Plant genomes are often characterized by a high level of repetitiveness and polyploid nature. Consequently, creating genome assemblies for plant genomes is challenging. The introduction of short-read technologies 10 years ago substantially increased the number of available plant genomes. Generally, these assemblies are incomplete and fragmented, and only a few are at the chromosome scale. Recently, Pacific Biosciences and Oxford Nanopore sequencing technologies were commercialized that can sequence long DNA fragments (kilobases to megabase) and, using efficient algorithms, provide high-quality assemblies in terms of contiguity and completeness of repetitive regions1–4. However, even though genome assemblies based on long reads exhibit high contig N50s (>1 Mb), these methods are still insufficient to decipher genome organization at the chromosome level. Here, we describe a strategy based on long reads (MinION or PromethION sequencers) and optical maps (Saphyr system) that can produce chromosome-level assemblies and demonstrate applicability by generating high-quality genome sequences for two new dicotyledon morphotypes, Brassica rapa Z1 (yellow sarson) and Brassica oleracea HDEM (broccoli), and one new monocotyledon, Musa schizocarpa (banana). All three assemblies show contig N50s of >5 Mb and contain scaffolds that represent entire chromosomes or chromosome arms. Assembling genomes to chromosome scale remains a challenge. Now, a study reports a strategy based on nanopore long reads and optical maps and uses it to produce high-quality chromosome-scale assemblies for the genomes of yellow sarson, broccoli and banana.

Abstract Long-read technologies hold the promise to obtain more complete genome assemblies and to make them easier. Coupled with long-range technologies, they can reveal the architecture of complex regions, like centromeres or rDNA clusters. These technologies also make it possible to know the complete organization of chromosomes, which remained complicated before even when using genetic maps. However, generating a gapless and telomere-to-telomere assembly is still not trivial, and requires a combination of several technologies and the choice of suitable software. Here, we report a chromosome-scale assembly of a banana genome ( Musa acuminata ) generated using Oxford Nanopore long-reads. We generated a genome coverage of 177X from a single PromethION flowcell with near 17X with reads longer than 75Kb. From the 11 chromosomes, 5 were entirely reconstructed in a single contig from telomere to telomere, revealing for the first time the content of complex regions like centromeres or clusters of paralogous genes.

Abstract Societal impact statement Bananas are nutritious fruits of major importance in the tropics and subtropics. Characterizing their diversity is essential to ensure their conservation and use. A catalogue showcasing cultivated bananas genomic diversity was compiled and is to be used as a tool to support the classification of banana cultivars. This research revealed that cultivated banana groups are not all made of identical clones. Materials from recent collecting missions indicated that more banana diversity is expected to be found as the exploration of the banana gene pool continues. These discoveries will drive dynamic conservation strategies for banana genetic resources and will increase their use. Summary Banana is an important food crop cultivated in many tropical and subtropical regions around the world. Due to their low fertility, banana landraces are clonally propagated. However, different factors, such as synonymy and the effects of environment, make their assignment to described sets of clones, or cultivar groups, difficult. Consequently, passport data of accessions in genebanks is often uncomplete and sometimes inaccurate. With the recent advances in genomics, a new powerful tool was developed enabling the fine-scale characterization of banana’s ancestry along chromosomes, i.e. in silico chromosome painting. We applied this method to a high-throughput genotyping data set obtained from 317 banana accessions spanning most of the known cultivar groups. This set included both genebank and new uncharacterized materials. By comparing curated morphological assignation to the genomic patterns resulting from in silico chromosome painting, we were able to compile a catalogue referencing the chromosome painting patterns of most of the described cultivar groups. Examining the genomic patterns obtained, we discovered intra-cultivar group variability. In some cultivar groups, mitotic recombination or deletions were clonally accumulated in cultivars. In addition, we identified at least 4 cultivar groups in which cultivars likely resulting from distinct sexual events co-existed, notably Pisang Awak in which 5 distinct genomic patterns of two ploidy levels were identified. New patterns were also discovered in the newest materials of the set, showing that a wider diversity of clones still exist on farm .

Abstract Animal African trypanosomosis, caused by blood protozoan parasites transmitted mainly by tsetse flies, represents a major constraint for millions of cattle in sub-Saharan Africa. Exposed cattle include trypanosusceptible indicine breeds, severely affected by the disease, and West African taurine breeds called trypanotolerant owing to their ability to control parasite development, survive and grow in enzootic areas. Until now the genetic basis of trypanotolerance remains unclear. Here, to improve knowledge of the biological processes involved in trypanotolerance versus trypanosusceptibility, we identified bovine genes differentially expressed in five West African cattle breeds during an experimental infection by Trypanosoma congolense and their biological functions. To this end, whole blood genome-wide transcriptome of three trypanotolerant taurine breeds (N’Dama, Lagune and Baoulé), one susceptible zebu (Zebu Fulani) and one African taurine x zebu admixed breed (Borgou) were profiled by RNA sequencing at four time points, one before and three during infection. As expected, infection had a major impact on cattle blood transcriptome regardless of the breed. The functional analysis of differentially expressed genes over time in each breed confirmed an early activation of the innate immune response, followed by an activation of the humoral response and an inhibition of T cell functions at the chronic stage of infection. More importantly, we highlighted overlooked features, such as a strong disturbance in host metabolism and cellular energy production that differentiates trypanotolerant and trypanosusceptible breeds. N’Dama breed showed the earliest regulation of immune response, associated with a strong activation of cellular energy production, also observed in Lagune, and to a lesser extent in Baoulé. Susceptible Zebu Fulani breed differed from other breeds by the strongest modification in lipid metabolism regulation. Overall, this study provides a better understanding of the biological mechanisms at work during infection, especially concerning the interplay between immunity and metabolism that seems differentially regulated depending on the cattle breeds.

Abstract Among legumes (Fabaceae) capable of nitrogen-fixing nodulation, several Aeschynomene spp. use a unique symbiotic process that is independent of Nod factors and infection threads. They are also distinctive in developing root and stem nodules with photosynthetic bradyrhizobia. Despite the significance of these symbiotic features, their understanding remains limited. To overcome such limitations, we conducted genetic studies of nodulation in Aeschynomene evenia , supported by the development of a genome sequence for A. evenia and transcriptomic resources for 10 additional Aeschynomene spp. Comparative analysis of symbiotic genes substantiated singular mechanisms in the early and late nodulation steps. A forward genetic screen also showed that AeCRK , coding a novel receptor-like kinase, and the symbiotic signaling genes AePOLLUX, AeCCamK, AeCYCLOPS, AeNSP2 and AeNIN , are required to trigger both root and stem nodulation. This work demonstrates the utility of the A. evenia model and provides a cornerstone to unravel new mechanisms underlying the rhizobium-legume symbiosis.

Various models describe asexual evolution by mutation, selection and drift. Some focus directly on fitness, typically modelling drift but ignoring or simplifying both epistasis and the distribution of mutation effects (travelling wave models). Others follow the dynamics of quantitative traits determining fitness (Fisher′s geometrical model), imposing a complex but fixed form of mutation effects and epistasis, and often ignoring drift. In all cases, predictions are typically obtained in high or low mutation rate limits and for long-term stationary regimes, thus loosing information on transient behaviors and the effect of initial conditions. Here, we connect fitness-based and trait-based models into a single framework, and seek explicit solutions even away from stationarity. The expected fitness distribution is followed over time via its cumulant generating function, using a deterministic approximation that neglects drift. In several cases, explicit trajectories for the full fitness distribution are obtained, for arbitrary mutation rates and standing variance. For non-epistatic mutation, especially with beneficial mutations, this approximation fails over the long term but captures the early dynamics, thus complementing stationary stochastic predictions. The approximation also handles several diminishing return epistasis models (e.g. with an optimal genotype): it can then apply at and away from equilibrium. General results arise at equilibrium, where fitness distributions display a ″phase transition″ with mutation rate. Beyond this phase transition, in Fisher′s geometrical model, the full trajectory of fitness and trait distributions takes simple form, robust to details of the mutant phenotype distribution. Analytical arguments are explored for why and when the deterministic approximation applies.

Evolutionary rescue describes a situation where adaptive evolution prevents the extinction of a population facing a stressing environment. Models of evolutionary rescue could in principle be used to predict the level of stress beyond which extinction becomes likely for species of conservation concern, or conversely the treatment levels most likely to limit the emergence of resistant pests or pathogens. Stress levels are known to affect both the rate of population decline (demographic effect) and the speed of adaptation (evolutionary effect), but the latter aspect has received less attention. Here, we address this issue using Fisher′s Geometric Model of adaptation. In this model, the fitness effects of mutations depend both on the genotype and the environment in which they arise. In particular, the model introduces a dependence between the level of stress, the proportion of rescue mutants, and their costs before the onset of stress. We obtain analytic results under a strong-selection-weak-mutation regime, which we compare to simulations. We show that the effect of the environment on evolutionary rescue can be summarized into a single composite parameter quantifying the effective stress level, which is amenable to empirical measurement. We describe a narrow characteristic stress window over which the rescue probability drops from very likely to very unlikely as the level of stress increases. This drop is sharper than in previous models, as a result of the decreasing proportion of stress-resistant mutations as stress increases. We discuss how to test these predictions with rescue experiments across gradients of stress.

The past century has seen substantial theoretical and empirical progress on the genetic basis of adaptation. Over this same period a pressing need to prevent the evolution of drug resistance has uncovered much about the potential genetic basis of persistence in declining populations. However, we have little theory to predict and generalize how persistence – by sufficiently rapid adaptation – might be realized in this explicitly demographic scenario. Here we use Fisher’s geometric model with absolute fitness to begin a line of theoretical inquiry into the genetic basis of evolutionary rescue, focusing here on asexual populations that adapt through de novo mutations. We show how the dominant genetic path to rescue switches from a single mutation to multiple as mutation rates and the severity of the environmental change increase. In multi-step rescue, intermediate genotypes that themselves go extinct provide a ‘springboard’ to rescue genotypes. Comparing to a scenario where persistence is assured, our approach allows us to quantify how a race between evolution and extinction leads to a genetic basis of adaptation that is composed of fewer loci of larger effect. We hope this work brings awareness to the impact of demography on the genetic basis of adaptation.

Abstract Banana breeding is hampered by the very low fertility of domesticated bananas and the lack of knowledge about the genetic determinism of agronomic traits. We analysed a breeding population of 2 723 triploid hybrids resulting from crosses between diploid and tetraploid M. acuminata parents, which was evaluated over three successive crop-cycles for 24 traits relating to yield components and plant, bunch and fruit architectures. A subset of 1 129 individuals was genotyped-by-sequencing revealing 205 612 single nucleotide polymorphisms. Most parents were heterozygous for one or several large reciprocal chromosomal translocations, which are known to impact recombination and chromosomal segregation. We applied two linear mixed models to detect associations between markers and traits: (i) a standard model with a kinship calculated using all SNPs and (ii) a model with chromosome-specific kinships that aims at recovering statistical power at alleles carried by long non-recombined haplotypic segments. For 23 of the 24 traits, we identified one to five significant quantitative trait loci (QTLs) for which the origin of favourable alleles could often be determined among the main ancestral contributors to banana cultivars. Several QTLs, located in the rearranged regions, were only detected using the second model. The resulting QTL landscape represents an important resource to support breeding programs. The proposed strategy for recovering power at SNPs carried by long non-recombined rearranged haplotypic segments is an important methodological advance for future association studies in banana and other species affected by chromosomal rearrangements.

Populations may genetically adapt to severe stress that would otherwise cause their extirpation. Recent theoretical work, combining stochastic demography with Fisher’s geometric model of adaptation, has shown how evolutionary rescue becomes unlikely beyond some critical intensity of stress. Increasing mutation rates may however allow adaptation to more intense stress, raising concerns about the effectiveness of treatments against pathogens. This previous work assumes that populations are rescued by the rise of a single resistance mutation. However, even in asexual organisms, rescue can also stem from the accumulation of multiple mutations in a single genome. Here, we extend previous work to study the rescue process in an asexual population where the mutation rate is sufficiently high so that such events may be common. We predict both the ultimate extinction probability of the population and the distribution of extinction times. We compare the accuracy of different approximations covering a large range of mutation rates. Moderate increase in mutation rates favors evolutionary rescue. However, larger increase leads to extinction by the accumulation of a large mutation load, a process called lethal mutagenesis. We discuss how these results could help design “evolution-proof” anti-pathogen treatments that even highly mutable strains could not overcome.