This paper reports the genome sequence of domesticated tomato, a major crop plant, and a draft sequence for its closest wild relative; comparative genomics reveal very little divergence between the two genomes but some important differences with the potato genome, another important food crop in the genus Solanum. Tomato (Solanum lycopersicum) is a major crop plant and a model system for fruit development. Solanum is one of the largest angiosperm genera1 and includes annual and perennial plants from diverse habitats. Here we present a high-quality genome sequence of domesticated tomato, a draft sequence of its closest wild relative, Solanum pimpinellifolium2, and compare them to each other and to the potato genome (Solanum tuberosum). The two tomato genomes show only 0.6% nucleotide divergence and signs of recent admixture, but show more than 8% divergence from potato, with nine large and several smaller inversions. In contrast to Arabidopsis, but similar to soybean, tomato and potato small RNAs map predominantly to gene-rich chromosomal regions, including gene promoters. The Solanum lineage has experienced two consecutive genome triplications: one that is ancient and shared with rosids, and a more recent one. These triplications set the stage for the neofunctionalization of genes controlling fruit characteristics, such as colour and fleshiness.

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.

Abstract Motivation: Transcriptome analysis allows detection and clustering of genes that are coexpressed under various biological circumstances. Under the assumption that coregulated genes share cis-acting regulatory elements, it is important to investigate the upstream sequences controlling the transcription of these genes. To improve the robustness of the Gibbs sampling algorithm to noisy data sets we propose an extension of this algorithm for motif finding with a higher-order background model. Results: Simulated data and real biological data sets with well-described regulatory elements are used to test the influence of the different background models on the performance of the motif detection algorithm. We show that the use of a higher-order model considerably enhances the performance of our motif finding algorithm in the presence of noisy data. For Arabidopsis thaliana, a reliable background model based on a set of carefully selected intergenic sequences was constructed. Availability: Our implementation of the Gibbs sampler called the Motif Sampler can be used through a web interface: http://www.esat.kuleuven.ac.be/~thijs/Work/MotifSampler.html. Contact: gert.thijs@esat.kuleuven.ac.be; yves.moreau@esat.kuleuven.ac.be * To whom correspondence should be addressed.

Plants produce a wide range of allelochemicals to defend against herbivore attack, and generalist herbivores have evolved mechanisms to avoid, sequester, or detoxify a broad spectrum of natural defense compounds. Successful arthropod pests have also developed resistance to diverse classes of pesticides and this adaptation is of critical importance to agriculture. To test whether mechanisms to overcome plant defenses predispose the development of pesticide resistance, we examined adaptation of the generalist two-spotted spider mite, Tetranychus urticae , to host plant transfer and pesticides. T. urticae is an extreme polyphagous pest with more than 1,100 documented hosts and has an extraordinary ability to develop pesticide resistance. When mites from a pesticide-susceptible strain propagated on bean were adapted to a challenging host (tomato), transcriptional responses increased over time with ∼7.5% of genes differentially expressed after five generations. Whereas many genes with altered expression belonged to known detoxification families (like P450 monooxygenases), new gene families not previously associated with detoxification in other herbivores showed a striking response, including ring-splitting dioxygenase genes acquired by horizontal gene transfer. Strikingly, transcriptional profiles of tomato-adapted mites resembled those of multipesticide-resistant strains, and adaptation to tomato decreased the susceptibility to unrelated pesticide classes. Our findings suggest key roles for both an expanded environmental response gene repertoire and transcriptional regulation in the life history of generalist herbivores. They also support a model whereby selection for the ability to mount a broad response to the diverse defense chemistry of plants predisposes the evolution of pesticide resistance in generalists.

Abstract The flowering time (FT), which determines when fruits or seeds can be harvested, is subject to phenotypic plasticity, i.e. the ability of a genotype to display different phenotypes in response to environmental variations. Here, we investigated how the environment affects the genetic architecture of FT in cultivated strawberry (Fragaria ×ananassa) and modifies its QTL effects. To this end, we used a bi-parental segregating population grown for two years at widely divergent latitudes (5 European countries) and combined climatic variables with genomic data (Affymetrix® SNP array). Examination, using different phenological models, of the response of FT to photoperiod, temperature and global radiation, indicated that temperature is the main driver of FT in strawberry. We next characterized in the segregating population the phenotypic plasticity of FT by using three statistical approaches that generated plasticity parameters including reaction norm parameters. We detected 25 FT QTL summarized into 10 unique QTL. Mean values and plasticity parameters QTL were co-localized in three of them, including the major 6D_M QTL whose effect is strongly modulated by temperature. The design and validation of a genetic marker for the 6D_M QTL offers great potential for breeding programs, for example for selecting early-flowering strawberry varieties well adapted to different environmental conditions.

Abstract The biopolyester cutin is ubiquitous in land plants, building the polymeric matrix of the plant’s outermost defensive barrier - the cuticle. Cutin influences many biological processes in planta however due to its complexity and highly branched nature, the native structure remains partially unresolved. Our aim was to define an original workflow for the purification and systematic characterisation of the molecular structure of cutin. To purify cutin we tested the ionic liquids cholinium hexanoate and 1-butyl-3-methyl-imidazolium acetate. The ensuing polymers are highly esterified, amorphous and have the typical monomeric composition as demonstrated by solid state NMR, complemented by spectroscopic (GC-MS), thermal (DSC) and x-ray scattering (WAXS) analyses. A systematic study by solution-state NMR of cryogenically milled cutins extracted from Micro-Tom tomatoes (the wild type and the gpat6 and cus1 mutants) was undertaken. Their molecular structures, relative distribution of ester aliphatics, free acid end-groups and free hydroxyl groups, differentiating between those derived from primary and secondary esters, were solved. The acquired data demonstrate the existence of free hydroxyl groups in cutin and reveal novel insights on how the mutations impact the esterification arrangement of cutin. Compared to conventional approaches, the usage of ionic liquids for the study of plant polyesters opens new avenues since simple modifications can be applied to recover a biopolymer carrying distinct types/degrees of modifications ( e.g . preservation of esters or cuticular polysaccharides), which in combination with the solution NMR methodologies developed here, constitutes now essential tools to fingerprint the multi-functionality and the structure of cutin in planta .

Abstract Fruit colour, which is central to the sensorial and nutritional quality of the fruit, is a major breeding target in cultivated strawberry ( Fragaria × ananassa ). Red fruit colour is caused by the accumulation of anthocyanins, which are water-soluble flavonoids. Here, using pseudo F 1 progeny derived from the cv. ‘Capitola’ and the advanced line ‘CF1116’ and taking advantage of the available high density SNP array, we delineated fruit flavonoids mQTLs (13 compounds: anthocyanin, flavonols and flavan-3-ols) and colour-related QTLs (total anthocyanins and fruit colour) to narrow genomic regions corresponding to specific subgenomes of the cultivated strawberry. Findings showed that the overwhelming majority of the anthocyanin mQTLs and other colour-related QTLs are specific to F. vesca subgenome but that other subgenomes also contribute to colour variations. We then focused on two major homoeo-mQTLs for pelargonidin-3-glucoside (PgGs) localized on both male and female maps on linkage group LG3a ( F. vesca subgenome). Combined high-resolution mapping of PgGs mQTLs and colour QTLs, transcriptome analysis of selected progeny individuals and whole genome sequencing of the parents led to the identification of several INDELS in the cis -regulatory region of a MYB102-like ODORANT gene and of the deletion of a putative MADS box binding motif in the 5’UTR upstream region of an anthocyanidin reductase ( ANR) gene, which likely underlie significant colour variations in strawberry fruit. The implications of these findings are important for the functional analysis and genetic engineering of colour-related genes and for the breeding by Marker-Assisted-Selection of new strawberry varieties with improved colour and health-benefits.

Abstract Fruit quality traits are major breeding targets in cultivated strawberry ( Fragaria × ananassa ). Taking into account the requirements of both growers and consumers when selecting high quality cultivars is a real challenge. Here, we used an original diversity panel enriched with unique European accessions and the 50K FanaSNP array to highlight the evolution of strawberry diversity over the past 160 years, investigate the molecular basis of 12 major fruit quality traits by GWAS, and provide genetic markers for breeding. Results show that considerable improvements of key breeding targets including fruit weight, firmness, composition and appearance occurred simultaneously in European and American populations. Despite the high genetic diversity of our panel, we observed a drop in nucleotide diversity in certain chromosome regions, revealing the impact of selection. GWAS identified 71 associations with 11 quality traits and, while validating known associations (firmness, sugar), highlighted the predominance of new QTL, demonstrating the value of using untapped genetic resources. Three of the six selective sweeps detected are related to glossiness or skin resistance, two little-studied traits important for fruit attractiveness and, potentially, postharvest shelf-life. Moreover, major QTL for firmness, glossiness, skin resistance and susceptibility to bruising are found within a low diversity region of chromosome 3D. Stringent search for candidate genes underlying QTL uncovered strong candidates for fruit color, firmness, sugar and acid composition, glossiness and skin resistance. Overall, our study provides a potential avenue for extending shelf-life without compromising flavor and color as well as the genetic markers needed to achieve this goal.

Improved plant varieties are hugely significant in our attempts to face the challenges of a growing human population and limited planet resources. Plant breeding relies on meiotic crossovers to combine favorable alleles into elite varieties (1). However, meiotic crossovers are relatively rare, typically one to three per chromosome (2), limiting the efficiency of the breeding process and related activities such as genetic mapping. Several genes that limit meiotic recombination were identified in the model species Arabidopsis (2). Mutation of these genes in Arabidopsis induces a large increase in crossover frequency. However, it remained to be demonstrated whether crossovers could also be increased in crop species hybrids. Here, we explored the effects of mutating the orthologs of FANCM3, RECQ44 or FIGL15 on recombination in three distant crop species, rice (Oryza sativa), pea (Pisum sativum) and tomato (Solanum lycopersium). We found that the single recq4 mutation increases crossovers ~three-fold in these crops, suggesting that manipulating RECQ4 may be a universal tool for increasing recombination in plants. Enhanced recombination could be used in combination with other state-of-the-art technologies such as genomic selection, genome editing or speed breeding to enhance the pace and efficiency of plant improvement.

The flowering time, which determines when the fruits or seeds can be harvested, is known to be sensitive to plasticity, i.e. the ability of a genotype to display different phenotypes in response to environmental variations. In the context of climate change, strawberry breeding can take advantage of phenotypic plasticity to create high-performing varieties adapted either to local conditions or to a wide range of climates. To decipher how the environment affects the genetic architecture of flowering time in cultivated strawberry (Fragaria × ananassa) and modify its QTL effects, we used a bi-parental segregating population grown for two years at widely divergent latitudes (5 European countries) and combined climatic variables with genomic data (Affymetrix® SNP array). We detected 10 unique flowering time QTL and demonstrated that temperature modulates the effect of plasticity-related QTL. We propose candidate genes for the three main plasticity QTL, including FaTFL1 which is the most relevant candidate in the interval of the major temperature-sensitive QTL (6D_M). We further designed and validated a genetic marker for the 6D_M QTL which offers great potential for breeding programs, for example for selecting of early-flowering strawberry varieties well adapted to different environmental conditions.