Wheat (Triticum spp.) is one of the founder crops that likely drove the Neolithic transition to sedentary agrarian societies in the Fertile Crescent more than 10,000 years ago. Identifying genetic modifications underlying wheat's domestication requires knowledge about the genome of its allo-tetraploid progenitor, wild emmer (T. turgidum ssp. dicoccoides). We report a 10.1-gigabase assembly of the 14 chromosomes of wild tetraploid wheat, as well as analyses of gene content, genome architecture, and genetic diversity. With this fully assembled polyploid wheat genome, we identified the causal mutations in Brittle Rachis 1 (TtBtr1) genes controlling shattering, a key domestication trait. A study of genomic diversity among wild and domesticated accessions revealed genomic regions bearing the signature of selection under domestication. This reference assembly will serve as a resource for accelerating the genome-assisted improvement of modern wheat varieties.

Ray Ming, Robert Paull, Qingyi Yu and colleagues report the genome sequences of two cultivated pineapple varieties and one wild pineapple relative. Their analysis supports the use of the pineapple as a reference genome for monocot comparative genomics and provides insight into the evolution of crassulacean acid metabolism photosynthesis. Pineapple (Ananas comosus (L.) Merr.) is the most economically valuable crop possessing crassulacean acid metabolism (CAM), a photosynthetic carbon assimilation pathway with high water-use efficiency, and the second most important tropical fruit. We sequenced the genomes of pineapple varieties F153 and MD2 and a wild pineapple relative, Ananas bracteatus accession CB5. The pineapple genome has one fewer ancient whole-genome duplication event than sequenced grass genomes and a conserved karyotype with seven chromosomes from before the ρ duplication event. The pineapple lineage has transitioned from C3 photosynthesis to CAM, with CAM-related genes exhibiting a diel expression pattern in photosynthetic tissues. CAM pathway genes were enriched with cis-regulatory elements associated with the regulation of circadian clock genes, providing the first cis-regulatory link between CAM and circadian clock regulation. Pineapple CAM photosynthesis evolved by the reconfiguration of pathways in C3 plants, through the regulatory neofunctionalization of preexisting genes and not through the acquisition of neofunctionalized genes via whole-genome or tandem gene duplication.

To assess the value of exosomal miRNAs as biomarkers for Alzheimer disease (AD), the expression of microRNAs was measured in a plasma fraction enriched in exosomes by differential centrifugation, using Illumina deep sequencing. Samples from 35 persons with a clinical diagnosis of AD dementia were compared to 35 age and sex matched controls. Although these samples contained less than 0.1 microgram of total RNA, deep sequencing gave reliable and informative results. Twenty miRNAs showed significant differences in the AD group in initial screening (miR-23b-3p, miR-24-3p, miR-29b-3p, miR-125b-5p, miR-138-5p, miR-139-5p, miR-141-3p, miR-150-5p, miR-152-3p, miR-185-5p, miR-338-3p, miR-342-3p, miR-342-5p, miR-548at-5p, miR-659-5p, miR-3065-5p, miR-3613-3p, miR-3916, miR-4772-3p, miR-5001-3p), many of which satisfied additional biological and statistical criteria, and among which a panel of seven miRNAs were highly informative in a machine learning model for predicting AD status of individual samples with 83–89% accuracy. This performance is not due to over-fitting, because a) we used separate samples for training and testing, and b) similar performance was achieved when tested on technical replicate data. Perhaps the most interesting single miRNA was miR-342-3p, which was a) expressed in the AD group at about 60% of control levels, b) highly correlated with several of the other miRNAs that were significantly down-regulated in AD, and c) was also reported to be down-regulated in AD in two previous studies. The findings warrant replication and follow-up with a larger cohort of patients and controls who have been carefully characterized in terms of cognitive and imaging data, other biomarkers (e.g., CSF amyloid and tau levels) and risk factors (e.g., apoE4 status), and who are sampled repeatedly over time. Integrating miRNA expression data with other data is likely to provide informative and robust biomarkers in Alzheimer disease.

Thellungiella parvula is related to Arabidopsis thaliana and is endemic to saline, resource-poor habitats, making it a model for the evolution of plant adaptation to extreme environments. Here we present the draft genome for this extremophile species. Exclusively by next generation sequencing, we obtained the de novo assembled genome in 1,496 gap-free contigs, closely approximating the estimated genome size of 140 Mb. We anchored these contigs to seven pseudo chromosomes without the use of maps. We show that short reads can be assembled to a near-complete chromosome level for a eukaryotic species lacking prior genetic information. The sequence identifies a number of tandem duplications that, by the nature of the duplicated genes, suggest a possible basis for T. parvula's extremophile lifestyle. Our results provide essential background for developing genomically influenced testable hypotheses for the evolution of environmental stress tolerance.

Abstract In addition to single-nucleotide polymorphisms, structural variation is abundant in many plant genomes. The structural variation across a species can be represented by a ‘pan-genome’, which is essential to fully understand the genetic control of phenotypes. However, the pan-genome’s complexity hinders its accurate assembly via sequence alignment. Here we demonstrate an approach to facilitate pan-genome construction in maize. By performing 18 trillion association tests we map 26 million tags generated by reduced representation sequencing of 14,129 maize inbred lines. Using machine-learning models we select 4.4 million accurately mapped tags as sequence anchors, 1.1 million of which are presence/absence variations. Structural variations exhibit enriched association with phenotypic traits, indicating that it is a significant source of adaptive variation in maize. The ability to efficiently map ultrahigh-density pan-genome sequence anchors enables fine characterization of structural variation and will advance both genetic research and breeding in many crops.

Intense artificial selection over the last 100 years has produced elite maize (Zea mays) inbred lines that combine to produce high-yielding hybrids. To further our understanding of how genome and transcriptome variation contribute to the production of high-yielding hybrids, we generated a draft genome assembly of the inbred line PH207 to complement and compare with the existing B73 reference sequence. B73 is a founder of the Stiff Stalk germplasm pool, while PH207 is a founder of Iodent germplasm, both of which have contributed substantially to the production of temperate commercial maize and are combined to make heterotic hybrids. Comparison of these two assemblies revealed over 2500 genes present in only one of the two genotypes and 136 gene families that have undergone extensive expansion or contraction. Transcriptome profiling revealed extensive expression variation, with as many as 10,564 differentially expressed transcripts and 7128 transcripts expressed in only one of the two genotypes in a single tissue. Genotype-specific genes were more likely to have tissue/condition-specific expression and lower transcript abundance. The availability of a high-quality genome assembly for the elite maize inbred PH207 expands our knowledge of the breadth of natural genome and transcriptome variation in elite maize inbred lines across heterotic pools.

Abstract Synthetic DNA-based data storage systems have received significant attention due to the promise of ultrahigh storage density and long-term stability. However, all known platforms suffer from high cost, read-write latency and error-rates that render them noncompetitive with modern storage devices. One means to avoid the above problems is using readily available native DNA. As the sequence content of native DNA is fixed, one can modify the topology instead to encode information. Here, we introduce DNA punch cards, a macromolecular storage mechanism in which data is written in the form of nicks at predetermined positions on the backbone of native double-stranded DNA. The platform accommodates parallel nicking on orthogonal DNA fragments and enzymatic toehold creation that enables single-bit random-access and in-memory computations. We use Pyrococcus furiosus Argonaute to punch files into the PCR products of Escherichia coli genomic DNA and accurately reconstruct the encoded data through high-throughput sequencing and read alignment.

Abstract DNA-based data storage platforms traditionally encode information only in the nucleotide sequence of the molecule. Here we report on a two-dimensional molecular data storage system that records information in both the sequence and the backbone structure of DNA and performs nontrivial joint data encoding, decoding and processing. Our 2DDNA method efficiently stores high-density images in synthetic DNA and embeds pertinent metadata as nicks in the DNA backbone. To avoid costly worst-case redundancy for correcting sequencing/rewriting errors and to mitigate issues associated with mismatched decoding parameters, we develop machine learning techniques for automatic discoloration detection and image inpainting. The 2DDNA platform is experimentally tested by reconstructing a library of images with undetectable or small visual degradation after readout processing, and by erasing and rewriting copyright metadata encoded in nicks. Our results demonstrate that DNA can serve both as a write-once and rewritable memory for heterogenous data and that data can be erased in a permanent, privacy-preserving manner. Moreover, the storage system can be made robust to degrading channel qualities while avoiding global error-correction redundancy.

Abstract Synthetic DNA-based data storage systems have received significant attention due to the promise of ultrahigh storage density and long-term stability. However, all platforms proposed so far suffer from high cost, read-write latency and error-rates that render them noncompetitive with modern optical and magnetic storage devices. One means to avoid synthesizing DNA and to reduce the system error-rates is to use readily available native DNA. As the symbol/nucleotide content of native DNA is fixed, one may adopt an alternative recording strategy that modifies the DNA topology to encode desired information. Here, we report the first macromolecular storage paradigm in which data is written in the form of “nicks (punches)” at predetermined positions on the sugar-phosphate backbone of native dsDNA. The platform accommodates parallel nicking on multiple “orthogonal” genomic DNA fragments and paired nicking and disassociation for creating “toehold” regions that enable single-bit random access and strand displacement in-memory computations. As a proof of concept, we used the programmable restriction enzyme Pyrococcus furiosus Argonaute to punch two files into the PCR products of Escherichia coli genomic DNA. The encoded data is accurately reconstructed through high-throughput sequencing and read alignment.

DNA is a promising next-generation data storage medium, but the recording latency and synthesis cost of oligos using the four natural nucleotides remain high. Here, we describe an improved DNA-based storage system that uses an extended 11-letter molecular alphabet combining natural and chemically modified nucleotides. Our extended-alphabet molecular storage paradigm offers a nearly two-fold increase in storage density and potentially the same order of reduction in the recording time. Experimental results involving a library of 77 custom-designed hybrid sequences reveal that one can readily detect and discriminate different combinations and orders of monomers via MspA nanopores. Furthermore, a neural network architecture designed to classify raw current signals generated by Oxford Nanopore Technologies sequencing ensures an average accuracy exceeding 60%, which is 39 times higher than that of random guessing. Molecular dynamics simulations reveal that the majority of modified nucleotides do not induce dramatic disruption of the DNA double helix, making the extended alphabet system potentially compatible with PCR-based random access data retrieval. The methodologies proposed provide a forward path for new implementations of molecular recorders.