Summary We explored genetic variation by sequencing a selection of 84 tomato accessions and related wild species representative of the Lycopersicon , Arcanum , Eriopersicon and Neolycopersicon groups, which has yielded a huge amount of precious data on sequence diversity in the tomato clade. Three new reference genomes were reconstructed to support our comparative genome analyses. Comparative sequence alignment revealed group‐, species‐ and accession‐specific polymorphisms, explaining characteristic fruit traits and growth habits in the various cultivars. Using gene models from the annotated Heinz 1706 reference genome, we observed differences in the ratio between non‐synonymous and synonymous SNPs (dN/dS) in fruit diversification and plant growth genes compared to a random set of genes, indicating positive selection and differences in selection pressure between crop accessions and wild species. In wild species, the number of single‐nucleotide polymorphisms (SNPs) exceeds 10 million, i.e. 20‐fold higher than found in most of the crop accessions, indicating dramatic genetic erosion of crop and heirloom tomatoes. In addition, the highest levels of heterozygosity were found for allogamous self‐incompatible wild species, while facultative and autogamous self‐compatible species display a lower heterozygosity level. Using whole‐genome SNP information for maximum‐likelihood analysis, we achieved complete tree resolution, whereas maximum‐likelihood trees based on SNPs from ten fruit and growth genes show incomplete resolution for the crop accessions, partly due to the effect of heterozygous SNPs. Finally, results suggest that phylogenetic relationships are correlated with habitat, indicating the occurrence of geographical races within these groups, which is of practical importance for Solanum genome evolution studies.

Knowledge of the exact distribution of meiotic crossovers (COs) and gene conversions (GCs) is essential for understanding many aspects of population genetics and evolution, from haplotype structure and long-distance genetic linkage to the generation of new allelic variants of genes. To this end, we resequenced the four products of 13 meiotic tetrads along with 10 doubled haploids derived from Arabidopsis thaliana hybrids. GC detection through short reads has previously been confounded by genomic rearrangements. Rigid filtering for misaligned reads allowed GC identification at high accuracy and revealed an ∼80-kb transposition, which undergoes copy-number changes mediated by meiotic recombination. Non-crossover associated GCs were extremely rare most likely due to their short average length of ∼25-50 bp, which is significantly shorter than the length of CO-associated GCs. Overall, recombination preferentially targeted non-methylated nucleosome-free regions at gene promoters, which showed significant enrichment of two sequence motifs. DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.01426.001.

Abstract Tomato is the most consumed vegetable in the world. Increasing its natural resistance and resilience is key for ensuring food security within a changing climate. Plant breeders improve those traits by generating crosses of cultivated tomatoes with their wild relatives. Specific allele introgression relying on meiotic recombination, is hampered by structural divergence between parental genomes. However, previous studies of interspecific tomato hybridization focused in single cross or lacked resolution due to prohibitive sequencing costs of large segregating populations. Here, we used pooled-pollen sequencing to reveal unprecedented details of recombination patterns in five interspecific tomato hybrids. We detected hybrid-specific recombination coldspots that underscore the influence of structural divergence in shaping recombination landscape. Crossover regions and coldspots show strong association with specific TE superfamilies exhibiting differentially accessible chromatin between somatic and meiotic cells. We also found gene complexes associated with metabolic processes, stress resistance and domestication syndrome traits, revealing undesired consequences of recombination suppression to phenotypes. Finally, we demonstrate that by using resequencing data of wild and domesticated tomato populations, we can screen for alternative parental genomes to overcome recombination barriers. Overall, our results will allow breeders better informed decisions on generating disease-resistant and climate-resilient tomato.

Abstract We present the first annotated genome assembly of the allopolyploid okra ( Abelmoschus esculentus ). Analysis of telomeric repeats and gene rich regions suggested we obtained whole chromosome and chromosomal arm scaffolds. Besides long distal blocks we also detected short interstitial TTTAGGG telomeric repeats, possibly representing hallmarks of chromosomal speciation upon polyploidization of okra. Ribosomal RNA genes are organized in 5S clusters separated from the 18S-5.8S-28S units, clearly indicating an S-type rRNA gene arrangement. The assembly is consistent with cytogenetic and cytometry observations, identifying 65 chromosomes and 1.45Gb of expected genome size in a haploid sibling. Approximately 57% of the genome consists of repetitive sequence. BUSCO scores and A50 plot statistics indicated a nearly complete genome. Kmer distribution analysis suggests that approximately 75% has a diploid nature, and at least 15% of the genome is heterozygous. We did not observe aberrant meiotic configurations, suggesting there is no recombination among the sub-genomes. BUSCO configurations as well as k-mer clustering analysis pointed to the presence of at least 2 sub-genomes. These observations are indicative for an allopolyploid nature of the okra genome. Structural annotation, using gene models derived from mapped IsoSeq transcriptome data, generated over 130,000 putative genes. Mapped transcriptome data from public okra accessions of Asian origin confirmed the predicted genes, showing limited genetic diversity of 1SNP/2.1kb. The discovered genes appeared to be located predominantly at the distal ends of scaffolds, gradually decreasing in abundance toward more centrally positioned scaffold domains. In contrast, LTR retrotransposons were more abundant in centrally located scaffold domains, while less frequently represented in the distal ends. This gene and LTR-retrotransposon distribution is consistent with the observed heterochromatin organization of pericentromeric heterochromatin and distal euchromatin. The derived amino acid queries of putative genes were subsequently used for phenol biosynthesis pathway annotation in okra. Comparison against manually curated reference KEGG pathways from related Malvaceae species revealed the genetic basis for putative enzyme coding genes that likely enable metabolic reactions involved in the biosynthesis of dietary and therapeutic compounds in okra.

Abstract Chromosome substitution lines (CSLs) are tentatively supreme resources to investigate non-allelic genetic interactions. However, the difficulty of generating such lines in most species largely yielded imperfect CSL panels, prohibiting a systematic dissection of epistasis. Here, we present the development and use of a unique and complete panel of CSLs in Arabidopsis thaliana , allowing the full factorial analysis of epistatic interactions. A first comparison of reciprocal single chromosome substitutions revealed a dependency of QTL detection on different genetic backgrounds. The subsequent analysis of the complete panel of CSLs enabled the mapping of the genetic interactors and identified multiple two- and three-way interactions for different traits. Some of the detected epistatic effects were as large as any observed main effect, illustrating the impact of epistasis on quantitative trait variation. We, therefore, have demonstrated the high power of detection and mapping of genome-wide epistasis, confirming the assumed supremacy of comprehensive CSL sets.

Abstract This study explored a germplasm consisting of 112 Luffa acutangula (ridge gourd) accessions mainly from Thailand, and some accessions from Vietnam, China, Philippines, Indonesia, USA, Bangladesh and Laos for an analysis of the population structure and underlying genetic diversity using 2,834 SNPs. STRUCTURE analysis ( ΔK at K =6) allowed us to group the accessions into six subpopulations that corresponded well with the unrooted phylogenetic tree and principal coordinate analyses. The phylogenetic tree showed the diversity of L. acutangula in Thailand, and accessions from other countries apart from Thailand were grouped together in the same branches. In STRUCTURE, subpopulation 2 contained only accessions from Thailand while other subpopulations contained a combination of accessions from Thailand and from other countries. When plotted, the STRUCTURE bars to the area of collection, it revealed the geneflow from the surrounding places nearby as indicated by the admixed genetic in the STRUCTURE bars. AMOVA based on STRUCTURE clustering showed the variation between populations (12.83%) and confirmed the absence of population structure in subpopulations (−10.59%). There was a distinguishing characteristic fruit shape and length in each subpopulation. The ample genetic diversity found in the L. acutangula germplasm can be utilized in ridge gourd breeding programs to help meet the demands and needs of both consumers and farmers.

Chromosome substitution lines (CSLs) are tentatively supreme resources to investigate non-allelic genetic interactions. However, the difficulty of generating such lines in most species largely yielded imperfect CSL panels, prohibiting a systematic dissection of epistasis. Here, we present the development and use of a unique and complete panel of CSLs in Arabidopsis thaliana, allowing the full factorial analysis of epistatic interactions. A first comparison of reciprocal single chromosome substitutions revealed a dependency of QTL detection on different genetic backgrounds. The subsequent analysis of the complete panel of CSLs enabled the mapping of the genetic interactors and identified multiple two- and three-way interactions for different traits. Some of the detected epistatic effects were as large as any observed main effect, illustrating the impact of epistasis on quantitative trait variation. We, therefore, have demonstrated the high power of detection and mapping of genome-wide epistasis, confirming the assumed supremacy of comprehensive CSL sets.

F1 heterozygotes are traditionally generated by crossing homozygous parental lines. The opposite is achieved through reverse breeding, in which parental lines are generated from a heterozygote. Reverse breeding can be used to develop new F1 hybrid varieties without having prior access to homozygous breeding lines. For successful reverse breeding, the heterozygotes homologous chromosomes must be divided over two haploid complements, which is achieved by suppression of meiotic crossover (CO) recombination. We here show two innovations that facilitate efficient reverse breeding. Firstly, we demonstrate that downregulation of CO rates can be accomplished using virus-induced gene silencing (VIGS). We obtain transgene-free parental lines for a heterozygote in just two generations. Secondly, we show that incomplete CO suppression opens up several alternative strategies for the preservation of hybrid phenotypes through reverse breeding.