Medicago truncatula is a model for investigating legume genetics, including the genetics and evolution of legume–rhizobia symbiosis. We used whole-genome sequence data to identify and characterize sequence polymorphisms and linkage disequilibrium (LD) in a diverse collection of 26 M. truncatula accessions. Our analyses reveal that M. truncatula harbors both higher diversity and less LD than soybean ( Glycine max ) and exhibits patterns of LD and recombination similar to Arabidopsis thaliana . The population-scaled recombination rate is approximately one-third of the mutation rate, consistent with expectations for a species with a high selfing rate. Linkage disequilibrium, however, is not extensive, and therefore, the low recombination rate is likely not a major constraint to adaptation. Nucleotide diversity in 100-kb windows was negatively correlated with gene density, which is expected if diversity is shaped by selection acting against slightly deleterious mutations. Among putative coding regions, members of four gene families harbor significantly higher diversity than the genome-wide average. Three of these families are involved in resistance against pathogens; one of these families, the nodule-specific, cysteine-rich gene family, is specific to the galegoid legumes and is involved in control of rhizobial differentiation. The more than 3 million SNPs that we detected, approximately one-half of which are present in more than one accession, are a valuable resource for genome-wide association mapping of genes responsible for phenotypic diversity in legumes, especially traits associated with symbiosis and nodulation.

Abstract Resurrection studies are a useful tool to measure how phenotypic traits have changed in populations through time. If these traits modifications correlate with the environmental changes that occurred during the time period, it suggests that the phenotypic changes could be a response to selection. Selfing, through its reduction of effective size, could challenge the ability of a population to adapt to environmental changes. Here, we used a resurrection study to test for adaptation in a selfing population of Medicago truncatula , by comparing the genetic composition and flowering times across 22 generations. We found evidence for evolution towards earlier flowering times by about two days and a peculiar genetic structure, typical of highly selfing populations, where some multilocus genotypes (MLGs) are persistent through time. We used the change in frequency of the MLGs through time as a multilocus fitness measure and built a selection gradient that suggests evolution towards earlier flowering times. Yet, a simulation model revealed that the observed change in flowering time could be explained by drift alone, provided the effective size of the population is small enough (<150). These analyses suffer from the difficulty to estimate the effective size in a highly selfing population, where effective recombination is severely reduced.

Abstract From the 17th century until the arrival of hybrids in 1960s, maize landraces were cultivated in the South-West of France, a traditional region for maize cultivation. A set of landraces were collected in this region between the 1950s and 1980s and were then conserved ex situ in a germplam collection. Previous studies using molecular markers on approx. twenty landraces fo this region showed that they belonged to a Pyrenees-Galicia Flint genetic group and originated from hybridization between Caribbean and Northern Flint germplasms introduced in Europe. In this study, we assessed the structure and genetic diversity of 194 SWF maize landraces to elucidate their origin, using a 50K SNP array and a bulk DNA approach. We identified two weakly differentiated genetic groups, one in the Western part and the other in the Eastern part. We highlighted the existence of a longitudinal gradient along the SWF area that was probably maintained through the interplay between genetic drifts and restricted gene flows, rather than through differential climatic adaptation. The contact zone between the two groups observed near the Garonne valley may be the result of these evolutionnary forces. We found only few significant cases of hybridization between Caribbean and Northern Flint germplasms in the region. We also found gene flows from various maize genetic groups to SWF landraces. Thus, we assumed that SWF landraces had a multiple origin with a slightly higher influence of Tropical germplasm in the West and preponderance of Northern Flint germplasm in the East.

Summary Accounting for intraspecific variation may improve our understanding of species coexistence. However, our knowledge of what factors maintain intraspecific variation is limited. We predicted that 1) a plant grows larger when with non-kin (i.e. different genotypes) than kin (i.e. same genotype) neighbors, 2) abiotic stress alters the outcome of kin vs. non-kin interactions, 3) genetic identity of plants affects composition of soil microbiome. We set up mini-communities of Medicago truncatula , where focal genotypes were grown together with two kin or two non-kin neighbors from different origins. We analyzed how origin, identity of interacting genotypes and abiotic stress affected growth and fruit production. We also analyzed the composition of soil microbial communities. Focal plants grew larger in non-kin than in kin mini-communities. This pattern was stronger in low level of abiotic stress and when interacting genotypes were from similar origins. However, genotypic variation in growth and response to competition had a stronger effect on growth than mini-community type. Plant genotype identity did not affect soil microbiome. We find that intraspecific variation is affected by genotype-specific traits and abiotic stress. Geographic, rather than genetic, distance among interacting genotypes affects the outcome of intraspecific interactions.

A bstract Tracking genetic changes of populations through time allows a more direct study of the evolutionary processes acting on the population than a single contemporary sample. Several statistical methods have been developed to characterize the demography and selection from temporal population genetic data. However, these methods are usually developed under the assumption of outcrossing reproduction and might not be applicable when there is substantial selfing in the population. Here, we focus on a method to detect loci under selection based on a genome scan of temporal differentiation, adapting it to the particularities of selfing populations. Selfing reduces the effective recombination rate and can extend hitch-hiking effects to the whole genome, erasing any local signal of selection on a genome scan. Therefore, selfing is expected to reduce the power of the test. By means of simulations, we evaluate the performance of the method under scenarios of adaptation from new mutations or standing variation at different rates of selfing. We find that the detection of loci under selection in predominantly selfing populations remains challenging even with the adapted method. Still, selective sweeps from standing variation on predominantly selfing populations can leave some signal of selection around the selected site thanks to historical recombination before the sweep. Under this scenario, ancestral advantageous alleles at low frequency leave the strongest local signal, while new advantageous mutations leave no local footprint of the sweep.

Standing genetic variation is considered a major contributor to the adaptive potential of species. The low heritable genetic variation observed in self-fertilising populations has led to the hypothesis that species with this mating system would be less likely to adapt. However, a non-negligible amount of cryptic genetic variation for polygenic traits, accumulated through negative linkage disequilibrium, could prove to be an important source of standing variation in self-fertilising species. To test this hypothesis we simulated populations under stabilizing selection subjected to an environmental change. We demonstrate that, when the mutation rate is high (but realistic), selfing populations are better able to store genetic variance than outcrossing populations through genetic associations, notably due to the reduced effective recombination rate associated with predominant selfing. Following an environmental shift, this diversity can be partially remobilized, which increases the additive variance and adaptive potential of predominantly (but not completely) selfing populations. In such conditions, despite initially lower observed genetic variance, selfing populations adapt as readily as outcrossing ones within a few generations. For low mutation rates, purifying selection impedes the storage of diversity through genetic associations, in which case, as previously predicted, the lower genetic variance of selfing populations results in lower adaptability compared to their outcrossing counterparts. The population size and the mutation rate are the main parameters to consider, as they are the best predictors of the amount of stored diversity in selfing populations. Our results and their impact on our knowledge of adaptation under high selfing rates are discussed.

Abstract Agriculture faces great challenges to overcome global warming and to improve system sustainability, requiring access to novel genetic diversity. So far, wild populations and local landraces remain poorly explored. This is notably the case for the two diploid species, Brassica oleracea L. (CC, 2n=2x=18) and B. rapa L. (AA, 2n=2x=20). In order to explore genetic diversity in both species, we have collected numerous populations in their center of origin, the Mediterranean basin, on a large contrasting climatic and soil gradient from northern Europe to southern sub-Saharan regions. In these areas, we also collected 14 populations belonging to five B. oleracea closely related species. Before further genetic and agronomic investigations, we controlled the absence of species misidentification using flow cytometry, sequencing of species specific chloroplast genomic region, as well as cytogenetic analyses in case of unexpected results. Looking at the 102 B. oleracea and 146 B. rapa populations showing a good germination among the 112 and 154 populations collected, seventeen populations were misidentified. The most frequent mistake was a confusion of these diploid species with B. napus . Additionally for B. rapa , 2 autotetraploid populations were observed. Habitats of the collected wild populations and landraces are described in our work. This provides a unique plant material characterization that will pave the way for further analyses investigating the genomic regions involved in climatic and microbiota adaptation. This research is supported by the H2020 Prima project ‘BrasExplor’.