Abstract Butterflies have photoreceptor cells that are sensitive to the ultraviolet part of the spectrum due to ultraviolet-sensitive rhodopsin ( UVRh ), a gene that has been duplicated in the Heliconius genus. In individuals expressing UVRh1 and UVRh2, electrophysiological and behavioral studies demonstrate that these opsin proteins enable discrimination of UV wavelengths. This behavioral trait varies between species, being absent in H. melpomene and limited to females in H. erato . To identify the evolutionary origins of this trait, we first examined UV color vision in H. charithonia , a species related to H. erato in the sara/sapho group. We found that this species also has sexually dimorphic UV color vision. To identify the genetic basis of this trait, we built a reference-grade genome assembly of H. charithonia . We discovered that one duplicate, UVRh1 , is present on the W chromosome, making it obligately female-specific. We employed gDNA PCR assays of UVRh1 across the Heliconius genus. In species with sexually dimorphic UVRh1 mRNA expression, UVRh1 gDNA is absent in males, whereas in species with sexually monomorphic UVRh1 mRNA expression, UVRh1 gDNA is found in both sexes. The presence or absence of male UVRh1 expression across the Heliconius phylogeny supports a model where sexual dimorphism was acquired early via movement of a gene duplication to the W-chromosome. We used CRISPR-Cas9 to engineer a deletion in the UVRh1 locus in female H. charithonia and use immunohistochemistry to show that UVRh1 protein expression is absent in mutant tissue, similar to that of males. Our results show that a rare behavioral phenotype, sex-specific UV color vision, was acquired via sex chromosome gene traffic of a duplicated UV rhodopsin.

Accurate and comprehensive characterization of genetic variation is essential for deciphering the genetic basis of diseases and other phenotypes. A vast amount of genetic variation stems from large-scale sequence changes arising from the duplication, deletion, inversion, and translocation of sequences. In the past 10 years, high-throughput short reads have greatly expanded our ability to assay sequence variation due to single nucleotide polymorphisms. However, a recent de novo assembly of a second Drosophila melanogaster reference genome has revealed that short-read genotyping methods miss hundreds of structural variants, including those affecting phenotypes. While genomes assembled using high-coverage long reads can achieve high levels of contiguity and completeness, concerns about cost, errors, and low yield have limited the widespread adoption of such sequencing approaches. Here we resequence the reference strain of D. melanogaster (ISO1) on a single Oxford Nanopore MinION flow cell run for 24 hours. Using only reads longer than 1 kb, or 30x coverage, we de novo assemble a highly contiguous genome. The addition of inexpensive paired reads and subsequent scaffolding using an optical map technology achieved an assembly with completeness and contiguity comparable to the D. melanogaster reference assembly. Surprisingly, comparison of our assembly to the reference assembly of ISO1 uncovered a number of structural variants, including novel LTR transposable element insertions and duplications affecting genes with developmental, behavioral, and metabolic functions. Collectively, these structural variants provide a rare snapshot of the dynamics of metazoan genome evolution. Furthermore, our assembly and comparison to the D. melanogaster reference genome demonstrates that reference-quality de novo assembly of metazoan genomes and comprehensive variant discovery using such assemblies are now possible for under $1,000 USD.

Structural variants (SVs) affect plant phenotypes, but they are a largely unexplored feature of plant genomes. Little is known about the type and size of SVs, their distribution among individuals or their evolutionary dynamics. Here we identify SVs and study their evolutionary dynamics in clonally propagated grapevine cultivars and their outcrossing wild relatives. To catalog SVs, we assembled the highly heterozygous Chardonnay genome, for which one in seven genes is hemizygous. Using genomic inference as the standard, we extended SV detection to population samples. We found that negative selection acts against SVs, but particularly against inversion and translocation events. SVs nonetheless accrue as recessive heterozygotes in clonal lineages. They also define outlier regions of genomic divergence between wild and cultivated grapevines, suggesting roles in domestication. Outlier regions include the sex determination region and the berry color locus, where independent large, complex inversions drive convergent phenotypic evolution.

ABSTRACT RNA molecules carry information in their primary sequence and also their secondary structure. Secondary structure can confer important functional information, but it is also a potential signal for an RNAi-like host epigenetic response mediated by small interfering RNAs (siRNAs). In this study, we predicted local secondary structures in features of the maize genome, focusing on small regions that had folding energies similar to pre-miRNA loci. We found secondary structures to be common in retrotransposons, in Helitrons , and in genes. These structured regions mapped higher diversities of siRNAs than regions without structure, explaining up to 24% of variation of the siRNA distribution across some TE types. Among genes, those with secondary structure were 1.5-fold more highly expressed, on average, than genes without secondary structure. However, these genes were also more variably expressed across the 26 NAM lines, and this variability correlated with the number of mapping siRNAs. We conclude that local stem-loop structures are a nearly ubiquitous feature of expressed regions of the maize genome, that they correlate with higher siRNA mapping, and that they can represent a trade-off between functional need and the potentially negative consequences of siRNA production.

ABSTRACT Background Despite marked recent improvements in long-read sequencing technology, the assembly of diploid genomes remains a difficult task. A major obstacle is distinguishing between alternative contigs that represent highly heterozygous regions. If primary and secondary contigs are not properly identified, the primary assembly will overrepresent both the size and complexity of the genome, which complicates downstream analysis such as scaffolding. Results Here we illustrate a new method, which we call HapSolo, that identifies secondary contigs and defines a primary assembly based on multiple pairwise contig alignment metrics. HapSolo evaluates candidate primary assemblies using BUSCO scores and then distinguishes among candidate assemblies using a cost function. The cost function can be defined by the user but by default considers the number of missing, duplicated and single BUSCO genes within the assembly. HapSolo performs hill climbing to minimize cost over thousands of candidate assemblies. We illustrate the performance of HapSolo on genome data from three species: the Chardonnay grape ( Vitis vinifera ), with a genome of 490Mb, a mosquito ( Anopheles funestus; 200Mb) and the Thorny Skate ( Amblyraja radiata ; 2,650 Mb). Conclusions HapSolo rapidly identified candidate assemblies that yield improvements in assembly metrics, including decreased genome size and improved N50 scores. Contig N50 scores improved by 35%, 9% and 9% for Chardonnay, mosquito and the thorny skate, respectively, relative to unreduced primary assemblies. The benefits of HapSolo were amplified by down-stream analyses, which we illustrated by scaffolding with Hi-C data. We found, for example, that prior to the application of HapSolo, only 52% of the Chardonnay genome was captured in the largest 19 scaffolds, corresponding to the number of chromosomes. After the application of HapSolo, this value increased to ~84%. The improvements for mosquito scaffolding were similar to that of Chardonnay (from 61% to 86%), but even more pronounced for thorny skate. We compared the scaffolding results to assemblies that were based on another published method for identifying secondary contigs, with generally superior results for HapSolo.