Cassava (Manihot esculenta) provides calories and nutrition for more than half a billion people. It was domesticated by native Amazonian peoples through cultivation of the wild progenitor M. esculenta ssp. flabellifolia and is now grown in tropical regions worldwide. Here we provide a high-quality genome assembly for cassava with improved contiguity, linkage, and completeness; almost 97% of genes are anchored to chromosomes. We find that paleotetraploidy in cassava is shared with the related rubber tree Hevea, providing a resource for comparative studies. We also sequence a global collection of 58 Manihot accessions, including cultivated and wild cassava accessions and related species such as Ceará or India rubber (M. glaziovii), and genotype 268 African cassava varieties. We find widespread interspecific admixture, and detect the genetic signature of past cassava breeding programs. As a clonally propagated crop, cassava is especially vulnerable to pathogens and abiotic stresses. This genomic resource will inform future genome-enabled breeding efforts to improve this staple crop.

Acorn worms, also known as enteropneust (literally, 'gut-breathing') hemichordates, are marine invertebrates that share features with echinoderms and chordates. Together, these three phyla comprise the deuterostomes. Here we report the draft genome sequences of two acorn worms, Saccoglossus kowalevskii and Ptychodera flava. By comparing them with diverse bilaterian genomes, we identify shared traits that were probably inherited from the last common deuterostome ancestor, and then explore evolutionary trajectories leading from this ancestor to hemichordates, echinoderms and chordates. The hemichordate genomes exhibit extensive conserved synteny with amphioxus and other bilaterians, and deeply conserved non-coding sequences that are candidates for conserved gene-regulatory elements. Notably, hemichordates possess a deuterostome-specific genomic cluster of four ordered transcription factor genes, the expression of which is associated with the development of pharyngeal 'gill' slits, the foremost morphological innovation of early deuterostomes, and is probably central to their filter-feeding lifestyle. Comparative analysis reveals numerous deuterostome-specific gene novelties, including genes found in deuterostomes and marine microbes, but not other animals. The putative functions of these genes can be linked to physiological, metabolic and developmental specializations of the filter-feeding ancestor.

Cassava (Manihot esculenta Crantz) is an important staple food crop in Africa and South America; however, ubiquitous deleterious mutations may severely decrease its fitness. To evaluate these deleterious mutations, we constructed a cassava haplotype map through deep sequencing 241 diverse accessions and identified >28 million segregating variants. We found that (i) although domestication has modified starch and ketone metabolism pathways to allow for human consumption, the concomitant bottleneck and clonal propagation have resulted in a large proportion of fixed deleterious amino acid changes, increased the number of deleterious alleles by 26%, and shifted the mutational burden toward common variants; (ii) deleterious mutations have been ineffectively purged, owing to limited recombination in the cassava genome; (iii) recent breeding efforts have maintained yield by masking the most damaging recessive mutations in the heterozygous state but have been unable to purge the mutation burden; such purging should be a key target in future cassava breeding.

Abstract A central question in evolutionary biology is whether sponges or ctenophores (comb jellies) are the sister group to all other animals. These alternative phylogenetic hypotheses imply different scenarios for the evolution of complex neural systems and other animal-specific traits 1–6 . Conventional phylogenetic approaches based on morphological characters and increasingly extensive gene sequence collections have not been able to definitively answer this question 7–11 . Here we develop chromosome-scale gene linkage, also known as synteny, as a phylogenetic character for resolving this question 12 . We report new chromosome-scale genomes for a ctenophore and two marine sponges, and for three unicellular relatives of animals (a choanoflagellate, a filasterean amoeba and an ichthyosporean) that serve as outgroups for phylogenetic analysis. We find ancient syntenies that are conserved between animals and their close unicellular relatives. Ctenophores and unicellular eukaryotes share ancestral metazoan patterns, whereas sponges, bilaterians, and cnidarians share derived chromosomal rearrangements. Conserved syntenic characters unite sponges with bilaterians, cnidarians, and placozoans in a monophyletic clade to the exclusion of ctenophores, placing ctenophores as the sister group to all other animals. The patterns of synteny shared by sponges, bilaterians, and cnidarians are the result of rare and irreversible chromosome fusion-and-mixing events that provide robust and unambiguous phylogenetic support for the ctenophore-sister hypothesis. These findings provide a new framework for resolving deep, recalcitrant phylogenetic problems and have implications for our understanding of animal evolution.

Abstract Frogs are an ecologically diverse and phylogenetically ancient group of living amphibians that include important vertebrate cell and developmental model systems, notably the genus Xenopus . Here we report a high-quality reference genome sequence for the western clawed frog, Xenopus tropicalis , along with draft chromosome-scale sequences of three distantly related emerging model frog species, Eleutherodactylus coqui , Engystomops pustulosus and Hymenochirus boettgeri . Frog chromosomes have remained remarkably stable since the Mesozoic Era, with limited Robertsonian (i.e., centric) translocations and end-to-end fusions found among the smaller chromosomes. Conservation of synteny includes conservation of centromere locations, marked by centromeric tandem repeats associated with Cenp-a binding, surrounded by pericentromeric LINE/L1 elements. We explored chromosome structure across frogs, using a dense meiotic linkage map for X. tropicalis and chromatin conformation capture (HiC) data for all species. Abundant satellite repeats occupy the unusually long (∼20 megabase) terminal regions of each chromosome that coincide with high rates of recombination. Both embryonic and differentiated cells show reproducible association of centromeric chromatin, and of telomeres, reflecting a Rabl configuration similar to the “bouquet” structure of meiotic cells. Our comparative analyses reveal 13 conserved ancestral anuran chromosomes from which contemporary frog genomes were constructed.

Abstract The nutrient-rich tubers of the greater yam Dioscorea alata L. provide food and income security for millions of people around the world. Despite its global importance, however, greater yam remains an “orphan crop.” Here we address this resource gap by presenting a highly-contiguous chromosome-scale genome assembly of greater yam combined with a dense genetic map derived from African breeding populations. The genome sequence reveals an ancient lineage-specific genome duplication, followed by extensive genome-wide reorganization. Using our new genomic tools we find quantitative trait loci for susceptibility to anthracnose, a damaging fungal pathogen of yam, and several tuber quality traits. Genomic analysis of breeding lines reveals both extensive inbreeding as well as regions of extensive heterozygosity that may represent interspecific introgression during domestication. These tools and insights will enable yam breeders to unlock the potential of this staple crop and take full advantage of its adaptability to varied environments.

Abstract Emerging research organisms enable the study of biology that cannot be addressed using classical “model” organisms. The development of new data resources can accelerate research in such animals. Here, we present new functional genomic resources for the amphipod crustacean Parhyale hawaiensis , facilitating the exploration of gene regulatory evolution using this emerging research organism. We use Omni-ATAC-Seq, an improved form of the Assay for Transposase-Accessible Chromatin coupled with next-generation sequencing (ATAC-Seq), to identify accessible chromatin genome-wide across a broad time course of Parhyale embryonic development. This time course encompasses many major morphological events, including segmentation, body regionalization, gut morphogenesis, and limb development. In addition, we use short- and long-read RNA-Seq to generate an improved Parhyale genome annotation, enabling deeper classification of identified regulatory elements. We discover differential accessibility, predict nucleosome positioning, infer transcription factor binding, cluster peaks based on accessibility dynamics, classify biological functions, and correlate gene expression with accessibility. Using a Minos transposase reporter system, we demonstrate the potential to identify novel regulatory elements using this approach, including distal regulatory elements. This work provides a platform for the identification of novel developmental regulatory elements in Parhyale , and offers a framework for performing such experiments in other emerging research organisms. Primary Findings – Omni-ATAC-Seq identifies cis-regulatory elements genome-wide during crustacean embryogenesis – Combined short- and long-read RNA-Seq improves the Parhyale genome annotation – ImpulseDE2 analysis identifies dynamically regulated candidate regulatory elements – NucleoATAC and HINT-ATAC enable inference of nucleosome occupancy and transcription factor binding – Fuzzy clustering reveals peaks with distinct accessibility and chromatin dynamics – Integration of accessibility and gene expression reveals possible enhancers and repressors – Omni-ATAC can identify known and novel regulatory elements

Cassava (Manihot esculenta Crantz) is an important staple food crop in Africa and South America, however, ubiquitous deleterious mutations may severely reduce its fitness. To evaluate these deleterious mutations in the cassava genome, we constructed a cassava haplotype map using deep sequencing from 241 diverse accessions and identified over 28 million segregating variants. We found that, 1) while domestication modified starch and ketone metabolism pathways for human consumption, the concomitant bottleneck and clonal propagation resulted in a large proportion of fixed deleterious amino acid changes, raised the number of deleterious mutations by 26%, and shifted the mutational burden towards common variants; 2) deleterious mutations are ineffectively purged due to limited recombination in cassava genome; 3) recent breeding efforts maintained the yield by masking the most damaging recessive mutations in the heterozygous state, but unable to purge the mutation burden, which should be a key target for future cassava breeding.

Despite their recent divergence, muntjac deer show striking karyotype differences. Here we describe new chromosome-scale genome assemblies for the Chinese and Indian muntjacs, Muntiacus reevesi (2n=46) and Muntiacus muntjak (2n=6/7), and analyze their evolution and architecture. We identified six fusion events shared by both species relative to the cervid ancestor and therefore present in the muntjac common ancestor, six fusion events unique to the M. reevesi lineage, and twenty-six fusion events unique to the M. muntjak lineage. One of these M. muntjak fusions reverses an earlier fission in the cervid lineage. Although comparative Hi-C analysis revealed differences in long-range genome contacts and A/B compartment structures, we discovered widespread conservation of local chromatin contacts between the muntjacs, even near the fusion sites. A small number of genes involved in chromosome maintenance show evidence for rapid evolution, possibly associated with the dramatic changes in karyotype. Analysis of muntjac genomes reveals new insights into this unique case of rapid karyotype evolution and the resulting biological variation.