ABSTRACT Recombination is often suppressed at sex-determining loci in plants and animals, and at self-incompatibility or mating-type loci in plants and fungi. In fungal ascomycetes, recombination suppression around the mating-type locus is associated with pseudo-homothallism, i . e ., the production of self-fertile dikaryotic sexual spores carrying the two opposite mating types. This has been well studied in two species complexes from different families of Sordariales: Podospora anserina and Neurospora tetrasperma . However, it is unclear whether this intriguing convergent association holds in other species. We show here that Schizothecium tetrasporum , a fungus from a third family in the order Sordariales, also produces mostly self-fertile dikaryotic spores carrying the two opposite mating types. This was due to a high frequency of second meiotic division segregation at the mating-type locus, indicating the occurrence of a single and systematic crossing-over event between the mating-type locus and the centromere, as in P. anserina . The mating-type locus has the typical Sordariales organization, plus a MAT1-1-1 pseudogene in the MAT1-2 haplotype. High-quality genome assemblies of opposite mating types and segregation analyses revealed a suppression of recombination in a region of 1.3 Mb around the mating-type locus. We detected three evolutionary strata, displaying a stepwise extension of recombination suppression, but no rearrangement or transposable element accumulation in the non-recombining region. Our findings indicate a convergent evolution of self-fertile dikaryotic sexual spores across multiple ascomycete fungi. The particular pattern of meiotic segregation at the mating-type locus was associated with recombination suppression around this locus, that had extended stepwise. This association is consistent with a recently proposed mechanism of deleterious allele sheltering through recombination suppression around a permanently heterozygous locus. AUTHOR SUMMARY Recombination allows faster adaptation and the purging of deleterious mutation but is often paradoxically lacking in sex chromosomes. It has been recently recognized that recombination can also be suppressed on fungal mating-type chromosomes, but the evolutionary explanation and the proximal mechanism of this phenomenon remain unclear. By studying here the sexual biology of a poorly studied mold living in rabbit dung, we reveal a striking convergence in three distant fungal lineages of an independently evolved association between the production of self-fertile sexual spores (carrying two nuclei with opposite mating types), a particular segregation of the mating-type locus and the lack of recombination on mating-type chromosomes, having evolved stepwise. Such a convergent association suggests causal relationships and will contribute to unveil the evolutionary causes of recombination suppression. Graphical summary

Abstract Recombination is beneficial over the long term, allowing more effective selection. Despite long-term advantages of recombination, local recombination suppression can evolve and lead to genomic degeneration, in particular on sex chromosomes. Here, we investigated the tempo of degeneration in non-recombining regions, i.e., the function curve for the accumulation of deleterious mutations over time, leveraging on 22 independent events of recombination suppression identified on mating-type chromosomes of anther-smut fungi, including newly identified ones. Using previously available and newly generated high-quality genome assemblies of alternative mating types of 13 Microbotryum species, we estimated degeneration levels in terms of accumulation of non-optimal codons and non-synonymous substitutions in non-recombining regions. We found a reduced frequency of optimal codons in the non-recombining regions compared to autosomes, that was not due to less frequent GC-biased gene conversion or lower ancestral expression levels compared to recombining regions. The frequency of optimal codons rapidly decreased following recombination suppression and reached an asymptote after ca 3 Mya. The strength of purifying selection remained virtually constant at d N /d S = 0.55, i.e . at an intermediate level between purifying selection and neutral evolution. Accordingly, non-synonymous differences between mating-type chromosomes increased linearly with stratum age, at a rate of 0.015 per MY. We thus develop a method for disentangling effects of reduced selection efficacy from GC-biased gene conversion in the evolution of codon usage and we quantify the tempo of degeneration in non-recombining regions, which is important for our knowledge on genomic evolution and on the maintenance of regions without recombination.

Abstract Domestication is an excellent model for studying adaptation processes, involving recent adaptation and diversification, convergence following adaptation to similar conditions, as well as degeneration of unused functions. Geotrichum candidum is a fungus used for cheese making and is also found in other environments such as soil and plants. By analyzing whole-genome data from 98 strains, we found that all strains isolated from cheese formed a monophyletic clade. Within the cheese clade, we identified three genetically differentiated populations and we detected footprints of recombination and admixture. The genetic diversity in the cheese clade was similar as that in the wild clade, suggesting the lack of strong bottlenecks. Commercial starter strains were scattered across the cheese clade, thus not constituting a single clonal lineage. The cheese populations were phenotypically differentiated from other populations, with a slower growth on all media, even cheese, a prominent production of typical cheese volatiles and a lower proteolytic activity. One of the cheese clusters encompassed all soft goat cheese strains, suggesting an effect of cheese-making practices on differentiation. Another of the cheese populations seemed to represent a more advanced stage of domestication, with stronger phenotypic differentiation from the wild clade, harboring much lower genetic diversity, and phenotypes more typical of cheese fungi, with denser and fluffier colonies and a greater ability of excluding cheese spoiler fungi. Cheese populations lacked two beta lactamase-like genes present in the wild clade, involved in xenobiotic clearance, and displayed higher contents of transposable elements, likely due to relaxed selection. Our findings suggest the existence of genuine domestication in G. candidum , which led to diversification into different varieties with contrasted phenotypes. Some of the traits acquired by cheese strains indicate convergence with other, distantly related fungi used for cheese maturation.

Abstract Anthropogenic and natural divergence processes remain poorly studied in crop-wild fruit tree complexes, especially in the Caucasus, a pivotal region for plant domestication. We investigated anthropogenic and natural divergence processes in apples in the Caucasus using 26 microsatellite markers amplified in 550 wild and cultivated samples. We found two genetically distinct cultivated populations in Iran that are differentiated from Malus domestica , the standard cultivated apple worldwide. Coalescent-based inferences showed that these two cultivated populations originated from specific domestication events of M. orientalis in Iran. One of the Iranian clusters comprised both cultivated and forest trees, suggesting that either farmers use local wild apple for cultivation or that some forest trees are feral cultivars. We found evidence of substantial wild-crop and crop-crop gene flow in the Caucasus, as has been described in apple in Europe. In the Caucasus, we identified seven genetically differentiated populations of wild apple ( Malus orientalis ). Niche modeling combined with genetic diversity estimates indicated that these populations likely resulted from range changes during past glaciations. This study identifies Iran as a key region in the domestication of apple and M. orientalis as an additional contributor to the cultivated apple gene pool. Domestication of the apple tree therefore involved multiple origins of domestication in different geographic locations and substantial crop-wild hybridization, as found in other fruit trees. This study also highlights the impact of climate change on the natural divergence of a wild fruit tree and provides a starting point for apple conservation and breeding programs in the Caucasus.

Abstract In animals and plants, differential expression of genes on sex chromosomes is widespread and it is usually considered to result from sexually antagonistic selection; however differential expression can also be caused by asymmetrical sequence degeneration in non-recombining sex chromosomes, which has been very little studied. The anther-smut fungus Microbotryum lychnidis-dioicae is ideal to investigate the extent to which differential gene expression is associated with sequence degeneration because: 1) separate haploid cultures of opposite mating types help identify differential expression, 2) its mating-type chromosomes display multiple evolutionary strata reflecting successive events of gene linkage to the mating-type loci, and 3) antagonistic selection is unlikely between isogamous haploid mating types. We therefore tested the hypothesis that differential gene expression between mating types resulted from sequence degeneration. We found that genes showing differential expression between haploid mating types were enriched only on the oldest evolutionary strata of the mating-type chromosomes and were associated with multiple signatures of sequence degeneration. We found that differential expression between mating types was associated with elevated differences between alleles in non-synonymous substitution rates, indels and premature stop codons, transposable element insertions, and altered intron and GC content. Our findings strongly suggest that degenerative mutations are important in the evolution of differential expression in non-recombining regions. Our results are relevant for a broad range of taxa where mating compatibility or sex is determined by genes located in large regions of recombination suppression, showing that differential expression should not be taken as necessarily arising from antagonistic selection. Author Summary Differences between males and females, from morphology to behavior and physiology, are considered to largely reflect differential expression of genes that maximize fitness benefits relative to costs that are specific to one sex. However, there is an unexplored alternative to such ‘sexually antagonistic selection’ to explain differential expression. Reproductive compatibility is often determined by genes located in large non-recombining chromosomal regions, where degenerative mutations are expected to accumulate and may separately affect the expression of alternate alleles of genes. We tested the role of genetic degeneration in determining differential expression between the isogamous haploid mating types of the anther-smut fungus, Microbotryum lychnidis-dioicae , where sexually antagonistic selection is not a confounding factor. We show that differentially expressed genes are highly enriched in the non-recombining mating-type chromosomes, and that they are associated with various forms of degenerative mutations, some of which indicate that the less expressed allele suffers greater mutational effects. Our finding of the role for degenerative mutations in the evolution of differential expression is relevant for a broad range of organisms where reproductive compatibility or sex is determined by genes in regions of suppressed recombination, and shows that differential expression should not be taken as necessarily arising from antagonistic selection.

Abstract In-depth characterization of the genetic diversity and population structure of wild relatives of crops is of paramount importance for genetic improvement and biodiversity conservation, and is particularly crucial when the wild relatives of crops are endangered. In this study, we therefore sampled the Alpine plum (Briançon apricot) Prunus brigantina Vill. across its natural distribution in the French Alps, where its populations are severely fragmented and its population size strongly impacted by humans. We analysed 71 wild P. brigantina samples with 34 nuclear markers and studied their genetic diversity and population structure, with the aim to inform in situ conservation measures and build a core collection for long-term ex-situ conservation. We also examined the genetic relationships of P. brigantina with other species in the Prunophora subgenus, encompassing the Prunus (Eurasian plums), Prunocerasus (North-American plums) and Armeniaca (apricots) sections, to check its current taxonomy. We detected a moderate genetic diversity in P. brigantina and a Bayesian model-based clustering approach revealed the existence of three genetically differentiated clusters, endemic to three geographical regions in the Alps, which will be important for in situ conservation measures. Based on genetic diversity and population structure analyses, a subset of 36 accessions were selected for ex-situ conservation in a core collection that encompasses the whole detected P. brigantina allelic diversity. Using a dataset of cultivated apricots and wild cherry plums ( P. cerasifera ) genotyped with the same markers, we detected gene flow neither with European P. armeniaca cultivars nor with diploid plums. In contrast with previous studies, dendrograms and networks placed P. brigantina closer to Armeniaca species than to Prunus species. Our results thus confirm the classification of P. brigantina within the Armeniaca section; it also illustrates the importance of the sampling size and design in phylogenetic studies.

Abstract Sex chromosomes and mating-type chromosomes can display large genomic regions without recombination. Recombination suppression often extended stepwise with time away from the sex- or mating-type-determining genes, generating evolutionary strata of differentiation between alternative sex or mating-type chromosomes. In anther-smut fungi of the Microbotryum genus, recombination suppression evolved repeatedly, linking the two mating-type loci and extended multiple times in regions distal to the mating-type genes. Here, we obtained high-quality genome assemblies of alternative mating types for four Microbotryum fungi. We found an additional event of independent chromosomal rearrangements bringing the two mating-type loci on the same chromosome followed by recombination suppression linking them. We also found, in a new clade analysed here, that recombination suppression between the two mating-type loci occurred in several steps, with first an ancestral recombination suppression between one of the mating-type locus and its centromere; later, completion of recombination suppression up to the second mating-type locus occurred independently in three species. The estimated dates of recombination suppression between the mating-type loci ranged from 0.15 to 3.58 million years ago. In total, this makes at least nine independent events of linkage between the mating-type loci across the Microbotryum genus. Several mating-type locus linkage events occurred through the same types of chromosomal rearrangements, where similar chromosome fissions at centromeres represent convergence in the genomic changes leading to the phenotypic convergence. These findings further highlight Microbotryum fungi as excellent models to study the evolution of recombination suppression.

Domestication provides an excellent framework for studying adaptive divergence. Using population genomics and phenotypic assays, we reconstructed the domestication history of the blue cheese mold Penicillium roqueforti. We showed that this fungus was domesticated twice independently. The population used in Roquefort originated from an old domestication event associated with weak bottlenecks and exhibited traits beneficial for pre-industrial cheese production (slower growth in cheese and greater spore production on bread, the traditional multiplication medium). The other cheese population originated more recently from the selection of a single clonal lineage, was associated to all types of blue cheese worldwide but Roquefort, and displayed phenotypes more suited for industrial cheese production (high lipolytic activity, efficient cheese cavity colonization ability and salt tolerance). We detected genomic regions affected by recent positive selection and putative horizontal gene transfers. This study sheds light on the processes of rapid adaptation and raises questions about genetic resource conservation.

Abstract Large regions of suppressed recombination having extended over time occur in many organisms around genes involved in mating compatibility (sex-determining or mating-type genes). The sheltering of deleterious alleles has been proposed to be involved in such expansions. However, the dynamics of deleterious mutations partially linked to genes involved in mating compatibility are not well understood, especially in finite populations. In particular, under what conditions deleterious mutations are likely to be maintained for long enough near mating-compatibility genes remains to be evaluated, especially under selfing, which generally increases the purging rate of deleterious mutations. Using a branching process approximation, we studied the fate of a new deleterious or overdominant mutation in a diploid population, considering a locus carrying two permanently heterozygous mating-type alleles, and a partially linked locus at which the mutation appears. We obtained analytical and numerical results on the probability and purging time of the new mutation. We investigated the impact of recombination between the two loci and of the mating system (outcrossing, intra and inter-tetrad selfing) on the maintenance of the mutation. We found that the presence of a fungal-like mating-type locus ( i.e . not preventing diploid selfing) always sheltered the mutation under selfing, i.e . it decreased the purging probability and increased the purging time of the mutations. The sheltering effect was higher in case of automixis (intra-tetrad selfing). This may contribute to explain why evolutionary strata of recombination suppression near the mating-type locus are found mostly in automictic (pseudo-homothallic) fungi. We also showed that rare events of deleterious mutation maintenance during strikingly long evolutionary times could occur, suggesting that deleterious mutations can indeed accumulate near the mating-type locus over evolutionary time scales. In conclusion, our results show that, although selfing purges deleterious mutations, these mutations can be maintained for very long times near a mating-type locus, which may contribute to promote the evolution of recombination suppression in sex-related chromosomes.