A high-quality sequence assembly of the zebrafish genome reveals the largest gene set of any vertebrate and provides information on key genomic features, and comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human protein-coding genes have at least one clear zebrafish orthologue. The genome of the zebrafish — a key model organism for the study of development and human disease — has now been sequenced and published as a well-annotated reference genome. Zebrafish turns out to have the largest gene set of any vertebrate so far sequenced, and few pseudogenes. Importantly for disease studies, comparison between human and zebrafish sequences reveals that 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. A second paper reports on an ongoing effort to identify and phenotype disruptive mutations in every zebrafish protein-coding gene. Using the reference genome sequence along with high-throughput sequencing and efficient chemical mutagenesis, the project's initial results — covering 38% of all known protein-coding genes — they describe phenotypic consequences of more than 1,000 alleles. The long-term goal is the creation of a knockout allele in every protein-coding gene in the zebrafish genome. All mutant alleles and data are freely available at go.nature.com/en6mos . Zebrafish have become a popular organism for the study of vertebrate gene function1,2. The virtually transparent embryos of this species, and the ability to accelerate genetic studies by gene knockdown or overexpression, have led to the widespread use of zebrafish in the detailed investigation of vertebrate gene function and increasingly, the study of human genetic disease3,4,5. However, for effective modelling of human genetic disease it is important to understand the extent to which zebrafish genes and gene structures are related to orthologous human genes. To examine this, we generated a high-quality sequence assembly of the zebrafish genome, made up of an overlapping set of completely sequenced large-insert clones that were ordered and oriented using a high-resolution high-density meiotic map. Detailed automatic and manual annotation provides evidence of more than 26,000 protein-coding genes6, the largest gene set of any vertebrate so far sequenced. Comparison to the human reference genome shows that approximately 70% of human genes have at least one obvious zebrafish orthologue. In addition, the high quality of this genome assembly provides a clearer understanding of key genomic features such as a unique repeat content, a scarcity of pseudogenes, an enrichment of zebrafish-specific genes on chromosome 4 and chromosomal regions that influence sex determination.

Detlef Weigel and colleagues report results from the first phase of the Arabidopsis 1001 Genomes Project, based on short-read sequencing of 80 geographically diverse strains. This collection of strains has been made available to the scientific community, and the authors show that the identified polymorphisms in these strains can be useful for imputation and genome-wide association studies. The plant Arabidopsis thaliana occurs naturally in many different habitats throughout Eurasia. As a foundation for identifying genetic variation contributing to adaptation to diverse environments, a 1001 Genomes Project to sequence geographically diverse A. thaliana strains has been initiated. Here we present the first phase of this project, based on population-scale sequencing of 80 strains drawn from eight regions throughout the species' native range. We describe the majority of common small-scale polymorphisms as well as many larger insertions and deletions in the A. thaliana pan-genome, their effects on gene function, and the patterns of local and global linkage among these variants. The action of processes other than spontaneous mutation is identified by comparing the spectrum of mutations that have accumulated since A. thaliana diverged from its closest relative 10 million years ago with the spectrum observed in the laboratory. Recent species-wide selective sweeps are rare, and potentially deleterious mutations are more common in marginal populations.

The epigenome orchestrates genome accessibility, functionality, and three-dimensional structure. Because epigenetic variation can impact transcription and thus phenotypes, it may contribute to adaptation. Here, we report 1,107 high-quality single-base resolution methylomes and 1,203 transcriptomes from the 1001 Genomes collection of Arabidopsis thaliana. Although the genetic basis of methylation variation is highly complex, geographic origin is a major predictor of genome-wide DNA methylation levels and of altered gene expression caused by epialleles. Comparison to cistrome and epicistrome datasets identifies associations between transcription factor binding sites, methylation, nucleotide variation, and co-expression modules. Physical maps for nine of the most diverse genomes reveal how transposons and other structural variants shape the epigenome, with dramatic effects on immunity genes. The 1001 Epigenomes Project provides a comprehensive resource for understanding how variation in DNA methylation contributes to molecular and non-molecular phenotypes in natural populations of the most studied model plant.

Genome editing has emerged as a technology with a potential to revolutionize plant breeding. In this study, we report on generating, in less than ten months, Tomelo, a non-transgenic tomato variety resistant to the powdery mildew fungal pathogen using the CRISPR/Cas9 technology. We used whole-genome sequencing to show that Tomelo does not carry any foreign DNA sequences but only carries a deletion that is indistinguishable from naturally occurring mutations. We also present evidence for CRISPR/Cas9 being a highly precise tool, as we did not detect off-target mutations in Tomelo. Using our pipeline, mutations can be readily introduced into elite or locally adapted tomato varieties in less than a year with relatively minimal effort and investment.

Epistatic interactions between genes are a major factor in evolution. Hybrid necrosis is an example of a deleterious phenotype caused by epistatic interactions that is observed in many intra- and interspecific plant hybrids. A large number of hybrid necrosis cases share phenotypic similarities, suggesting a common underlying mechanism across a wide range of plant species. Here, we report that approximately 2% of intraspecific crosses in Arabidopsis thaliana yield F1 progeny that express necrosis when grown under conditions typical of their natural habitats. We show that several independent cases result from epistatic interactions that trigger autoimmune-like responses. In at least one case, an allele of an NB-LRR disease resistance gene homolog is both necessary and sufficient for the induction of hybrid necrosis, when combined with a specific allele at a second locus. The A. thaliana cases provide insights into the molecular causes of hybrid necrosis, and serve as a model for further investigation of intra- and interspecific incompatibilities caused by a simple epistatic interaction. Moreover, our finding that plant immune-system genes are involved in hybrid necrosis suggests that selective pressures related to host–pathogen conflict might cause the evolution of gene flow barriers in plants.

Whole-genome hybridization studies have suggested that the nuclear genomes of accessions (natural strains) of Arabidopsis thaliana can differ by several percent of their sequence. To examine this variation, and as a first step in the 1001 Genomes Project for this species, we produced 15- to 25-fold coverage in Illumina sequencing-by-synthesis (SBS) reads for the reference accession, Col-0, and two divergent strains, Bur-0 and Tsu-1. We aligned reads to the reference genome sequence to assess data quality metrics and to detect polymorphisms. Alignments revealed 823,325 unique single nucleotide polymorphisms (SNPs) and 79,961 unique 1- to 3-bp indels in the divergent accessions at a specificity of >99%, and over 2000 potential errors in the reference genome sequence. We also identified >3.4 Mb of the Bur-0 and Tsu-1 genomes as being either extremely dissimilar, deleted, or duplicated relative to the reference genome. To obtain sequences for these regions, we incorporated the Velvet assembler into a targeted de novo assembly method. This approach yielded 10,921 high-confidence contigs that were anchored to flanking sequences and harbored indels as large as 641 bp. Our methods are broadly applicable for polymorphism discovery in moderate to large genomes even at highly diverged loci, and we established by subsampling the Illumina SBS coverage depth required to inform a broad range of functional and evolutionary studies. Our pipeline for aligning reads and predicting SNPs and indels, SHORE, is available for download at http://1001genomes.org .

Abstract The Arabidopsis thaliana transcription factor APETALA2 (AP2) has numerous functions, including roles in seed development, stem cell maintenance, and specification of floral organ identity. To understand the relationship between these different roles, we mapped direct targets of AP2 on a genome-wide scale in two tissue types. We find that AP2 binds to thousands of loci in the developing flower, many of which exhibit AP2-dependent transcription. Opposing, logical effects are evident in AP2 binding to two microRNA genes that influence AP2 expression, with AP2 positively regulating miR156 and negatively regulating miR172, forming a complex direct feedback loop, which also included all but one of the AP2-like miR172 target clade members. We compare the genome-wide direct target repertoire of AP2 with that of SCHLAFMÜTZE, a closely related transcription factor that also represses the transition to flowering. We detect clear similarities and important differences in the direct target repertoires that are also tissue specific. Finally, using an inducible expression system, we demonstrate that AP2 has dual molecular roles. It functions as both a transcriptional activator and repressor, directly inducing the expression of the floral repressor AGAMOUS-LIKE15 and directly repressing the transcription of floral activators like SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1.

Björn Usadel and colleagues report the genome sequence of the wild tomato species Solanum pennellii. The authors identify genes important for stress tolerance, metabolism and fruit maturation and suggest that transposable elements have had an important role in the evolution of the S. penellii stress response. Solanum pennellii is a wild tomato species endemic to Andean regions in South America, where it has evolved to thrive in arid habitats. Because of its extreme stress tolerance and unusual morphology, it is an important donor of germplasm for the cultivated tomato Solanum lycopersicum1. Introgression lines (ILs) in which large genomic regions of S. lycopersicum are replaced with the corresponding segments from S. pennellii can show remarkably superior agronomic performance2. Here we describe a high-quality genome assembly of the parents of the IL population. By anchoring the S. pennellii genome to the genetic map, we define candidate genes for stress tolerance and provide evidence that transposable elements had a role in the evolution of these traits. Our work paves a path toward further tomato improvement and for deciphering the mechanisms underlying the myriad other agronomic traits that can be improved with S. pennellii germplasm.

Large-scale genome-wide association (GWA) studies have become an important tool in human genomics, mostly focused on disease but also on adaptive variations such as skin colour. The technique is now shown to be similarly useful in plants. Atwell et al. report a GWA study of over a hundred phenotypes in naturally occurring inbred lines of Arabidopsis thaliana. The results range from significant associations, usually for single genes, to more difficult-to-interpret findings that indicate confounding by complex genetics and population structure. The accompanying paper by Todesco et al. demonstrates the ability of this technique to detect major-effect gene loci. Using forward genetics and GWA analyses, they show that variation at a single locus (ACD6) in Arabidopsis underlies phenotypic variation in vegetative growth as well as resistance to infection. The strong enhancement of resistance mediated by one of the alleles at this locus explains its persistence in natural populations throughout the world, despite it drastically reducing new leaf production. Here, a combination of forward genetics and genome-wide association analyses has been used to show that variation at a single genetic locus in Arabidopsis thaliana underlies phenotypic variation in vegetative growth as well as resistance to infection. The strong enhancement of resistance mediated by one of the alleles at this locus explains the allele's persistence in natural populations throughout the world, even though it drastically reduces the production of new leaves. Plants can defend themselves against a wide array of enemies, from microbes to large animals, yet there is great variability in the effectiveness of such defences, both within and between species. Some of this variation can be explained by conflicting pressures from pathogens with different modes of attack1. A second explanation comes from an evolutionary ‘tug of war’, in which pathogens adapt to evade detection, until the plant has evolved new recognition capabilities for pathogen invasion2,3,4,5. If selection is, however, sufficiently strong, susceptible hosts should remain rare. That this is not the case is best explained by costs incurred from constitutive defences in a pest-free environment6,7,8,9,10,11. Using a combination of forward genetics and genome-wide association analyses, we demonstrate that allelic diversity at a single locus, ACCELERATED CELL DEATH 6 (ACD6)12,13, underpins marked pleiotropic differences in both vegetative growth and resistance to microbial infection and herbivory among natural Arabidopsis thaliana strains. A hyperactive ACD6 allele, compared to the reference allele, strongly enhances resistance to a broad range of pathogens from different phyla, but at the same time slows the production of new leaves and greatly reduces the biomass of mature leaves. This allele segregates at intermediate frequency both throughout the worldwide range of A. thaliana and within local populations, consistent with this allele providing substantial fitness benefits despite its marked impact on growth.