Abstract Arabidopsis thaliana is an important and long-established model species for plant molecular biology, genetics, epigenetics, and genomics. However, the latest version of reference genome still contains significant number of missing segments. Here, we report a high-quality and almost complete Col-0 genome assembly with two gaps (Col-XJTU) using combination of Oxford Nanopore Technology ultra-long reads, PacBio high-fidelity long reads, and Hi-C data. The total genome assembly size is 133,725,193 bp, introducing 14.6 Mb of novel sequences compared to the TAIR10.1 reference genome. All five chromosomes of Col-XJTU assembly are highly accurate with consensus quality (QV) scores > 60 (ranging from 62 to 68), which are higher than those of TAIR10.1 reference (QV scores ranging from 45 to 52). We have completely resolved chromosome (Chr) 3 and Chr5 in a telomere-to-telomere manner. Chr4 has been completely resolved except the nucleolar organizing regions, which comprise long repetitive DNA fragments. The Chr1 centromere (CEN1), reportedly around 9 Mb in length, is particularly challenging to assemble due to the presence of tens of thousands of CEN180 satellite repeats. Using the cutting-edge sequencing data and novel computational approaches, we assembled about 4 Mb of sequence for CEN1 and a 3.5-Mb-long CEN2. We investigated the structure and epigenetics of centromeres. We detected four clusters of CEN180 monomers, and found that the centromere-specific histone H3-like protein (CENH3) exhibits a strong preference for CEN180 cluster 3. Moreover, we observed hypomethylation patterns in CENH3-enriched regions. We believe that this high-quality genome assembly, Col-XJTU, would serve as a valuable reference to better understand the global pattern of centromeric polymorphisms, as well as genetic and epigenetic features in plants.

Abstract Complex structural variants (CSVs) are genomic alterations that have more than two breakpoints and are considered as simultaneous occurrence of simple structural variants. However, detecting the compounded mutational signals of CSVs is challenging through a commonly used model-match strategy. As a result, there has been limited progress for CSV discovery compared with simple structural variants. We systematically analyzed the multi-breakpoint connection feature of CSVs, and proposed Mako, utilizing a bottom-up guided model-free strategy, to detect CSVs from paired-end short-read sequencing. Specifically, we implemented a graph-based pattern growth approach, where the graph depicts potential breakpoint connections and pattern growth enables CSV detection without predefined models. Comprehensive evaluations on both simulated and real datasets revealed that Mako outperformed other algorithms. Notably, validation rates of CSV on real data based on experimental and computational validations as well as manual inspections are around 70%, where the medians of experimental and computational breakpoint shift are 13bp and 26bp, respectively. Moreover, Mako CSV subgraph effectively characterized the breakpoint connections of a CSV event and uncovered a total of 15 CSV types, including two novel types of adjacent segments swap and tandem dispersed duplication. Further analysis of these CSVs also revealed impact of sequence homology in the formation of CSVs. Mako is publicly available at https://github.com/jiadong324/Mako .

Background: Centromeres play a crucial and conserved role in cell division, although their composition and evolutionary history in green algae, the evolutionary ancestors of land plants, remains largely unknown. Results: We constructed near telomere-to-telomere (T2T) assemblies for two Trebouxiophyceae species, Chlorella sorokiniana NS4-2 and Chlorella pyrenoidosa DBH, with chromosome numbers of 12 and 13, and genome sizes of 58.11 Mb and 53.41 Mb, respectively. We identified and validated their centromere sequences using CENH3 ChIP-seq and found that, similar to humans and higher plants, the centromeric CENH3 signals of green algae display a pattern of hypomethylation. Interestingly, the centromeres of both species largely comprised transposable elements, although they differed significantly in their composition. Species within the Chlorella genus display a more diverse centromere composition, with major constituents including members of the LTR/Copia, LINE/L1, and LINE/RTEX families. This is in contrast to green algae including Chlamydomonas reinhardtii, Coccomyxa subellipsoidea, and Chromochloris zofingiensis, in which centromere composition instead has a pronounced single-element composition. Moreover, we observed significant differences in the composition and structure of centromeres among chromosomes with strong collinearity within the Chlorella genus, suggesting that centromeric sequence evolves more rapidly than sequence in non-centromeric regions. Conclusions: This study not only provides high-quality genome data for comparative genomics of green algae but gives insight into the composition and evolutionary history of centromeres in early plants, laying an important foundation for further research on their evolution.

Maintenance of cell volume against osmotic change is crucial for proper cell functions, such as cell proliferation and migration. The leucine-rich repeat-containing 8 (LRRC8) proteins are anion selective channels, and were recently identified as pore components of the volume-regulated anion channels (VRACs), which extrude anions to decrease the cell volume upon cell-swelling. Here, we present the human LRRC8A structure, determined by a single-particle cryo-electron microscopy analysis. The sea anemone-like structure represents a trimer of dimers assembly, rather than a symmetrical hexameric assembly. The four-spanning transmembrane region has a gap junction channel-like membrane topology, while the LRR region containing 15 leucine-rich repeats forms a long twisted arc. The channel pore is along the central axis and constricted on the extracellular side, where the highly conserved polar and charged residues at the tip of the extracellular helix contribute to the anion and other osmolyte permeability. Comparing the two structural populations facilitated the identification of both compact and relaxed conformations, suggesting that the LRR region is flexible and mobile with rigid-body motions, which might be implicated in structural transitions upon pore opening. Overall, our structure provides a framework for understanding the molecular mechanisms of this unique class of ion channels.