We investigated genome folding across the eukaryotic tree of life. We find two types of three-dimensional (3D) genome architectures at the chromosome scale. Each type appears and disappears repeatedly during eukaryotic evolution. The type of genome architecture that an organism exhibits correlates with the absence of condensin II subunits. Moreover, condensin II depletion converts the architecture of the human genome to a state resembling that seen in organisms such as fungi or mosquitoes. In this state, centromeres cluster together at nucleoli, and heterochromatin domains merge. We propose a physical model in which lengthwise compaction of chromosomes by condensin II during mitosis determines chromosome-scale genome architecture, with effects that are retained during the subsequent interphase. This mechanism likely has been conserved since the last common ancestor of all eukaryotes.

Analyses of ancient DNA typically involve sequencing the surviving short oligonucleotides and aligning to genome assemblies from related, modern species. Here, we report that skin from a female woolly mammoth (†Mammuthus primigenius) that died 52,000 years ago retained its ancient genome architecture. We use PaleoHi-C to map chromatin contacts and assemble its genome, yielding 28 chromosome-length scaffolds. Chromosome territories, compartments, loops, Barr bodies, and inactive X chromosome (Xi) superdomains persist. The active and inactive genome compartments in mammoth skin more closely resemble Asian elephant skin than other elephant tissues. Our analyses uncover new biology. Differences in compartmentalization reveal genes whose transcription was potentially altered in mammoths vs. elephants. Mammoth Xi has a tetradic architecture, not bipartite like human and mouse. We hypothesize that, shortly after this mammoth's death, the sample spontaneously freeze-dried in the Siberian cold, leading to a glass transition that preserved subfossils of ancient chromosomes at nanometer scale.

Abstract We present a chromosome-length genome assembly and annotation of the Black Petaltail dragonfly ( Tanypteryx hageni ). This habitat specialist diverged from its sister species over 70 million years ago, and separated from the most closely related Odonata with a reference genome 150 million years ago. Using PacBio HiFi reads and Hi-C data for scaffolding we produce one of the most high quality Odonata genomes to date. A scaffold N50 of 206.6 Mb and a BUSCO score of 96.8% indicate high contiguity and completeness. Significance We provide a chromosome-length assembly of the Black Petaltail dragonfly ( Tanypteryx hageni) , the first genome assembly for any non-libelluloid dragonfly. The Black Petaltail diverged from its sister species over 70 million years ago. T. hageni , like its confamilials, occupies fen habitats in its nymphal stage, a life history uncommon in the vast majority of dragonflies. We hope that the availability of this assembly will facilitate research on T. hageni and other petaltail species, to better understand their ecology and support conservation efforts.

Abstract Background Basenjis are considered an ancient dog breed of central African origins that still live and hunt with tribesmen in the African Congo. Nicknamed the barkless dog, Basenjis possess unique phylogeny, geographical origins and traits, making their genome structure of great interest. The increasing number of available canid reference genomes allows us to examine the impact the choice of reference genome makes with regard to reference genome quality and breed relatedness. Results Here, we report two high quality de novo Basenji genome assemblies: a female, China (CanFam_Bas), and a male, Wags. We conduct pairwise comparisons and report structural variations between assembled genomes of three dog breeds: Basenji (CanFam_Bas), Boxer (CanFam3.1) and German Shepherd Dog (GSD) (CanFam_GSD). CanFam_Bas is superior to CanFam3.1 in terms of genome contiguity and comparable overall to the high quality CanFam_GSD assembly. By aligning short read data from 58 representative dog breeds to three reference genomes, we demonstrate how the choice of reference genome significantly impacts both read mapping and variant detection. Conclusions The growing number of high-quality canid reference genomes means the choice of reference genome is an increasingly critical decision in subsequent canid variant analyses. The basal position of the Basenji makes it suitable for variant analysis for targeted applications of specific dog breeds. However, we believe more comprehensive analyses across the entire family of canids is more suited to a pangenome approach. Collectively this work highlights the importance the choice of reference genome makes in all variation studies.

ABSTRACT Phenotypic plasticity enables an immediate response to changing conditions, but for most species, evolutionary change through adaptation will be more important for long-term survival. Warming climate and increasing desertification urges the identification of genes involved in heat-and dehydration-tolerance to better inform and target biodiversity conservation efforts. Comparisons among extant desert adapted species can highlight parallel or convergent patterns of genome evolution through the identification of shared signatures of selection. We generate chromosome-level genome assembly for the canyon mouse ( Peromyscus crinitus ) and test for signature of parallel evolution by comparing signatures of selective sweeps across population-level genomic resequencing data from another desert specialist deer mouse ( P. eremicus ) and a widely-distributed habitat generalist ( P. maniculatus ), that may locally adapted to arid conditions. We identify few shared candidate loci involved in desert adaptation and do not find support for a shared pattern of parallel evolution. Instead, we hypothesize divergent molecular mechanisms of desert adaptation among deer mice, potentially tied to species-specific historical demography, which may limit or enhance adaptation. We identify a number of candidate loci experiencing selective sweeps in the P. crinitus genome that are implicated in osmoregulation ( Trypsin, Prostasin ) and metabolic regulation ( Kallikrein, eIF2-alpha kinase GCN2, APPL1/2 ), which may be important to accommodating hot and dry environmental conditions.

Abstract Phlebotomine sand flies are the vectors of leishmaniasis, a neglected tropical disease. High-quality reference genomes are an important tool for understanding the biology and eco-evolutionary dynamics underpinning disease epidemiology. Previous leishmaniasis vector reference sequences were limited by sequencing technologies available at the time and inadequate for high-resolution genomic inquiry. Here, we present updated reference assemblies of two sand flies, Phlebotomus papatasi and Lutzomyia longipalpis . These chromosome-level assemblies were generated using an ultra-low input library protocol, PacBio HiFi long reads, and Hi-C technology. The new P. papatasi reference has a final assembly span of 351.6 Mb and contig and scaffold N50s of 926 kb and 111.8 Mb, respectively. The new Lu. longipalpis reference has a final assembly span of 147.8 Mb and contig and scaffold N50s of 1.09 Mb and 40.6 Mb, respectively. Benchmarking Universal Single-Copy Orthologue (BUSCO) assessments indicated 94.5% and 95.6% complete single copy insecta orthologs for P. papatasi and Lu. longipalpis . These improved assemblies will serve as an invaluable resource for future genomic work on phlebotomine sandflies.

ABSTRACT The mule deer ( Odocoileus hemionus ) is an ungulate species that ranges from western Canada to central Mexico. Mule deer are an essential source of food for many predators, are relatively abundant, and commonly make broad migration movements. A clearer understanding of the mule deer genome can help facilitate knowledge of its population genetics, movements, and demographic history, aiding in conservation efforts. While mule deer are excellent candidates for population genomic studies because of their large population size, continuous distribution, and diversity of habitat, few genomic resources are currently available for this species. Here, we sequence and assemble the mule deer genome into a highly contiguous chromosome-length assembly for use in future research using long-read sequencing and Hi-C. We also provide a genome annotation and compare demographic histories of the mule deer and white-tail deer using PSMC. We expect this assembly to be a valuable resource in the continued study and conservation of mule deer.

Abstract Ancient DNA (aDNA) sequencing analysis typically involves alignment to a modern reference genome assembly from a related species. Since aDNA molecules are fragmentary, these alignments yield information about small-scale differences, but provide no information about larger features such as the chromosome structure of ancient species. We report the genome assembly of a female Late Pleistocene woolly mammoth ( Mammuthus primigenius ) with twenty-eight chromosome-length scaffolds, generated using mammoth skin preserved in permafrost for roughly 52,000 years. We began by creating a modified Hi-C protocol, dubbed PaleoHi-C, optimized for ancient samples, and using it to map chromatin contacts in a woolly mammoth. Next, we developed “reference-assisted 3D genome assembly,” which begins with a reference genome assembly from a related species, and uses Hi-C and DNA-Seq data from a target species to split, order, orient, and correct sequences on the basis of their 3D proximity, yielding accurate chromosome-length scaffolds for the target species. By means of this reference-assisted 3D genome assembly, PaleoHi-C data reveals the 3D architecture of a woolly mammoth genome, including chromosome territories, compartments, domains, and loops. The active (A) and inactive (B) genome compartments in mammoth skin more closely resemble those observed in Asian elephant skin than the compartmentalization patterns seen in other Asian elephant tissues. Differences in compartmentalization between these skin samples reveal sequences whose transcription was potentially altered in mammoth. We observe a tetradic structure for the inactive X chromosome in mammoth, distinct from the bipartite architecture seen in human and mouse. Generating chromosome-length genome assemblies for two other elephantids (Asian and African elephant), we find that the overall karyotype, and this tetradic Xi structure, are conserved throughout the clade. These results illustrate that cell-type specific epigenetic information can be preserved in ancient samples, in the form of DNA geometry, and that it may be feasible to perform de novo genome assembly of some extinct species.

Abstract The structure of the genome shapes the distribution of genetic diversity and sequence divergence. To investigate how the relationship between chromosome size and recombination rate affects sequence divergence between species, we combined empirical analyses and evolutionary simulations. We estimated pairwise sequence divergence among 15 species from three different Mammalian clades - Peromyscus rodents, Mus mice, and great apes - from chromosome-level genome assemblies. We found a strong significant negative correlation between chromosome size and sequence divergence in all species comparisons within the Peromyscus and great apes clades, but not the Mus clade, suggesting that the dramatic chromosomal rearrangements among Mus species may have masked the ancestral genomic landscape of divergence in many comparisons. Our evolutionary simulations showed that the main factor determining differences in divergence among chromosomes of different size is the interplay of recombination rate and selection, with greater variation in larger populations than in smaller ones. In ancestral populations, shorter chromosomes harbor greater nucleotide diversity. As ancestral populations diverge, diversity present at the onset of the split contributes to greater sequence divergence in shorter chromosomes among daughter species. The combination of empirical data and evolutionary simulations revealed that chromosomal rearrangements, demography, and divergence times may also affect the relationship between chromosome size and divergence, and deepen our understanding of the role of genome structure on the evolution of species divergence.