-adapted cultivars, extensive research has produced a large body of knowledge about the mechanisms underlying cold adaptation in cultivated Pooideae species. Especially cold acclimation, a process which increases the frost tolerance during a period of non-freezing cold, plays an important role. Because cold adaptation is largely unexplored in lineages that diverged early in the evolution of the Pooideae, little is known about the evolutionary history of cold acclimation in the Pooideae. Here we test if several species of early diverging lineages exhibit increased frost tolerance after a period of cold acclimation. We further investigate the conservation of five well-studied gene families that are known to be involved in the cold acclimation of Pooideae crop species. Our results indicate that cold acclimation exists in early diverging lineages, but that genes involved in regulation of cold acclimation are not conserved. The investigated gene families show signs of lineage-specific evolution and support the hypothesis that gene family expansion is an important mechanism in adaptive evolution.

Background: Understanding how complex traits evolve through adaptive changes in gene regulation remains a major challenge in evolutionary biology. Over the last ~50 million years, Earth has experienced climate cooling and ancestrally tropical plants have adapted to expanding temperate environments. The grass subfamily Pooideae dominates the grass flora of the temperate regions, but conserved cold-response genes that might have played a role in the cold adaptation to temperate climate remain unidentified. Results: To establish if molecular responses to cold are conserved throughout the Pooideae phylogeny, we assembled the transcriptomes of five species spanning early to later diverging lineages, and compared short- and long-term cold response in orthologous genes based on gene expression data. We confirmed that most genes previously identified as cold responsive in barley also responded to cold in our barley experiment. Interestingly, comparing cold response across the lineages using 8633 high confidence ortholog groups revealed that nearly half of all cold responsive genes were species specific and more closely related species did not share higher numbers of cold responsive genes than more distantly related species. Also, the previously identified cold-responsive barley genes displayed low conservation of cold response across species. Nonetheless, more genes than expected by chance shared cold response, both based on previously studied genes and based on the high confidence ortholog groups. Noticeable, all five species shared short-term cold response in nine general stress genes as well as the ability to down-regulate the photosynthetic machinery during cold temperatures. Conclusions: We observed widespread lineage specific cold response in genes with conserved sequence across the Pooideae phylogeny. This is consistent with phylogenetic dating and historic temperature data which suggest that selection pressure resulting from dramatic global cooling must have acted on already diverged lineages. To what degree lineage specific evolution acted primarily through gain or loss of cold response remains unclear, however, phylogeny-wide conservation of certain genes and processes indicated that the last common ancestor may have possessed some cold response.

Abstract Following nuclear events, risk assessment and protection of plant communities in contaminated ecosystems require in-depth understanding of radiosensitivity of plants. However, the physiological and molecular factors defining differential sensitivity to chronic ionising radiation exposure are poorly understood. In this study, we compared early molecular events associated with protection, repair, and stress responses as well as phenotypic and cellular effects in gamma-irradiated seedlings of the radiosensitive conifer Norway spruce ( Picea abies ) and the radiotolerant herbaceous Arabidopsis thaliana . After 48-h of irradiation, Norway spruce showed reduced growth at 290 mGy h -1 and severe organelle damage at ≥ 1 mGy h -1 whereas A. thaliana showed unaffected development, minor organelle damage at ≥ 100 mGy h -1 only and significantly less DNA damage at all dose rates. Comparative transcriptomics revealed that Norway spruce mobilized transcription of DNA damage repair and antioxidant genes at ≥ 40 mGy h -1 only while A. thaliana showed massive activation of genes related to DNA damage repair, antioxidants, and other stress responses as well as growth-promoting hormones and cell wall components at ≥ 1 mGy h -1 . Adverse effects on chloroplasts and mitochondria from low dose rates on and comprehensive downregulation of photosynthetic genes and activation of respiration genes at ≥ 40 mGy h -1 in Norway spruce but not in A. thaliana may reflect the higher energy demand in Norway spruce to simultaneously maintain its far larger genome and engage protection and repair systems. Hence, the absence of transcriptional response at lower gamma doses and activation of repair and protection at high dose rates only, when accumulated damage is high, is consistent with the high radiosensitivity of Norway spruce. Conversely, the more massive transcriptional activation of crucial repair and protection pathways even at low dose rates complies with the high radiotolerance of A. thaliana .

Abstract Wild Atlantic salmon migrate to sea following completion of a developmental process known as parr - smolt transformation (PST), which establishes a seawater (SW) tolerant phenotype. Effective imitation of this aspect of anadromous life-history is a crucial aspect of commercial salmon production, with current industry practice being marred by significant losses during transition from the freshwater (FW) to SW phase of production. The natural photoperiodic control of PST can be mimicked by exposing farmed juvenile fish to a reduced duration photoperiod for at least 6 weeks before increasing the photoperiod in the last 1 - 2 months before SW transfer. While it is known that variations in this general protocol affect subsequent SW performance, there is no uniformly accepted industry standard; moreover, reliable prediction of SW performance from fish attributes in the FW phase remains a major challenge. Here we describe an experiment in which we took gill biopsies 1 week prior to SW transfer from 3000 individually tagged fish raised on 3 different photoperiod regimes during the FW phase. Biopsies were subjected to RNA profiling by Illumina sequencing, while individual fish growth and survival was monitored over 300 days in a SW cage environment, run as a common garden experiment. Using a random forest machine learning algorithm, we developed gene expression-based predictive models for initial survival and stunted growth in SW. Stunted growth phenotypes could not be predicted based on gill transcriptomes, but survival the first 40 days in SW could be predicted with moderate accuracy. While several previously identified marker genes contribute to this model, a surprisingly low weighting is ascribed to sodium potassium ATPase subunit genes, contradicting advocacy for their use as SW readiness markers. However, genes with photoperiod-history sensitive regulation were highly enriched among the genes with highest importance in the prediction model. This work opens new avenues for understanding and exploiting developmental changes in gill physiology during smolt development.

Abstract Background Two of the most potent drivers of genome evolution in eukaryotes are whole genome duplications (WGD) and transposable element (TE) activity. These two mutational forces can also play synergistic roles; WGDs result in both cellular stress and functional redundancy, which would allow TEs to escape host-silencing mechanisms and effectively spread with reduced impact on fitness. As TEs can function as, or evolve into, TE-derived cis-regulatory elements (TE-CREs), bursts of TE-activity following WGD are likely to impact evolution of gene regulation. However, the role of TEs in genome regulatory remodelling after WGDs is unclear. Here we used the genome of Atlantic salmon, which is known to have experienced massive expansion of TEs after a WGD ∼100 Mya, as a model system to explore the synergistic roles of TEs and WGDs on genome regulatory evolution. Results We identified 61,309 putative TE-CREs in Atlantic salmon using chromatin accessibility data from brain and liver. Of these, 82% were tissue specific to liver (43%) or brain (39%) and TE-CREs originating from retroelements were twice as common as those originating from DNA elements. Signatures of selection shaping TE-CRE evolution were evident from depletion of TEs in open chromatin, a bias in tissue-shared TE-CREs towards older TE-insertions, as well as tissue-specific processes shaping the TE-CRE repertoire. The DTT elements (Tc1-Mariners), which exploded in numbers at the time of the WGD, were significantly less prone to evolve into TE-CREs and significantly less potent in driving or repressing transcription compared to other TE-derived sequences. A minority of TEs (16% of consensus TEs) accounted for the origin of 46% of all TE-CREs, but these ‘CRE-superspreaders’ were not temporally associated with the WGD. Rather, the majority of TE-CREs, including those found to be significantly associated with gene regulatory evolution and thus found to drive or repress transcription, evolved from TE activity occurring across tens of millions of years following the WGD event. Conclusion Our results do not support a WGD-associated TE-CRE rewiring of gene regulation. Instead we find that TEs from diverse superfamilies have been particularly effective in spreading TE-CREs and shaping gene regulatory networks under tissue-specific selection pressures, across millions of years following the salmonid WGD.

Abstract The Period genes ( Per ) play essential roles in modulating the molecular circadian clock timing in a broad range of species, which regulates the physiological and cellular through the transcription-translation feedback loop. While the Period gene paralogs are widely observed among vertebrates, the evolutionary history and the functional diversification of Per genes across vertebrates are not well known. In this study, we comprehensively investigated the evolution of Per genes, including de novo binding motif discovery by comparative genomics. We also determined the lineage-specific transcriptome landscape across tissues and developmental stages and phenotypic effects in public RNA-seq data sets of model species. We observed multiple lineage-specific gain and loss events of Per genes, though no simple association was observed between ecological factors and Per gene numbers in each species. Among salmonid fish species, the per3 gene has been lost in the majority, whereas those retaining the per3 gene exhibit not a signature of relaxed selective constraint but rather a signature of intensified selection. We also determined the signature of adaptive diversification of the CRY-binding region in Per1 and Per3 , which modulates the circadian rhythm. We also discovered putative regulatory sequences, which are lineage-specific, suggesting that these cis-regulatory elements may have evolved rapidly and divergently across different lineages. Collectively, our findings revealed the evolution of Per genes and their fine-tuned contribution to the plastic and precise regulation of circadian rhythms in various vertebrate taxa. Significance The Period ( Per ) genes play essential roles in the circadian rhythm in animals. In this study, we comprehensively investigated the evolutionary diversification of the three types of Period genes in vertebrates. As a result, we observed a rapid evolution and sub-functionalization of these genes, especially adaptive diversification signatures in the protein-binding region, which plays a crucial role in regulating circadian rhythms. This underscores the fine-tuned contribution of Per genes in the biological clock’s precision and adaptability across various vertebrate taxa.

Abstract Whole genome duplication (WGD) events have played a major role in eukaryotic genome evolution, but the consequence of these extreme events in adaptive genome evolution is still not well understood. To address this knowledge gap we used a comparative phylogenetic model and transcriptomic data from seven species to infer selection on gene expression in duplicated genes (ohnologs) following the salmonid WGD 80-100 million years ago. We find rare cases of tissue-specific expression evolution but pervasive expression evolution affecting many tissues, reflecting strong selection on maintenance of genome stability following genome doubling. Although ohnolog expression levels have evolved mostly asymmetrically, by diverting one ohnolog copy down a path towards pseudogenization, strong evolutionary constraints have frequently also favoured symmetric shifts in gene dosage of both copies, likely to achieve gene dose reduction while avoiding accumulation of ‘toxic mutations’. Mechanistically, ohnolog regulatory divergence is dictated by the number of bound transcription factors in promoters, with transposable elements being one source of novel binding sites driving tissue-specific gains in expression. Our results imply pervasive adaptive expression evolution following WGD to overcome the immediate challenges posed by genome doubling and to exploit the long-term genetic opportunities for novel phenotype evolution.