Plastome (plastid genome) sequences provide valuable information for understanding the phylogenetic relationships and evolutionary history of plants. Although the rapid development of high-throughput sequencing technology has led to an explosion of plastome sequences, annotation remains a significant bottleneck for plastomes. User-friendly batch annotation of multiple plastomes is an urgent need. We introduce Plastid Genome Annotator (PGA), a standalone command line tool that can perform rapid, accurate, and flexible batch annotation of newly generated target plastomes based on well-annotated reference plastomes. In contrast to current existing tools, PGA uses reference plastomes as the query and unannotated target plastomes as the subject to locate genes, which we refer to as the reverse query-subject BLAST search approach. PGA accurately identifies gene and intron boundaries as well as intron loss. The program outputs GenBank-formatted files as well as a log file to assist users in verifying annotations. Comparisons against other available plastome annotation tools demonstrated the high annotation accuracy of PGA, with little or no post-annotation verification necessary. Likewise, we demonstrated the flexibility of reference plastomes within PGA by annotating the plastome of Rosa roxburghii using that of Amborella trichopoda as a reference. The program, user manual and example data sets are freely available at https://github.com/quxiaojian/PGA . PGA facilitates rapid, accurate, and flexible batch annotation of plastomes across plants. For projects in which multiple plastomes are generated, the time savings for high-quality plastome annotation are especially significant.

Abstract The shape of tomato fruits is closely correlated to microtubule organization and the activity of microtubule associated proteins (MAP), but insights into the mechanism from a cell biology perspective are still largely elusive. Analysis of tissue expression profiles of different microtubule regulators revealed that functionally distinct classes of MAPs are highly expressed during fruit development. Among these, several members of the plant-specific MAP70 family are preferably expressed at the initiation stage of fruit development. Transgenic tomato lines overexpressing SlMAP70 produced elongated fruits that show reduced cell circularity and microtubule anisotropy, while SlMAP70 loss-of-function mutant showed an opposite effect with flatter fruits. Microtubule anisotropy of fruit endodermis cells exhibited dramatic rearrangement during tomato fruit development, and SlMAP70-1 is likely implicated in cortical microtubule organization and fruit elongation throughout this stage by interacting with SUN10/SlIQD21a. The expression of SlMAP70 (or co-expression of SlMAP70 and SUN10/SlIQD21a ) induces microtubule stabilization and prevents its dynamic rearrangement, both activities are essential for fruit shape establishment after anthesis. Together, our results identify SlMAP70 as a novel regulator of fruit elongation, and demonstrate that manipulating microtubule stability and organization at the early fruit developmental stage has a strong impact on fruit shape.

Abstract Inferring the intrinsic and extrinsic drivers of species diversification and phenotypic disparity across the Tree of Life is a major challenge in evolutionary biology. In green plants, polyploidy (or whole-genome duplication, WGD) is known to play a major role in microevolution and speciation 1 , but the extent to which WGD has shaped macroevolutionary patterns of diversification and phenotypic innovation across plant phylogeny remains an open question. Here we examine the relationship of various facets of genomic evolution—including gene and genome duplication, genome size, and chromosome number—with macroevolutionary patterns of phenotypic innovation, species diversification, and climatic occupancy in gymnosperms. We show that genomic changes, such as WGD and genome-size shifts, underlie the origins of most major extant gymnosperm clades, and notably our results support an ancestral WGD in the gymnosperm lineage. Spikes of gene duplication typically coincide with major spikes of phenotypic innovation, while increased rates of phenotypic evolution are typically found at nodes with high gene-tree conflict, representing historic population-level dynamics during speciation. Most shifts in gymnosperm diversification since the rise of angiosperms are decoupled from putative WGDs and instead are associated with increased rates of climatic occupancy evolution, particularly in cooler and/or more arid climatic conditions, suggesting that ecological opportunity, especially in the later Cenozoic, and environmental heterogeneity have driven a resurgence of gymnosperm diversification. Our study provides critical insight on the processes underlying diversification and phenotypic evolution in gymnosperms, with important broader implications for the major drivers of both micro- and macroevolution in plants.

Abstract Background The degradation of sucrose plays an important role in the process of crop biomass allocation and yield formation. Invertase (INV) irreversibly catalyzes the conversion of sucrose into glucose and fructose, which doomed its’ important role in plant development and stress tolerance. However, the functions of INV genes in wheat, one of the most important crops, were less studied due to the polyploidy. Results Here, we systematically analyzed the INV gene family based on the latest published wheat reference genomic information. A total of 126 TaINV genes were identified and classified into three classes based on the phylogenetic relationship and their gene structure. Of which, 11 and 83 gene pairs were identified as tandem and segmental duplication genes respectively, while the Ka/Ks ratios of tandem and segmental duplication TaINV genes were less than 1. Expression profile analysis shows that 18 TaINV genes have tissue-specific expression, and 54 TaINV genes were involved in stress response. Furthermore, RNA-seq showed that 35 genes are differentially expressed in grain weight NILs N0910-81L/N0910-81S, in which 9 TaINVs were stably detected by qRT-PCR at three time-points, 4, 7 and 10 DPA. Four of them ( TaCWI47 , TaCWI48 , TaCWI50 and TaVI27 ) different expressed between the NILs resided in 4 QTL segments ( QTGW.nwafu-5DL.1 , QTGW.nwafu-5DL.2 , QTGW.nwafu-7AS .1 and QTGW.nwafu-7AS.2 ). These findings facilitate function investigations of the wheat INV gene family and provide new insights into the grain development mechanism in wheat. Conclusions Our results showed that allopolyploid events were the main reason for the expansion of the TaINV gene family in hexaploid wheat, and duplication genes might undergo purifying selection. The expression profiling of TaINV genes implied that they are likely to play an important role in wheat growth and development and adaption to stressful environments. And TaCWI47 , TaCWI48 , TaCWI50 and TaVI27 may have more important roles in grain developments. Our study lay a base for further dissecting the functional characterization of TaINV family members.

Abstract The systematic characterization of cellular heterogeneity among tissues and cell-type-specific regulation underlying complex phenotypes remains elusive in pigs. Within the Pig Genotype-Tissue Expression (PigGTEx) project, we present a single-cell transcriptome atlas of adult pigs encompassing 229,268 high-quality nuclei from 19 tissues, annotated to 67 major cell types. Besides cellular heterogeneity within and across tissues, we further characterize prominent tissue-specific features and functions of muscle, epithelial, and immune cells. Through deconvoluting 3,921 bulk RNA-seq samples from 17 matching tissues, we dissect thousands of genetic variants with cell-type interaction effects on gene expression (ieQTL). By colocalizing these ieQTL with variants associated with 268 complex traits, we provide new insights into the cellular mechanisms behind these traits. Moreover, we highlight that orthologous genes with cell-type-specific regulation in pigs exhibit significant heritability enrichment for some human complex phenotypes. Altogether, our work provides a valuable resource and highlights novel insights in cellular regulation of complex traits for accelerating pig precision breeding and human biomedical research.

Abstract Selection signatures that contribute to phenotypic diversity, especially morphogenesis in pigs, remain to be further elucidated. To reveal the regulatory role of genetic variations in phenotypic differences between Eastern and Western pig breeds, we performed a systematic analysis based on seven high-quality de novo assembled genomes, 1,081 resequencing data representing 78 domestic breeds, 162 methylomes, and 162 transcriptomes of skeletal muscle from Tongcheng (Eastern) and Landrace (Western) pigs at 27 developmental stages. Selective sweep uncovers different genetic architectures behind divergent selection directions for the Eastern and Western breeds. Notably, two loci showed functional alterations by almost fixed missense mutations. By integrating time-course transcriptome and methylome, we revealed differences in developmental timing during myogenesis between Eastern and Western breeds. Genetic variants under artificial selection have critical regulatory effects on progression patterns of heterochronic genes like GHSR and BDH1 , by the interaction of local DNA methylation status, particularly during embryonic development. Altogether, our work not only provides valuable resources for understanding pig complex traits, but also contributes to human biomedical research.

Abstract Horses domestication revolutionized human civilization by changing transportation, farming, and warfare patterns. Despite extensive studies on modern domestic horse origins, the intricate demographic history and genetic signatures of pony size demand further exploration. Here, we present a high-quality genome of the Chinese Debao pony and extensively analyzed 385 individuals from 49 horse breeds. We reveal the conservation of ancient components in East Asian horses and close relationships between Asian horses and specific European pony lineages. Genetic analysis uncovers Asian paternal origin for European pony breeds, and these pony-sized horses share a close genetic affinity due to the presence of a potential ancestral ghost pony population. Additionally, we identify promising cis-regulatory elements influencing horse withers height by regulating genes like RFLNA and FOXO1 . Overall, our study provides insightful perspectives into the development history and genetic determinants underlying body size in ponies and offers broader implications for horse population management and improvement. Teaser Decoding pony genetics: exploring origins and size determinants sheds light on their historical and biological impacts.