Abstract Despite the importance in understanding the impact of climate change, the genetics of rapid response to changing environments and its role in adaptive evolution remains elusive. Here, we studied flowering time response to environment changes using 514 Arabidopsis thaliana worldwide accessions with re-sequencing genomes and flowering time measurements from ten unique environments with variable temperature, drought, daylight and competition stresses. We revealed a polygenic basis of flowering time mean and plasticity, underpinned by 52 mean and plasticity QTL. Widespread interaction between mean QTL, polygenic background and surrounding environments considerably altered the amount of additive genetic variance and allelic effects of detected QTL. This caused variability in phenotype plasticity and across environment variation in genetic variance, resulting in rapid flowering time response to environment perturbations. In addition, the plastic alleles showed a higher correlation with the environment factors than that from randomly sampled alleles, suggesting a potential role in climate adaptation. We therefore proposed a polygenic interaction model, whereby large effect QTL and polygenic background simultaneously interacted with the surrounding environment, underlying rapid response to changing environments. Results from our study thus provided deeper insights into the genetics of plasticity, with potential benefit in genomic selection of crops in heterogeneous environments and predicting changes in species distribution and the evolutionary trajectory of wild populations.

Phenotypic plasticity displayed by an animal in response to different environmental conditions is supposedly crucial for its survival and reproduction. The female adults of some ant lineages display phenotypic plasticity related to reproductive role. In pharaoh ant queens, insemination induces substantial physiological/behavioral changes and implicates remarkable gene regulatory network (GRN) shift in the brain. Here, we report a neuropeptide neuroparsin A ( NPA ) showing a conserved expression pattern associated with reproductive activity across ant species. Knock-down of NPA in unmated queen enhances ovary activity, whereas injection of NPA peptide in fertilized queen suppresses ovary activity. We found that NPA mainly affected the downstream gene JHBP in the ovary, which is positively regulated by NPA and suppression of which induces elevated ovary activity, and shadow which is negatively regulated by NPA. Furthermore, we show that NPA was also employed into the brain–ovary axis in regulating the worker reproductive changes in other distantly related species, such as Harpegnathos venator ants.

Abstract By analyzing 1771 RNA-seq datasets from seven tissues in a maize diversity panel, we explored the landscape of multi-tissue transcriptome variation and evolution patterns of tissue-specific genes, and built a comprehensive multi-tissue gene regulation atlas to understand the genetic regulation of maize complex trait. Using transcriptome-wide association analysis, we linked tissue-specific expression variation of 45 genes to variation of 11 agronomic traits. Through integrative analyses of tissue-specific gene regulatory variation with genome-wide association studies, we detected relevant tissue types and candidate genes for a number of agronomic traits, including leaf during the day for anthesis-silking interval ( GRMZM2G093210 ), leaf during the day for kernel Zeinoxanthin level ( GRMZM2G143202 ), and root for ear height ( GRMZM2G700665 ), highlighting the contribution from tissue-specific gene expression to variation of agronomic trait. Our findings provide novel insights into the genetic and biological mechanisms underlying complex traits in maize, and the multi-tissue regulatory atlas serves as a primary source for biological interpretation, functional validation, and genomic improvement of maize.

Abstract Phenotypic plasticity is the property of a given genotype to produce multiple phenotypes in response to changing environmental conditions. Understanding the genetic basis of phenotypic plasticity and establishing a predictive model is highly relevant for future agriculture under changing climate. Here, we investigated the genetic basis of leaf width plasticity in a tobacco MAGIC population across four different environments. Environmental changes not only resulted in differences in leaf width mean but also in leaf width plasticity. A total of 45 QTL were identified, including 14 QTL for leaf width mean and 43 for leaf width plasticity, with 12 overlap. Changes in the environment affected the magnitude of several QTL, thereby influencing phenotypic plasticity. We identified a QTL, qLW14, associated with leaf width plasticity and leaf width mean at Zhucheng, but had no significant impact at Guiyang, indicating that changes in the environment contributed to variations in leaf width plasticity. By integrating genetic diversity, environmental variation, and their interactions into a unified model, we were able to build a model for cross-environment predictions, and improved prediction accuracy by 7.2%. Overall, this study reveals complex genetic basis involving multiple alleles, and genotype interactions underlying variations of leaf width mean and plasticity. These findings contribute to assessing the role of plasticity in responding to climate or other environmental changes.

The clonal raider ant, Ooceraea biroi , is a queenless species that reproduces asexually, and these traits make it an attractive model system for laboratory research. However, it is unclear where on the ant phylogeny these traits evolved, partly because few closely related species have been described and studied. Here, we describe a new raider ant species, Ooceraea hainingensis sp. nov. , from Zhejiang, China. This species is closely related to O. biroi but can be distinguished by the following features: 1) workers of O. hainingensis sp. nov. have an obvious promesonotal suture and a metanotal groove, whereas these characters are ambiguous in O. biroi ; and 2) the subpetiolar process of O. hainingensis is prominent and anteroventrally directed like a thumb with sublinear posteroventral margin, while in O. biroi , it is anteroventrally directed but slightly backward-bent. Molecular phylogenetic analyses confirm that O. hainingensis is genetically distinct from O. biroi . Importantly, unlike O. biroi , O. hainingensis has a queen caste with wings and well-developed eyes. This suggests that the loss of the queen caste and transition to asexual reproduction by workers is specific to O. biroi and occurred after that species diverged from closely related congeneric species.

Photosynthesis is the most important reaction underlying carbon fixation. Despite its potential in boosting carbon assimilation, nature variations underlying genes in photosynthesis pathway and their role in adaptive traits variation remains elusive. In this study, we investigated the genetic, transcriptomic variation of 1103 genes in photosynthesis associated pathways, including 82 photosynthesis core genes, 24 plastid-encoded RNA polymerase related genes, 2 nucleus-encoded RNA polymerase-related genes, 34 photomorphogenesis-related genes, 40 genes involved in transcription and translation (TAC) and 938 other nuclear-encoded chloroplast-targeted genes. By de novo assembling the chloroplast genomes of 28 representative accessions and leveraging whole-genome, transcriptome sequencing data from the 1001 Genome Project, we revealed extensive natural genetic and transcriptome variations these genes in worldwide Arabidopsis thaliana population. 34.0% of them were identified with regulatory variations in expression quantitative locus mapping (eQTL) mapping, including key components of Rubisco (RBCS1B, RBCS2B), and Rubisco activase (RCA). Genome-wide and transcriptome-wide association analysis (GWAS/TWAS) showed that these genetic and transcriptomic variations made considerable contribution to variation of adaptive traits. Overall, our study provides insight into the natural genetic variation of these genes among worldwide Arabidopsis thaliana accessions and their role in complex traits variation and adaptation.