The African malaria mosquito, Anopheles gambiae sensu stricto (A. gambiae), provides a unique opportunity to study the evolution of reproductive isolation because it is divided into two sympatric, partially isolated subtaxa known as M form and S form. With the annotated genome of this species now available, high-throughput techniques can be applied to locate and characterize the genomic regions contributing to reproductive isolation. In order to quantify patterns of differentiation within A. gambiae, we hybridized population samples of genomic DNA from each form to Affymetrix GeneChip microarrays. We found that three regions, together encompassing less than 2.8 Mb, are the only locations where the M and S forms are significantly differentiated. Two of these regions are adjacent to centromeres, on Chromosomes 2L and X, and contain 50 and 12 predicted genes, respectively. Sequenced loci in these regions contain fixed differences between forms and no shared polymorphisms, while no fixed differences were found at nearby control loci. The third region, on Chromosome 2R, contains only five predicted genes; fixed differences in this region were also verified by direct sequencing. These “speciation islands” remain differentiated despite considerable gene flow, and are therefore expected to contain the genes responsible for reproductive isolation. Much effort has recently been applied to locating the genes and genetic changes responsible for reproductive isolation between species. Though much can be inferred about speciation by studying taxa that have diverged for millions of years, studying differentiation between taxa that are in the early stages of isolation will lead to a clearer view of the number and size of regions involved in the genetics of speciation. Despite appreciable levels of gene flow between the M and S forms of A. gambiae, we were able to isolate three small regions of differentiation where genes responsible for ecological and behavioral isolation are likely to be located. We expect reproductive isolation to be due to changes at a small number of loci, as these regions together contain only 67 predicted genes. Concentrating future mapping experiments on these regions should reveal the genes responsible for reproductive isolation between forms.

RNA-seq is revolutionizing the way we study transcriptomes. mRNA can be surveyed without prior knowledge of gene transcripts. Alternative splicing of transcript isoforms and the identification of previously unknown exons are being reported. Initial reports of differences in exon usage, and splicing between samples as well as quantitative differences among samples are beginning to surface. Biological variation has been reported to be larger than technical variation. In addition, technical variation has been reported to be in line with expectations due to random sampling. However, strategies for dealing with technical variation will differ depending on the magnitude. The size of technical variance, and the role of sampling are examined in this manuscript. In this study three independent Solexa/Illumina experiments containing technical replicates are analyzed. When coverage is low, large disagreements between technical replicates are apparent. Exon detection between technical replicates is highly variable when the coverage is less than 5 reads per nucleotide and estimates of gene expression are more likely to disagree when coverage is low. Although large disagreements in the estimates of expression are observed at all levels of coverage. Technical variability is too high to ignore. Technical variability results in inconsistent detection of exons at low levels of coverage. Further, the estimate of the relative abundance of a transcript can substantially disagree, even when coverage levels are high. This may be due to the low sampling fraction and if so, it will persist as an issue needing to be addressed in experimental design even as the next wave of technology produces larger numbers of reads. We provide practical recommendations for dealing with the technical variability, without dramatic cost increases.

Abstract While the domestication history has been investigated in many crops, the process of cultivation range expansion and factors governing this process received relatively little attention. Here using mungbean ( Vigna radiata var. radiata ) as a test case, we investigated the genomes of more than one thousand accessions to illustrate climatic adaptation’s role in dictating the unique routes of cultivation range expansion. Despite the geographical proximity between South and Central Asia, genetic evidence suggests mungbean cultivation first spread from South Asia to Southeast, East, and finally reached Central Asia. Combining evidence from demographic inference, climatic niche modeling, plant morphology, and records from ancient Chinese sources, we showed that the specific route was shaped by the unique combinations of climatic constraints and farmer practices across Asia, which imposed divergent selection favoring higher yield in the south but short-season and more drought-tolerant accessions in the north. Our results suggest that mungbean did not radiate from the domestication center as expected purely under human activity, but instead the spread of mungbean cultivation is highly constrained by climatic adaptation, echoing the idea that human commensals are more difficult to spread through the south-north axis of continents.

Genome sequences from North American Drosophila melanogaster populations have become available to the scientific community. Deciphering the underlying population structure of these resources is crucial to make the most of these population genomic resources. Accepted models of North American colonization generally purport that several hundred years ago, flies from Africa and Europe were transported to the east coast United States and the Caribbean Islands respectively and thus current east coast US and Caribbean populations are an admixture of African and European ancestry. Theses models have been constructed based on phenotypes and limited genetic data. In our study, we have sequenced individual whole genomes of flies from populations in the southeast US and Caribbean Islands and examined these populations in conjunction with population sequences from Winters, CA, (USA); Raleigh, NC (USA); Cameroon (Africa); and Montpellier (France) to uncover the underlying population structure of North American populations. We find that west coast US populations are most like European populations likely reflecting a rapid westward expansion upon first settlements into North America. We also find genomic evidence of African and European admixture in east coast US and Caribbean populations, with a clinal pattern of decreasing proportions of African ancestry with higher latitude further supporting the proposed demographic model of Caribbean flies being established by African ancestors. Our genomic analysis of Caribbean flies is the first study that exposes the source of previously reported novel African alleles found in east coast US populations.

Planarian flatworms have emerged as highly promising models of body regeneration due to the many stem cells scattered through their bodies. Currently, there is no consensus as to the number of stem cells active in each cycle of regeneration or the equality of their relative contributions. We approached this problem with a population genetic model of somatic genetic drift. We modeled the fissiparous life cycle of asexual planarians as an asexual population of cells that goes through repeated events of splitting into two subpopulations followed by population growth to restore the original size. We sampled a pedigree of obligate asexual clones of Girardia cf. tigrina at multiple time points encompassing 14 generations. Effective population size of stem cells was inferred from the magnitude of temporal fluctuations in the frequency of somatic variants and under most of the examined scenarios was estimated to be in the range of a few hundreds. Average genomic nucleotide diversity was 0.00398. Assuming neutral evolution and mutation-drift equilibrium, the somatic mutation rate was estimated in the 10−5 − 10−7 range. Alternatively, we estimated N e and somatic μ from temporal changes in nucleotide diversity π without the assumption of equilibrium. This second method suggested even smaller N e and larger μ . A key unknown parameter in our model on which estimates of N e and μ depend is g , the ratio of cellular to organismal generations determined by tissue turnover rate. Small effective number of propagating stem cells might contribute to reducing reproductive conflicts in clonal organisms.

Abstract Domestication and improvement are two crucial processes underlying the evolution of crops. Domestication transformed wild plants into a utilizable form for humans; improvement refined cultivars adapting to distinct environments and local preferences. Using whole-genome re-sequencing of Vigna radiata , we investigated the demographic history and compared the genetic footprints of domestication and improvement. The Asian wild population migrated to Australia at about 50 kya, and domestication happened in Asia about 9 kya selecting for non-shattering pods. The key candidate gene for this trait, VrMYB26a , has lower expression in cultivars, consistent with the reduced polymorphism in the promoter region reflecting hard selective sweep. The determinate stems were later selected as an improvement phenotype and associated with the gene VrDet1 . Two ancient haplotypes reducing gene expression exhibit intermediate frequencies in cultivars, consistent with selection favoring independent haplotypes in soft selective sweep. Our results suggest domestication and improvement may leave different genomic signatures of selection, reflecting the fundamental differences in the two processes and highlighting the limitations of genome-scan methods relying on hard selective sweep.

Despite the significant advance in our understanding of the molecular basis of light entrainment of the circadian clock in Drosophila, the underlying genetic architecture is still largely unknown. The aim of this study was to identify loci associated with variation in circadian photosensitivity, which are important for the evolution of this trait. We have used complementary approaches that combined quantitative trait loci (QTL) mapping, complementation testing and transcriptome profiling to dissect this variation. We identified a major QTL on chromosome 2, which was subsequently fine-mapped using deficiency complementation mapping into two smaller regions spanning 139 genes, some of which are known to be involved in functions which have been previously implicated in light entrainment. Two genes implicated with the clock and located within that interval, timeless and cycle, failed to complement the QTL, indicating that alleles of these genes contribute to the variation in light response. Specifically, we find that the timeless s/ls polymorphism that has been previously shown to constitute a latitudinal cline in Europe, is also segregating in our recombinant inbred lines, and is contributing to the phenotypic variation in light sensitivity. We have also profiled gene expression in two recombinant inbred strains that differ significantly in their photosensitivity, and identified a total of 368 transcripts that showed differential expression (FDR < 0.1). Out of 131 transcripts that showed a significant RIL by treatment interaction (i.e. putative expression QTL), four are located within QTL2.

Genomic transposable elements (TEs) comprise nearly half of the human genome. The expression of TEs is considered potentially hazardous, as it can lead to insertional mutagenesis and genomic instability. However, recent studies have revealed that TEs are involved in immune-mediated cell clearance. Hypomethylating agents can increase the expression of TEs in cancer cells, inducing viral mimicry, causing interferon signalling and cancer cell killing. To investigate the role of TEs in the pathogenesis of acute myeloid leukaemia (AML), we studied TE expression in several cell fractions of AML while tracking its development (pre-leukemic haematopoietic stem cells, leukemic stem cells [LSCs], and leukemic blasts). LSCs, which are resistant to chemotherapy and serve as reservoirs for relapse, showed significant suppression of TEs and interferon pathways. Similarly, high-risk cases of myelodysplastic syndrome (MDS) showed far greater suppression of TEs than low-risk cases. We propose TE suppression as a mechanism for immune escape in AML and MDS. Repression of TEs co-occurred with the upregulation of several genes known to modulate TE expression, such as RNA helicases and autophagy genes. Thus, we have identified potential pathways that can be targeted to activate cancer immunogenicity via TEs in AML and MDS.

Abstract We propose a new model for the association of chromatin state and sex-bias in expression. We hypothesize enrichment of open chromatin in the sex where we see expression bias (OS) and closed chromatin in the opposite sex (CO). In this study of D. melanogaster and D. simulans head tissue, sex-bias in expression is associated with H3K4me3 (open mark) in males for male-biased genes and in females for female-biased genes in both species. Sex-bias in expression is also largely conserved in direction and magnitude between the two species on the X and autosomes. In male-biased orthologs, the sex-bias ratio is more divergent between species if both species have H3K27me2me3 marks in females compared to when either or neither species has H3K27me2me3 in females. H3K27me2me3 marks in females are associated with male-bias in expression on the autosomes in both species, but on the X only in D. melanogaster . In female-biased orthologs the relationship between the species for the sex-bias ratio is similar regardless of the H3K27me2me3 marks in males. Female-biased orthologs are more similar in the ratio of sex-bias than male-biased orthologs and there is an excess of male-bias in expression in orthologs that gain/lose sex-bias. There is an excess of male-bias in sex-limited expression in both species suggesting excess male-bias is due to rapid evolution between the species. The X chromosome has an enrichment in male-limited H3K4me3 in both species and an enrichment of sex-bias in expression compared to the autosomes.