Abstract Non-recombining sex chromosomes, like the mammalian Y, often lose genes and accumulate transposable elements, a process termed degeneration 1,2 . The correlation between suppressed recombination and degeneration is clear in animal XY systems 1,2 , but the absence of recombination is confounded with other asymmetries between the X and Y. In contrast, UV sex chromosomes, like those found in bryophytes, experience symmetrical population genetic conditions 3,4 . Here we test for degeneration in the bryophyte UV sex chromosome system through genomic comparisons with new female and male chromosome-scale reference genomes of the moss Ceratodon purpureus . We show that the moss sex chromosomes evolved over 300 million years ago and expanded via two chromosomal fusions. Although the sex chromosomes show signs of weaker purifying selection than autosomes, we find suppressed recombination alone is insufficient to drive gene loss on sex-specific chromosomes. Instead, the U and V sex chromosomes harbor thousands of broadly-expressed genes, including numerous key regulators of sexual development across land plants.

ABSTRACT Premise of the study New sequencing technologies enable the possibility of generating large-scale molecular datasets for constructing the plant tree of life. We describe a new probe set for target enrichment sequencing to generate nuclear sequence data to build phylogenetic trees with any flagellate plants, comprising hornworts, liverworts, mosses, lycophytes, ferns, and gymnosperms. Methods and Results We leveraged existing transcriptome and genome sequence data to design a set of 56,989 probes for target enrichment sequencing of 451 nuclear exons and non-coding flanking regions across flagellate plant lineages. We describe the performance of target enrichment using the probe set across flagellate plants and demonstrate the potential of the data to resolve relationships among both ancient and closely related taxa. Conclusions A target enrichment approach using the new probe set provides a relatively low-cost solution to obtain large-scale nuclear sequence data for inferring phylogenetic relationships across flagellate plants.

Abstract The evolution of mutualism depends critically upon genetic variation in the fitness benefit to both partners. Estimates of these quantities are rare, however, because genetic variation for the interaction may be absent, aspects of the interaction may not be amenable to experimental manipulation, or the benefits to one partner may be unknown. In vitro experiments show that female mosses produce odors which attract sperm-dispersing microarthropods, but the fitness consequences of this interaction for either partner are unknown. Here we established experimental mesocosms to test for a commensal effect of sperm-dispersing microarthropods on moss reproduction. We found that of moss grown with microarthropods showed increased moss reproductive rates by five times, relative to control mesocosms, but remarkably also increased the number of reproducing genotypes, and changed the rank-order of fitness for both male and female genotypes. These results provide an estimate of the fitness benefit for mosses in the presence of microarthropods, and highlight the potential for biotic dispersal agents to alter fitness among moss genotypes in this relationship.

Abstract ‘Honeycrisp’ is one of the most valuable apple cultivars grown in the United States and a popular breeding parent due to its superior fruit quality traits, high levels of cold hardiness, and disease resistance. However, it suffers from a number of physiological disorders and is susceptible to production and postharvest issues. Although several apple genomes have been sequenced in the last decade, there is still a substantial knowledge gap in understanding the genetic mechanisms underlying cultivar-specific traits. Here we present a fully phased, chromosome-level genome of ‘Honeycrisp’ apples, using PacBio HiFi, Omni-C, and Illumina sequencing platforms. Our genome assembly is by far the most contiguous among all the apple genomes. The sizes of the two assembled haplomes are 674 Mb and 660 Mb, with contig N50s of 32.8 Mb and 31.6 Mb, respectively. In total, 47,563 and 48,655 protein coding genes were annotated from each haplome, capturing 96.8-97.4% complete BUSCOs in the eudicot database, the most complete among all Malus annotations. A gene family analysis using seven Malus genomes shows that a vast majority of ‘Honeycrisp’ genes are assigned into orthogroups shared with other genomes, but it also reveals 121 ‘Honeycrisp’-specific orthogroups. We provide a valuable resource for understanding the genetic basis of horticulturally important traits in apples and other related tree fruit species, including at-harvest and postharvest fruit quality, abiotic stress tolerance, and disease resistance, all of which can enhance breeding efforts in Rosaceae.

Abstract Euphorbia peplus (petty spurge) is a small, fast-growing plant that is native to Eurasia and has become a naturalized weed in North America and Australia. E. peplus is not only medicinally valuable, serving as a source for the skin cancer drug ingenol mebutate, but also has great potential as a model for latex production owing to its small size, ease of manipulation in the laboratory, and rapid reproductive cycle. To help establish E. peplus as a new model, we generated a 267.2 Mb HiC-anchored PacBio HiFi nuclear genome assembly with an embryophyta BUSCO score of 98.5%, a genome annotation based on RNA-seq data from six tissues, and publicly accessible tools including a genome browser and an interactive organ-specific expression atlas. Chromosome number is highly variable across Euphorbia species. Using a comparative analysis of our newly sequenced E. peplus genome with other Euphorbiaceae genomes, we show that variation in Euphorbia chromosome number is likely due to fragmentation and rearrangement rather than aneuploidy. Moreover, we found that the E. peplus genome is relatively compact compared to related members of the genus in part due to restricted expansion of the Ty3 transposon family. Finally, we identify a large gene cluster that contains many previously identified enzymes in the putative ingenol mebutate biosynthesis pathway, along with additional gene candidates for this biosynthetic pathway. The genomic resources we have created for E. peplus will help advance research on latex production and ingenol mebutate biosynthesis in the commercially important Euphorbiaceae family. Significance statement Euphorbia is one of the five largest genera in the plant kingdom. Despite an impressive phenotypic and metabolic diversity in this genus, only one Euphorbia genome has been sequenced so far, restricting insights into Euphorbia biology. Euphorbia peplus has excellent potential as a model species due to its latex production, fast growth rate and production of the anticancer drug ingenol mebutate. Here, we present a chromosome-level E. peplus genome assembly and publicly accessible resources to support molecular research for this unique species and the broader genus. We also provide an explanation of one reason the genome is so small, and identify more candidate genes for the anticancer drug and related compounds.

Abstract Cultivated pear consists of several Pyrus species with P. communis (European pear) representing a large fraction of worldwide production. As a relatively recently domesticated crop and perennial tree, pear can benefit from genome-assisted breeding. Additionally, comparative genomics within Rosaceae promises greater understanding of evolution within this economically important family. Here, we generate a fully-phased chromosome-scale genome assembly of P. communis cv. ‘d’Anjou’. Using PacBio HiFi and Dovetail Omni-C reads, the genome is resolved into the expected 17 chromosomes, with each haplotype totalling nearly 540 Megabases and a contig N50 of nearly 14 Mb. Both haplotypes are highly syntenic to each other, and to the Malus domestica ‘Honeycrisp’ apple genome. Nearly 45,000 genes were annotated in each haplotype, over 90% of which have direct RNA-seq expression evidence. We detect signatures of the known whole-genome duplication shared between apple and pear, and we estimate 57% of d’Anjou genes are retained in duplicate derived from this event. This genome highlights the value of generating phased diploid assemblies for recovering the full allelic complement in highly heterozygous crop species.

Abstract A central goal in evolutionary genomics is to understand the processes that shape genetic variation in natural populations. In anisogamous species, these processes may generate asymmetries between genes transmitted through sperm or eggs. The unique inheritance of sex chromosomes facilitates studying such asymmetries, but in many systems sex-biased mutation, demography, and selection are confounded with suppressed recombination in only one sex (the W in females, or the Y in males). However, in a UV sex-determination system, both sex chromosomes are sex-specific and experience suppressed recombination. Here we built a spatially-structured simulation to examine the effects of population density and sex-ratio on female and male effective population size in haploids and compare the results to polymorphism data from whole-genome resequencing of the moss Ceratodon purpureus . In the parameter space we simulated, males nearly always had a lower effective population size than females. Using the C. purpureus resequencing data, we found the U and V have lower nucleotide diversity than the autosomal mean, and the V is much lower than the U, however, we found no parameter set in the model that explained both the U/V and U/autosome ratios we observed. We next used standard molecular evolutionary analyses to test for sex-biased mutation and selection. We found that males had a higher mutation rate but that natural selection shapes variation on the UV sex chromosomes. All together the moss system highlights how anisogamy alone can exert a profound influence on genome-wide patterns of molecular evolution.

Estimates of de novo mutation rates are essential for phylogenetic and demographic analyses, but their inference has previously been impeded by high error rates in sequence data and uncertainty in the fossil record. Here, we directly estimate de novo germline mutation rates for all extant members of Panthera, as well as the closely related outgroup Neofelis nebulosa, using pedigrees. We use a previously validated pipeline (RatesTools) to calculate mutation rate for each species and subsequently explore the impacts of the novel rates on historic effective population size estimates in each of these charismatic felids of conservation concern. Importantly, we find that the choice of reference genome, the data type and coverage, and the individual all impact estimates of the mutation rate. Despite these stochastic effects, we inferred that base pair mutation rates for all species fell between 0.5 and 1.4e-08 per generation per base pair (mean 0.81e-08 +/- 0.35-08 across Pantherinae). Our results provide a cautionary view on inter-species mutation rate comparisons, given the error associated with the reference genome choice and sequencing depth of coverage of the individuals.

Mosses have long served as models for studying many areas of plant biology. Investigators have used two-dimensional measurements of juvenile growth from photographs as a surrogate for dry-weight biomass. The relationship between area and biomass, however, has not been critically evaluated. Here we grew axenic tissue cultures of ten Ceratodon purpureus isolates to study the relationship between these parameters. We measured area and biomass on replicate cultures with two distinct starting inoculum sizes each week for three weeks and examined the correlation between area and biomass as well as the influence of variation in inoculum size on both parameters. We found a strong correlation between area and biomass after two weeks of growth. Furthermore, we found inoculum size affected biomass during the first week of growth but not subsequent weeks and inoculum size had no detectible effect on area. These analyses provide experimental confirmation that area is a suitable proxy for biomass and provide clear guidelines for when inoculum size variation may affect downstream growth estimates.

Sex chromosomes have evolved hundreds of times, and their recent origins in flowering plants can shed light on the early consequences of suppressed recombination. Amborella trichopoda, the sole species on a lineage that is sister to all other extant flowering plants, is dioecious with a young ZW sex determination system. Here we present a haplotype-resolved genome assembly, including highly-contiguous assemblies of the Z and W chromosomes. We identify a ~3-Megabase sex-determination region (SDR) captured in two strata that includes a ~300-Kilobase inversion that is enriched with repetitive sequence and contains a homolog of the Arabidopsis METHYLTHIOADENOSINE NUCLEOSIDASE (MTN1-2) genes, which are known to be involved in fertility. However, the remainder of the SDR does not show patterns typically found in non-recombining SDRs, like repeat accumulation and gene loss. These findings are consistent with the hypothesis that dioecy is recently derived in Amborella and the sex chromosome pair has not significantly degenerated.